WO2007023021A2 - Verfahren und vorrichtung zur erkennung von quietschgeräuschen - Google Patents
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- WO2007023021A2 WO2007023021A2 PCT/EP2006/064023 EP2006064023W WO2007023021A2 WO 2007023021 A2 WO2007023021 A2 WO 2007023021A2 EP 2006064023 W EP2006064023 W EP 2006064023W WO 2007023021 A2 WO2007023021 A2 WO 2007023021A2
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Classifications
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- G01H3/00—Measuring characteristics of vibrations by using a detector in a fluid
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-
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- G01M17/00—Testing of vehicles
Definitions
- the invention relates to a method for detecting squeaking noise within a sound signal generated during operation of a motor vehicle or during operation of one of its components, in which the sound signal is detected at least two times the amplitude distribution in one
- Frequency domain representing amplitude spectrum of the sound signal is generated and by evaluating the at least two amplitude spectra, the presence of a
- An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the squeaking noises are brake squeaking noises. Brake squeaks are particularly disturbing for the driver of a motor vehicle and the environment.
- An advantageous embodiment of the invention is characterized in that each of the two amplitude spectra is determined by a frequency analysis of a temporal signal waveform, wherein the temporal signal waveform extends over a respective other temporal signal portion.
- time-shifted signal analyzes are available and it is also possible to determine the length of time a squeaking noise.
- An advantageous embodiment of the invention is characterized in that - the temporal signal waveform is sampled, and the temporal signal portion each extends over a predetermined number of sampling points.
- An advantageous embodiment of the invention is characterized in that - the temporal signal waveform is sampled at a signal sampling frequency of 48 kHz and each signal portion comprises 4096 sampling points.
- An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the signal sections overlap, in particular the overlap is 50% of the temporal
- An advantageous embodiment of the invention is characterized in that a smoothed amplitude spectrum is formed from each of the at least two amplitude spectra and the presence of a squeaking noise is detected by evaluating the at least two amplitude spectra and the at least two smoothed amplitude spectra.
- An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the smoothing by arithmetic averaging of the sound pressure level determined from the amplitude spectrum over predetermined frequency sections, wherein the frequency sections in particular have a length of 1 third.
- An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the presence of a squeaking noise is detected by evaluation of signal peaks in the amplitude spectra.
- the property is exploited that expressing squeaks in signal peaks.
- An advantageous embodiment of the invention is characterized in that for detecting the presence of a squeaking noise for a given minimum number of evaluations of temporally successive amplitude spectra signal peaks are detected within the same frequency interval. This rule out that randomly occurring individual signal peaks are erroneously detected as squeaking noise.
- An advantageous embodiment of the invention is characterized in that a squeaking noise is detected as no longer present if, for a further predetermined minimum number of evaluations temporally immediately successive amplitude spectra in the same frequency interval no signal peak is detected.
- An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the entire frequency range to be examined is divided into overlapping frequency intervals.
- the determined value of the signal peak by at least a predetermined value is greater than the value of the corresponding signal at the edges of the frequency interval.
- Amplitude spectrum is formed and that a signal peak in a frequency interval is then detected as present, if in addition the determined value of the signal peak in this frequency interval is greater than the determined from the smoothed amplitude spectrum value of the signal at the same
- Frequency of the frequency interval is and the determined value of the signal peak by at least a predetermined value is greater than the determined from the smoothed amplitude spectrum value of the signal at the edges of the frequency interval.
- the average deviation of the frequency of the detected signal peaks from the center frequency of the
- Presence of a squeaking noise is closed when the deviation quantity exceeds a predefinable threshold value in such a direction that increases the deviation associated with the deviation amount.
- spurious signals have a lower standard deviation around their center frequency than brake generated squeaking events.
- An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the presence of a squeaking noise is concluded when the deviation quantity exceeds a predefinable threshold value in such a direction that the deviation associated with the deviation quantity is reduced.
- the main squeal frequency is determined.
- the invention comprises a device containing means for carrying out the method according to the invention.
- FIG. 1 shows an example spectrum Xi and an associated smoothed spectrum Si.
- FIG. 2 shows the principle of the search for squeaking events in a frequency-time domain. Signal peaks are marked as black squares.
- Fig. 4 shows the basic sequence of the method according to the invention.
- the spectrogram is a representation of the frequency content of the signal x (n) as a function of time.
- N 4096 sampling points
- the signal sections each overlap by 50%, i. by 2048 sample points, -
- Each signal segment is multiplied by a Hanning window of length N.
- a smoothed spectrogram S (f, n) is further calculated according to the above method.
- spectra Xi (f) are calculated individually from the signal sections xi and thereby smoothed, that the amplitude values within certain frequency bands are replaced by their mean value.
- Si (f) smoothed amplitude spectra
- Fig. 1 is an example spectrum Xi (f) (jagged line) and an associated smoothed
- the signal is searched for signal peaks using the signal peak detection method described below before searching for squeaking noises.
- Broadband sounds are also characterized in that signal peaks are detected in a frequency-time range by this signal peak detection method. The extent of this frequency-time range is set according to practical requirements. It is also defined how many signal peaks must be detected by this signal peak detection method per frequency-time range, so that a broadband interference signal and thus no squeaking is detected as present.
- Frequency-time ranges not already excluded by the search for noises are examined for signal peaks by the signal peak detection method described later.
- Deviations from the stated values are also possible in particular for C and w.
- C the value range from 7 dB to 17 dB has proven to be suitable; for w, the value range from 0.025 to 0.175 is suitable.
- the information about found signal peaks at each time point n is available for each frequency fc in the considered area.
- coherent frequency-time ranges are searched, which represent squeaking noises. For this purpose, for each frequency fc for which a signal peak has been found, all times n are considered and determined, whether to successive
- Time points j and j + 1 a signal peak was detected by the signal peak detection method.
- a minimum number k of immediately temporally successive signal peaks in a frequency range around fc must exist in order to be recognized as a squeaking noise. If there are at least k time-related signal peaks, during the further search for the frequency fc along the times n, temporal gaps of the maximum duration 1 between the signal peaks are also allowed and attributed to the duration of the squeaking sound found. This procedure is based on the fact that for the perception of a sound by humans this - must be present for a minimum period and on the other hand, temporal masking effects, which are shorter than a certain duration, are barely influenced in their perception by humans.
- time gap between two signal peaks exceeds the duration 1, then this duration is no longer attributed to the total length of a squeaking noise. If the time gap between signal peaks or temporally related sequences of signal peaks exceeds a duration gmax, then the sequences of signal peaks found are treated no more than one but two squeak events. The start and end times of each detected squeak event q are stored as tqstart and tqend, respectively.
- FIG. 2 shows the principle of searching for squeaking events in a frequency-time domain.
- the signal peaks found by the signal peak detection method are marked as black squares.
- the time t is plotted in the abscissa direction in FIG. 2 and the frequency f is plotted in the ordinate direction.
- two squeaking events are identified with "squeaks 1" and
- Each of the two squeaking events comprises 7 detected signal peaks, with "squeaking 1" there is a time gap between the third and fourth squeaking event, which, however, is not greater than the maximum permitted time duration 1. Between the two squealing events there is a time gap whose duration exceeds the value gmax. That's why there are two separate ones
- This frequency is defined as the actual frequency fq of the squeaking event.
- first all spectra Xi which lie within the times tqstart and tqend are combined to form a new averaged spectrum Xqavg, by replacing in each case all the amplitude values of a frequency f by their arithmetic mean.
- the squeal frequency fq is the frequency within the window Fc, for which Xqavg has the maximum level. This level Lq is stored as a representative value for the squeak event q.
- signal peaks are found by evaluating the spectra Xi and Si and a defined, frequency-dependent threshold Th (f).
- Th the sound pressure level in dB can be used.
- the search for peaks may be limited to frequencies between a lower limit frequency fGl and an upper limit frequency fGu.
- Each spectrum Xi is divided into frequency windows Fc by center frequencies fc.
- the value w 0.0276 has proven to be particularly suitable in experiments.
- Successive windows Fc and Fc + 1 may overlap depending on the choice of center frequencies.
- the maximum value of the spectrum Xi is now searched for all frequencies f with fcl ⁇ f ⁇ fcu within Fc. The detected maximum value is denoted Lmax.
- Lmax is at least C higher than the value of the unsmoothed spectrum at boundaries fcl and fcu of the considered range (conditions 2) and 3)). This clearly shows that the maximum is sufficiently localized and pronounced have to be. This excludes the possibility that very loud noises, the spectrum of which has a very high value for all frequencies, are misleading
- the windows are so narrow that only a squeak can ever fall into a window. For example, at a frequency of 800 Hz, the window size is approximately 90 Hz.
- the first harmonic of a falling in the window is approximately 90 Hz.
- Squeaking noise is at 1600 Hz and thus far out of the window.
- Xi (f) that is the unsmoothed amplitude spectrum of the signal excerpt xi, - Si (f), that is the smoothed amplitude spectrum of the signal excerpt xi, and the threshold value Th assumed here as frequency-independent over the frequency f shown in the abscissa direction.
- the edge points fcl and fcu of the frequency window are shown on the abscissa axis.
- FIG. 3 under the abscissa axis, 4 further frequency windows labeled a, b, c and d are shown by way of example. This makes it clear that the frequency axis can be divided into several frequency windows, wherein the frequency windows overlap in particular.
- squeaking frequencies In practice, it often comes to the simultaneous excitation of several squeaking frequencies during a braking operation. To select one of these frequencies as the main frequency, an approach can be used which is based on the sound perception of humans. For this purpose, the associated specific loudnesses or volume levels are calculated and compared for all squeaking frequencies. The frequency of the squeak event having the highest specific loudness is selected as the main frequency. The strong correlation between the loudness and the subjectively perceived annoyance of a sound proves in listening tests that the most annoying squeaking event for the listener is evaluated in one signal as representative of the overall signal.
- the following procedure can be used.
- the specific loudnesses of all squeaking events are summed up within a frequency window Fmain.
- Fmain glides over all frequencies between FGl and FGu. This results in a representation of the summed specific loudnesses of all occurring squeaking events as a function of the frequency.
- peak values are now sought in a sliding window Fmov, which has a larger bandwidth than Fmain. Starting with the highest peak values found, the corresponding frequencies result in individual main frequencies.
- FIG. 4 The basic sequence of the method according to the invention is shown in FIG. 4.
- the sound signal is detected in block 401 and determined in block 402 whose amplitude spectrum.
- feedback is made to block 401, i. the sound signal is detected again at a later time.
- the presence of a squeaking noise is detected by evaluating the at least two amplitude spectra.
- the method ends in block 404.
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Abstract
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Erkennung von Quietschgeräuschen innerhalb eines beim Betrieb eines Kraftfahrzeugs oder beim Betrieb eines dessen Komponenten erzeugten Schallsignals, bei dem - das Schallsignal erfasst wird, - zu wenigstens zwei Zeitpunkten ein die Amplitudenverteilung in einem Frequenzbereich repräsentierendes Amplitudenspektrum des Schallsignals erzeugt wird und - durch Auswertung der wenigstens zwei Amplitudenspektren das Vorliegen eines Quietschgeräusches erkannt wird.
Description
ROBERT BOSCH GMBH, 70442 Stuttgart
Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung von Quietschgeräuschen
Stand der Technik
Beim Betrieb eines Kraftfahrzeugs oder von dessen Komponenten entstehende Geräusche erweisen sich häufig für den Fahrer und die Umwelt als lästig und sollten soweit wie möglich detektiert werden, um dann Geräuschminderungsmaßnahmen zu ermöglichen.
Aus der DE 102 60 723 Al ist ein Verfahren zur Unterdrückung von Schaltgeräuschen bei der Testansteuerung von Ventilen und Pumpen im Hydrauliksystem eines Bremskreises bekannt. Die Ansteuerung erfolgt dabei über ein so kurzes Zeitintervall, dass keine mechanische und geräuschverursachende Reaktion des angesteuerten Bauteils erfolgt.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Quietschgeräuschen innerhalb eines beim Betrieb eines Kraftfahrzeugs oder beim Betrieb einer dessen Komponenten erzeugten Schallsignals, bei dem das Schallsignal erfasst wird zu wenigstens zwei Zeitpunkten ein die Amplitudenverteilung in einem
Frequenzbereich repräsentierendes Amplitudenspektrum des Schallsignals erzeugt wird und durch Auswertung der wenigstens zwei Amplitudenspektren das Vorliegen eines
Quietschgeräusches erkannt wird.
Dadurch ist es möglich, auf einfache und zuverlässige Art und Weise Quietschgeräusche in einem Schallsignal zu erkennen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Quietschgeräuschen um Bremsenquietschgeräusche handelt. Bremsquietschgeräusche sind für den Fahrer eines Kraftfahrzeugs sowie die Umgebung besonders störend.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass jedes der beiden Amplitudenspektren durch eine Frequenzanalyse eines zeitlichen Signalverlaufs ermittelt wird, wobei sich der zeitliche Signalverlauf über einen jeweils anderen zeitlichen Signalabschnitt erstreckt.
Dadurch stehen zeitlich versetzte Signalanalysen zur Verfügung und es wird auch die Ermittlung der zeitlichen Länge eine Quietschgeräusches ermöglicht.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass - der zeitliche Signalverlauf abgetastet wird, und der zeitliche Signalabschnitt sich jeweils über eine vorgegebene Anzahl von Abtastpunkten erstreckt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass - der zeitliche Signalverlauf mit einer Signalabtastfrequenz von 48 kHz abgetastet wird und jeder Signalabschnitt 4096 Abtastpunkte umfasst. Diese Zahlenwerte haben sich in Versuchen als besonders geeignet erwiesen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die Signalabschnitte überlappen, insbesondere beträgt die Überlappung 50% der zeitlichen
Länge des Signalabschnitts.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass aus jedem der wenigstens zwei Amplitudenspektren ein geglättetes Amplitudenspektrum gebildet wird und durch Auswertung der wenigstens zwei Amplitudenspektren sowie der wenigstens zwei geglätteten Amplitudenspektren das Vorliegen eines Quietschgeräusches erkannt wird.
Dadurch ist es möglich, Informationen über das im Schallsignal enthaltene Rauschen zu gewinnen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Glättung durch arithmetische Mittelung der aus dem Amplitudenspektrum ermittelten Schalldruckpegel über vorgegebene Frequenzabschnitte erfolgt, wobei die Frequenzabschnitte insbesondere eine Länge von 1 Terz haben.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass durch Auswertung von Signalspitzen in den Amplitudenspektren das Vorliegen eines Quietschgeräusches erkannt wird. Hier wird die Eigenschaft ausgenutzt, dass sich Quietschgeräusche in Signalspitzen äußern.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung des Vorliegens eines Quietschgeräusches für eine vorgegebene Mindestanzahl von Auswertungen zeitlich aufeinanderfolgender Amplitudenspektren jeweils Signalspitzen innerhalb desselben Frequenzintervalls detektiert werden. Damit wird ausgeschlossen, dass zufällig auftretende einzelne Signalspitzen fälschlicherweise als Quietschgeräusch detektiert werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Quietschgeräusch als nicht mehr vorliegend detektiert wird, wenn für eine weitere vorgegebene Mindestanzahl von Auswertungen zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgender Amplitudenspektren in demselben Frequenzintervall jeweils keine Signalspitze mehr detektiert wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte zu untersuchende Frequenzbereich in sich überlappende Frequenzintervalle aufgeteilt wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Signalspitze in einem Frequenzintervall dann als vorliegend detektiert wird, wenn
- der ermittelte Wert der Signalspitze in diesem Frequenzintervall einen vorgebbaren Schwellenwert überschreitet und
- der ermittelte Wert der Signalspitze um wenigstens einen vorgebbaren Wert größer ist als der Wert des entsprechenden Signals an den Rändern des Frequenzintervalls.
- A -
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass aus jedem der wenigstens zwei Amplitudenspektren ein geglättetes
Amplitudenspektrum gebildet wird und dass eine Signalspitze in einem Frequenzintervall dann als vorliegend detektiert wird, wenn zusätzlich der ermittelte Wert der Signalspitze in diesem Frequenzintervall größer als der aus dem geglätteten Amplitudenspektrum ermittelte Wert des Signals bei derselben
Frequenz des Frequenzintervalls ist und der ermittelte Wert der Signalspitze um wenigstens einen vorgebbaren Wert größer ist als der aus dem geglätteten Amplitudenspektrum ermittelte Wert des Signals an den Rändern des Frequenzintervalls.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
- dass zur Erkennung des Vorliegens eines Quietschgeräusches eine die mittlere Abweichung der Frequenz der detektierten Signalspitzen von der Mittenfrequenz des
Frequenzintervalls charakterisierende Abweichungsgröße ermittelt wird
- und abhängig von dieser Abweichung auf das Vorliegen eines Quietschgeräusches geschlossen wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass auf das
Vorliegen eines Quietschgeräusches geschlossen wird, wenn die Abweichungsgröße einen vorgebbaren Schwellenwert in derartiger Richtung überschreitet, dass sich die zu der Abweichungsgröße zugehörige Abweichung vergrößert. Hier wird die Eigenschaft ausgenutzt, dass Störsignale eine geringere Standardabweichung um ihre Mittenfrequenz herum aufweisen als bremserzeugte Quietschereignisse.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass auf das Vorliegen eines Quietschgeräusches geschlossen wird, wenn die Abweichungsgröße einen vorgebbaren Schwellenwert in derartiger Richtung überschreitet, dass sich die zu der Abweichungsgröße zugehörige Abweichung verringert.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
- dass zusätzlich abhängig von der Höhe der Signalspitzen den Quietschgeräuschen deren Lautstärke beschreibende Intensitätsgrößen zugeordnet werden und
- abhängig von den Intensitätsgrößen sowie den Frequenzen der Signalspitzen die Hauptquietschfrequenz bestimmt wird.
Dadurch ist es möglich, bei mehreren vorliegenden Quietschfrequenzen die wesentlichsten davon zu bestimmen.
Weiter umfasst die Erfindung eine Vorrichtung, enthaltend Mittel zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren.
Die vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens äußern sich auch als vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und umgekehrt.
Zeichnung
Die Zeichnung besteht aus den Figuren 1 bis 4.
Figur 1 zeigt ein Beispielspektrum Xi und ein zugehöriges geglättetes Spektrum Si. Die bei ungefähr f = 2.3 kHz zu sehende Spitze rührt von einem Quietschgeräusch her.
Figur 2 zeigt das Prinzip der Suche nach Quietschereignissen in einem Frequenz-Zeit- Bereich. Signalspitzen sind als schwarze Quadrate markiert.
Fig.3 zeigt die Erkennung von Signalspitzen mittels eines Spektrums Xi, eines geglätteten Spektrums Si und eines Schwellenwerts Th.
Fig. 4 zeigt den grundlegenden Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsbeispiele
Für ein mit der Frequenz fs abgetastetes Luftschallsignal x(n) wird dessen Spektrogramm
X(f,n) berechnet. Das Spektrogramm ist eine Darstellung des Frequenzinhaltes des Signals x(n) in Abhängigkeit von der Zeit. Ein Spektrogramm besteht aus einzelnen Frequenzspektren Xi(f), die jeweils für Signalabschnitte xi = x(m+i), m = 0,...N-I berechnet werden und den Frequenzinhalt dieses zeitlichen Signalabschnittes
repräsentieren. Durch die Wahl von i können sich Signalabschnitte überlappen. Um die Darstellung im Frequenzbereich für praktische Anwendungen zu verbessern, wird jeder Signalabschnitt xi mit einer Fensterfunktion multipliziert. Es ist zweckmäßig, die Amplitudenwerte im Spektrogramm als Schalldruckpegel in dB darzustellen. Als besonders geeignet für die Erkennung von Bremsenquietschen haben sich die folgenden Parameterwerte erwiesen:
Signalabtastfrequenz fs = 48 kHz,
Länge eines Signalabschnitts: N = 4096 Abtastpunkte,
Die Signalabschnitte überlagern sich jeweils um 50%, d.h. um 2048 Abtastpunkte, - Jeder Signalabschnitt wird mit einem Hanning-Fenster der Länge N multipliziert.
Aus dem Messsignal x(n) wird nach obigem Verfahren weiterhin ein geglättetes Spektrogramm S(f,n) berechnet. Hierbei werden analog zu obigem Verfahren einzeln Spektren Xi(f) aus den Signalabschnitten xi berechnet und dadurch geglättet, dass die Amplitudenwerte innerhalb bestimmter Frequenzbänder durch Ihren Mittelwert ersetzt werden. Durch diese Mittelung werden Signalspitzen bei einzelnen Frequenzen, wie sie beispielsweise bei Quietschgeräuschen auftreten, unterdrückt und man erhält eine Repräsentation für das im Signal enthaltene Rauschen. Diese geglätteten Amplitudenspektren werden mit Si(f) bezeichnet. Für den praktischen Anwendungsfall der Erkennung von Bremsenquietschen wird die
Glättung der Spektren Xi(f) durch arithmetische Mittelung der Schalldruckpegel im Frequenzabschnitten von 1 Terz gebildet. Die weiteren Parameter zur Berechnung des geglätteten Spektrums entsprechen den oben angegebenen Werten.
In Fig. 1 ist ein Beispielspektrum Xi(f) (gezackte Linie) und ein zugehöriges geglättetes
Spektrum Si(f) (glatte, stetige Linie) eingetragen. Die Spitze von Xi bei f ~2.3kHz ist auf ein Quietschgeräusch zurückzuführen. In Fig. 1 ist dazu in Abszissenrichtung die Frequenz f und in Ordinatenrichtung das ungeglättete Spektrum Xi und das geglättete Spektrum Si aufgetragen.
Zur Erkennung breitbandiger Störsignale wie z.B. Sprache wird vor der Suche nach Quietschgeräuschen das Signal mit dem nachfolgend beschriebenen Signalspitzendetektionsverfahren nach Signalspitzen durchsucht. Auch breitbandige Geräusche sind dadurch gekennzeichnet, dass in einem Frequenz-Zeit-Bereich durch dieses Signalspitzendetektionsverfahren Signalspitzen detektiert werden.
Die Ausdehnung dieses Frequenz-Zeit-Bereichs wird entsprechend den praktischen Anforderungen eingestellt. Ebenso wird definiert, wie viele Signalspitzen durch dieses Signalspitzendetektionsverfahren pro Frequenz-Zeit-Bereich erkannt werden müssen, damit ein breitbandiges Störsignal und somit kein Quietschen als vorliegend detektiert wird.
Zur Erkennung von Quietschgeräuschen wird das Spektrogramm X(f,n) in allen
Frequenz-Zeit-Bereichen, die nicht bereits durch die Suche nach Störgeräuschen ausgeschlossen wurden, mit Hilfe des später beschriebenen Signalspitzendetektionsverfahrens nach Signalspitzen untersucht. Für die
Bremsengeräusche haben sich die folgenden Werte als geeignet erwiesen:
C = 14 dB, w = 0.0276, fGl = 800 Hz und fGu = fs/3 bzw. 2OkHz falls fs(3) > 20 kHz ist (d.h. fGu = min(fs/3, 2OkHz)).
Insbesondere für C und w sind auch Abweichungen von den genannten Werten möglich, bzgl. C hat sich der Wertebereich von 7 dB bis 17 dB als geeignet herausgestellt, für w eignet sich der Wertebereich von 0.025 bis 0.175.
Nach Abschluss dieser Suche liegen die Informationen über gefundene Signalspitzen zu jedem Zeitpunkt n für jede Frequenz fc im betrachteten Bereich vor. Im folgenden werden nun zusammenhängende Frequenz-Zeit-Bereiche gesucht, welche Quietschgeräusche darstellen. Dazu werden für jede Frequenz fc, für die eine Signalspitze gefunden wurde, alle Zeitpunkte n betrachtet und festgestellt, ob zu aufeinanderfolgenden
Zeitpunkten j und j+1 eine Signalspitze durch das Signalspitzendetektionsverfahren detektiert wurde. Dazu muss eine Mindestanzahl k unmittelbar zeitlich aufeinanderfolgender Signalspitzen in einem Frequenzbereich um fc existieren, um als Quietschgeräusch erkannt zu werden. Wenn mindestens k zeitlich zusammenhängende Signalspitzen existieren, werden bei der weiteren Suche um die Frequenz fc herum entlang der Zeitpunkte n auch zeitliche Lücken der maximalen Dauer 1 zwischen den Signalspitzen zugelassen und der Dauer des gefundenen Quietschgeräusches zugerechnet. Dieses Vorgehen begründet sich durch die Tatsache, dass zur Wahrnehmung eines Geräusches durch den Menschen dieses - zum einen für eine Mindestdauer vorliegen muss und
zum anderen durch zeitliche Maskierungseffekte, die kürzer sind als eine bestimmte Dauer, in seiner Wahrnehmung durch den Menschen kaum beeinflusst wird. Überschreitet die zeitliche Lücke zwischen zwei Signalspitzen die Dauer 1, so wird diese Dauer nicht mehr der Gesamtlänge eines Quietschgeräusches zugerechnet. Überschreitet die zeitliche Lücke zwischen Signalspitzen bzw. zeitlich zusammenhängenden Folgen von Signalspitzen eine Dauer gmax, so werden die gefundenen Folgen von Signalspitzen nicht mehr als ein, sondern als zwei Quietschereignisse behandelt. Die Start- und Endzeitpunkte jedes gefundenen Quietschereignisses q werden als tqstart bzw. tqend gespeichert.
In Fig. 2 ist das Prinzip der Suche nach Quietschereignissen in einem Frequenz-Zeit- Bereich dargestellt. Die mit dem Signalspitzendetektionsverfahren aufgefundenen Signalspitzen sind als schwarze Quadrate markiert. Dazu ist in Fig. 2 in Abszissenrichtung die Zeit t und in Ordinatenrichtung die Frequenz f aufgetragen. Im Beispiel von Fig. 2 werden zwei Quietschereignisse, welche mit „Quietschen 1" und
„Quietschen 2" bezeichnet sind, detektiert. Jedes der beiden Quietschereignisse umfasst 7 detektierte Signalspitzen, bei „Quietschen 1" liegt zwischen dem dritten und vierten Quietschereignis eine zeitliche Lücke vor, welche jedoch nicht größer als die maximal erlaubte zeitliche Dauer 1 ist. Zwischen den beiden Quietschereignissen liegt eine zeitliche Lücke, deren Dauer den Wert gmax überschreitet. Deshalb liegen zwei separate
Quietschereignisse vor. In Ordinatenrichtung ist rechts ein Frequenzfenster der Breite Fc dargestellt. Dieses Frequenzfenster wurde bzgl. der Quietschereignisses durchsucht. Die Suche nach Quietschereignissen in Frequenzfenstern um Mittenfrequenzen fc liefert noch nicht die wirkliche Mittenfrequenz fq des q-ten Quietschereignisses, fq liegt jedoch im Frequenzfenster Fc um die Mittenfrequenz fc. Dies ist dadurch begründet, dass sich alle real vorkommenden bremserregten Quietschgeräusche über mehrere nahe beieinanderliegende Frequenzen erstrecken, von denen eine über die Dauer des Quietschereignisses den höchsten Pegel aufweist.
Diese Frequenz wird als wirkliche Frequenz fq des Quietschereignisses definiert. Um fq zu ermitteln, werden zunächst alle Spektren Xi, die innerhalb der Zeitpunkte tqstart und tqend liegen, zu einem neuen gemittelten Spektrum Xqavg zusammengefasst, indem jeweils alle Amplitudenwerte einer Frequenz f durch ihr arithmetisches Mittel ersetzt werden. Die Quietschfrequenz fq ist diejenige Frequenz innerhalb des Fensters Fc, für
welche Xqavg den maximalen Pegel aufweist. Dieser Pegel Lq wird gespeichert als repräsentativer Wert für das Quietschereignis q.
Im folgenden wird das Signalspitzendetektionsverfahren beschrieben. Dabei werden durch Auswerten der Spektren Xi und Si sowie einem definierten , frequenzabhängigen Schwellenwert Th(f) Signalspitzen gefunden. Als Einheit für die Spektren Xi und Si sowie den Schwellenwert Th kann der Schalldruckpegel in dB verwendet werden. Die Suche nach Spitzenwerten kann sich auf Frequenzen zwischen einer unteren Grenzfrequenz fGl und einer oberen Grenzfrequenz fGu beschränken. Jedes Spektrum Xi wird in Frequenzfenster Fc um Mittenfrequenzen fc unterteilt. Jedes
Frequenzfenster Fc erstreckt sich dabei von seiner unteren Fensterfrequenz fcl = fc * (1-w) bis zu seiner oberen Fensterfrequenz fcu = fc * (1+w) mit w als wählbarem Faktor. Der Wert w = 0.0276 hat sich in Versuchen als besonders geeignet erwiesen.
Aufeinanderfolgende Fenster Fc und Fc+ 1 können sich je nach Wahl der Mittenfrequenzen überlappen. Für jedes Fc in Xi wird nun für alle Frequenzen f mit fcl < f < fcu innerhalb Fc der Maximalwert des Spektrums Xi gesucht. Der aufgefundene Maximalwert wird mit Lmax bezeichnet. Eine Signalspitze in Xi bei Frequenz f = fc wird als gefunden markiert, wenn sämtliche der folgenden 6 Bedingungen erfüllt sind:
1) Lmax > Th(fc)
2) Lmax > Xi(fcl) + C
3) Lmax > Xi(fcu) + C 4) Lmax > Si(fc)
5) Lmax > Si(fcl) + C
6) LmaO Si(fcu) + C
Dabei ist Th(f) ein frequenzabhängiger Schwellenwert und damit ist Th(fc) der Schwellenwert bei f = fc. C ist eine Konstante. Der Wert C = 14 dB hat sich in Versuchen als besonders geeignet erwiesen.
Durch diese 6 Bedingungen wird sichergestellt, dass Lmax hinreichend groß ist (Bedingung I)).
Lmax ist um wenigstens den Wert C höher als der Wert des ungeglätteten Spektrums an den Grenzen fcl und fcu des betrachteten Bereiches (Bedingungen 2) und 3)). Das bedeutet anschaulich, dass das Maximum hinreichend stark lokalisiert und ausgeprägt
sein muss. Damit wird ausgeschlossen, dass sehr laute Geräusche, deren Spektrum für alle Frequenzen einen sehr großen Wert aufweist, fälschlicherweise als
Quietschen erfasst werden.
Lmax ist größer als der Wert des geglätteten Spektrums Si bei f = fc (Bedingung 4)). - Lmax ist um wenigstens den Wert C höher als der Wert des geglätteten Spektrums an den Grenzen fcl und fcu des betrachteten Bereiches (Bedingungen 5) und 6)). Mit dem beschriebenen Verfahren können selbstverständlich auch mehrere parallele Signalspitzen zu jedem Zeitpunkt detektiert werden, wenn mehrere der untersuchten Frequenzfenster des Spektrums Xi eine Signalspitze aufweisen.
In der Praxis kommen Quietschgeräusche meistens mit einer Grundfrequenz fθ und zwei bis drei Harmonischen bei Frequenzen f = fθ*n mit n = 2, 3, 4 vor. In praktischen Anwendungsfällen sind die Fenster so schmal, dass immer nur ein Quietschen in ein Fenster fallen kann. Beispielsweise beträgt bei einer Frequenz von 800 Hz die Fenstergröße ungefähr 90 Hz. Die erste Harmonische eines in das Fenster fallenden
Quietschgeräusches liegt bei 1600 Hz und damit weit außerhalb des Fensters.
In Fig. 3 sind in Ordinatenrichtung die Größen
Xi(f), das ist das ungeglättete Amplitudenspektrum des Signalausschnitts xi, - Si(f), das ist das geglättete Amplitudenspektrum des Signalausschnitts xi, und der hier als frequenzunabhängig angenommene Schwellenwert Th über der in Abszissenrichtung dargestellten Frequenz f aufgetragen. Weiter sind an der Abszissenachse die Randpunkte fcl und fcu des Frequenzfensters dargestellt. Zur Erläuterung sind in Fig. 3 unter der Abszissenachse beispielhaft 4 weitere mit a, b, c und d gekennzeichnete Frequenzfenster eingezeichnet. Dadurch wird deutlich, dass die Frequenzachse in mehrere Frequenzfenster aufgeteilt werden kann, wobei sich die Frequenzfenster insbesondere überlappen. Durch das beschriebene Signalspitzendetektionsverfahren werden lediglich Signalspitzen detektiert, welche ungefähr in der Mitte eine Frequenzfensters liegen. Liegt eine Signalspitze am Rand eines Frequenzfenster, dann wird diese wegen dem Nichterfülltsein der Bedingungen 2) und 3) nicht erkannt. Durch ein Überlappen der Frequenzfenster, beispielsweise um 50%, fällt eine solche Signalspitze jedoch ungefähr in die Mitte des benachbarten Frequenzfensters und wird dann bei der Anwendung des Signalspitzendetektionsverfahren auf dieses benachbarte Frequenzfenster erkannt.
Unter realen Messbedingungen im Kraftfahrzeug kann es zu Störungen kommen, welche den Quietschgeräuschen in Ihrer Frequenz-Zeit-Struktur sehr ähnlich sind. Diese Störungen bzw. Störfrequenzkomponenten können z.B. von Signaltönen von Messgeräten bei sinkender Akkukapazität oder schmalbandigen Einkopplungen aus elektronischen Systemen herrühren. Diese Störungen müssen von bremserregten Quietschereignissen unterschieden werden. Diese Unterscheidung erfolgt durch Auswertung der Verteilung der Amplitudenwerte um die Mittenfrequenz fq eines Quietschereignisses q innerhalb der Zeitpunkte tqstart und tqend. Es wurde festgestellt, dass oben erwähnte Störsignale eine geringere Standardabweichung ihrer Amplitudenwerte um eine Mittenfrequenz fq herum aufweisen als von Bremsen erzeugte Quietschereignisse. Somit kann durch Auswertung der Amplitudenverteilungen um eine Quietschfrequenz fq über die Gesamtdauer des sich von tqstart bis tqend zeitlich erstreckenden Ereignisses ermittelt werden, ob dieses als bremserregt oder nicht bremserregt beurteilt werden kann.
In der Praxis kommt es häufig zur gleichzeitigen Anregung mehrerer Quietschfrequenzen während eines Bremsvorgangs. Um eine dieser Frequenzen als Hauptfrequenz auszuwählen, kann ein Ansatz verwendet werden, welcher sich an der Schallwahrnehmung des Menschen orientiert. Dazu werden für alle Quietschfrequenzen die zugehörigen spezifischen Lautheiten bzw. Lautstärken berechnet und verglichen. Die Frequenz des Quietschereignisses, welches die höchste spezifische Lautheit aufweist, wird als Hauptfrequenz ausgewählt. Durch die in Hörversuchen nachgewiesene starke Korrelation der Lautheit zur subjektiv empfundenen Lästigkeit eines Geräusches wird so das für den Hörer lästigste Quietschereignis in einem Signal als repräsentativ für das Gesamtsignal ausgewertet.
Um über alle Bremsvorgänge, z.B. alle Messungen eines Tages hinweg, die Hauptquietschfrequenzen zu bestimmen, kann wie folgt vorgegangen werden. Die spezifischen Lautheiten aller Quietschereignisse werden innerhalb eines Frequenzfensters Fmain aufsummiert. Fmain gleitet über alle Frequenzen zwischen FGl und FGu. Hierdurch ergibt sich eine Darstellung der summierten spezifischen Lautheiten aller aufgetretenen Quietschereignisse in Abhängigkeit von der Frequenz. Über diese summierten Lautheiten werden nun in einem gleitenden Fenster Fmov, welches eine größere Bandbreite als Fmain aufweist, Spitzenwerte gesucht. Beginnend mit den höchsten gefundenen Spitzenwerten ergeben sich aus den zugehörigen Frequenzen einzelne Hauptfrequenzen. Durch dieses Vorgehen wird sowohl der Einfluss der
spezifischen Lautheit auf die Lästigkeit eines Quietschereignisses berücksichtigt als auch die Häufigkeit des Auftretens einzelner Quietschfrequenzen. Für den Praxiseinsatz hat sich die Bestimmung von vier Hauptfrequenzen als sinnvoll erwiesen. Für Fmain bzw. Fmov eignen sich Fenster mit einer relativen Bandbreite von 1/16 Oktave (für Fmain) bzw. 1 Terz (für Fmov).
Der grundlegende Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 4 dargestellt. Nach dem Start des Verfahrens in Block 400 wird in Block 401 das Schallsignal erfasst und in Block 402 dessen Amplitudenspektrum ermittelt. Nach Block 402 erfolgt eine Rückkopplung zu Block 401, d.h. das Schallsignal wird zu einem späteren Zeitpunkt erneut erfasst. In Block 403 durch Auswertung der wenigstens zwei Amplitudenspektren das Vorliegen eines Quietschgeräusches erkannt. Das Verfahren endet in Block 404.
Claims
1. Verfahren zur Erkennung von Quietschgeräuschen innerhalb eines beim Betrieb eines Kraftfahrzeugs oder beim Betrieb eines dessen Komponenten erzeugten
Schallsignals, bei dem das Schallsignal erfasst wird (401), zu wenigstens zwei Zeitpunkten ein die Amplitudenverteilung in einem Frequenzbereich repräsentierendes Amplitudenspektrum (Xi) des Schallsignals erzeugt wird (402) und durch Auswertung der wenigstens zwei Amplitudenspektren (Xi) das Vorliegen eines Quietschgeräusches erkannt wird (403).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Quietschgeräuschen um Bremsenquietschgeräusche handelt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der beiden Amplitudenspektren (Xi) durch eine Frequenzanalyse eines zeitlichen Signalverlaufs (x(n)) ermittelt wird, - wobei sich der zeitliche Signalverlauf (x(n)) über einen jeweils anderen zeitlichen
Signalabschnitt (xi) erstreckt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Signalverlauf (x(n)) abgetastet wird, und - der zeitliche Signalabschnitt (xi) sich jeweils über eine vorgegebene Anzahl von
Abtastpunkten (N) erstreckt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Signalverlauf mit einer Signalabtastfrequenz (fs) von 48 kHz abgetastet wird und jeder Signalabschnitt 4096 Abtastpunkte (N) umfasst.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Signalabschnitte (xi) überlappen, insbesondere beträgt die Überlappung 50% der zeitlichen Länge des Signalabschnitts.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus jedem der wenigstens zwei Amplitudenspektren ein (Xi) geglättetes Amplitudenspektrum (Si) gebildet wird und durch Auswertung der wenigstens zwei Amplitudenspektren (Xi) sowie der wenigstens zwei geglätteten Amplitudenspektren (Si) das Vorliegen eines
Quietschgeräusches erkannt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Glättung durch arithmetische Mittelung der aus dem Amplitudenspektrum (Xi) ermittelten Schalldruckpegel über vorgegebene Frequenzabschnitte erfolgt, wobei die
Frequenzabschnitte insbesondere eine Länge von 1 Terz haben.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Auswertung von Signalspitzen in den Amplitudenspektren das Vorliegen eines Quietschgeräusches erkannt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung des Vorliegens eines Quietschgeräusches für eine vorgegebene Mindestanzahl von Auswertungen zeitlicher aufeinanderfolgender Amplitudenspektren jeweils Signalspitzen innerhalb desselben Frequenzintervalls (fcl, fcu) detektiert werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Quietschgeräusch als nicht mehr vorliegend detektiert wird, wenn für eine weitere vorgegebene Mindestanzahl von Auswertungen zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgender Amplitudenspektren (Xi) in demselben Frequenzintervall (fcl, fcu) jeweils keine Signalspitze mehr detektiert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte zu untersuchende Frequenzbereich (fGl, FGu) in sich überlappende Frequenzintervalle (fcl, fcu) aufgeteilt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Signalspitze in einem Frequenzintervall (fcl, fcu) dann als vorliegend detektiert wird, wenn
- der ermittelte Wert der Signalspitze in diesem Frequenzintervall einen vorgebbaren Schwellenwert (Th) überschreitet und - der ermittelte Wert der Signalspitze um wenigstens einen vorgebbaren Wert (C) größer ist als der Wert des entsprechenden Signals an den Rändern des Frequenzintervalls (fcl, fcu), wobei der vorgebbare Wert insbesondere 14 dB beträgt oder aus dem Intervall zwischen 7 dB und 17 dB gewählt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass aus jedem der wenigstens zwei Amplitudenspektren (Xi) ein geglättetes Amplitudenspektrum (Si) gebildet wird und dass eine Signalspitze in einem Frequenzintervall (fcl, fcu) dann als vorliegend detektiert wird, wenn zusätzlich - der ermittelte Wert der Signalspitze in diesem Frequenzintervall (fcl, fcu) größer als der aus dem geglätteten Amplitudenspektrum (Si) ermittelte Wert des Signals bei derselben Frequenz des Frequenzintervalls (fcl, fcu) ist und der ermittelte Wert der Signalspitze um wenigstens einen vorgebbaren Wert (C) größer ist als der aus dem geglätteten Amplitudenspektrum (Si) ermittelten Wert des Signals an den Rändern des Frequenzintervalls (fcl, fcu).
15. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
- dass zur Erkennung des Vorliegens eines Quietschgeräusches eine die mittlere Abweichung der Frequenz der detektierten Signalspitzen von der Mittenfrequenz des Frequenzintervalls charakterisierende Abweichungsgröße ermittelt wird
- und abhängig von dieser Abweichungsgröße auf das Vorliegen eines Quietschgeräusches geschlossen wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Vorliegen eines Quietschgeräusches geschlossen wird, wenn die Abweichungsgröße einen vorgebbaren
Schwellenwert in derartiger Richtung überschreitet, dass sich die zu der Abweichungsgröße zugehörige Abweichung vergrößert.
17. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, - dass zusätzlich abhängig von der Höhe der Signalspitzen den Quietschgeräuschen deren Lautstärke beschreibende Intensitätsgrößen zugeordnet werden und
- abhängig von den Intensitätsgrößen sowie den Frequenzen der Signalspitzen die Hauptquietschfrequenz bestimmt wird.
18. Vorrichtung, enthaltend Mittel zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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