Sound-Engineering im Automobilbereich - Methoden zur Messung und Auswertung von Geräuschen und Schwingungen
von: Klaus Genuit
Springer-Verlag, 2010
ISBN: 9783642014154
Sprache: Deutsch
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Sound-Engineering im Automobilbereich - Methoden zur Messung und Auswertung von Geräuschen und Schwingungen
Inhalt | 8 | ||
Autoreninformation | 10 | ||
Grundlagen der Fahrzeugakustik | 19 | ||
1.1 Akustische Grundbegriffe | 19 | ||
1.1.1 Schallfeldgleichungen und Wellengleichung | 19 | ||
1.1.2 Elementare Wellenformen | 21 | ||
1.1.3 Energie und Pegel | 23 | ||
1.1.4 Flächige Strahler und Multipolstrahler | 26 | ||
1.1.5 Reflexion, Streuung, Beugung | 29 | ||
1.2 Schallfelder in geschlossenen Räumen | 30 | ||
1.2.1 Eigenfrequenzen | 31 | ||
1.2.2 Diffuse Schallfelder | 33 | ||
1.3 Körperschall | 36 | ||
1.3.1 Spannungen und Dehnungen, Wellengleichung | 36 | ||
1.3.2 Longitudinal- und Transversalwellen in unbegrenzten Festkörpern | 37 | ||
1.3.3 Anregung von Körperschall | 38 | ||
1.3.4 Wellen auf Platten und Stäben | 39 | ||
1.4 Akustische Wandler | 43 | ||
1.4.1 Mikrofone | 43 | ||
1.4.2 Kunstköpfe | 44 | ||
1.4.3 Schnellemessung | 44 | ||
1.4.4 Schwingungssensoren | 45 | ||
1.5 Klassische Schallpegelmessung | 45 | ||
1.5.1 Schallpegel-Messung und -Bewertung | 45 | ||
1.5.2 Zeitkonstanten | 46 | ||
1.5.3 Frequenzbewertung | 46 | ||
1.5.4 Bandpassfilter | 47 | ||
1.6 Digitale Signalverarbeitung | 48 | ||
1.6.1 Impulsantwort und Übertragungsfunktion | 48 | ||
1.6.2 Fouriertransformation | 49 | ||
1.6.3 Digitalisierung von Messsignalen | 50 | ||
1.6.4 Diskrete Fouriertransformation DFT | 52 | ||
1.6.5 Fast Fourier Transformation FFT | 53 | ||
Literatur | 55 | ||
Das menschliche Gehör und Grundlagen der Psychoakustik | 56 | ||
2.1 Das menschliche Gehör | 56 | ||
2.1.1 Dynamik- und Frequenzbereich des menschlichen Gehörs | 57 | ||
2.1.2 Das Auflösungsvermögen des Gehörs im Zeit- und Frequenzbereich | 60 | ||
2.1.3 Grundlagen zur Filtercharakteristik des Außenohrs | 60 | ||
2.1.4 Das Richtungshören | 62 | ||
2.1.4.1 Frontalebene und Horizontalebene | 62 | ||
2.1.4.2 Medianebene | 63 | ||
2.1.5 Spezielle Wahrnehmungsphänomene | 64 | ||
2.1.5.1 „Cocktailpartyeffekt“ | 64 | ||
2.1.5.2 Binaurale Störgeräuschunterdrückung | 65 | ||
2.1.5.3 „Im-Kopf-Lokalisation“ | 66 | ||
2.1.5.4 „Haaseffekt“ (Precedence Effect) | 66 | ||
2.1.5.5 Summenlokalisation (Phantomschallquelle) | 66 | ||
2.2 Gehörgerechte Schallmesstechnik – Aufnahme und Wiedergabe | 67 | ||
2.2.1 Prinzip der kopfbezogenen Stereofonie | 67 | ||
2.3 Einführung in die Psychoakustik | 70 | ||
2.3.1 Lautheit | 71 | ||
2.3.1.1 Einfluss der Frequenz auf die Lautheit | 72 | ||
2.3.1.2 Einfluss der Dauer auf die Lautheit | 73 | ||
2.3.1.3 Einfluss der spektralen Bandbreite auf die Lautheit | 73 | ||
2.3.1.4 Temporale Verdeckung | 74 | ||
2.3.1.5 Spektrale (simultane) Verdeckung | 76 | ||
2.3.1.6 Zusammenfassung der Einflüsse auf die Lautheitswahrnehmung | 77 | ||
2.3.2 Schärfe | 78 | ||
2.3.3 Rauigkeit | 81 | ||
2.3.4 Schwankungsstärke | 86 | ||
2.3.5 Tonalität | 87 | ||
2.4 Die Anwendung der Psychoakustik in der Fahrzeugakustik – Einige Beispiele | 90 | ||
2.4.1 Getriebe | 90 | ||
2.4.2 Motorrauigkeit | 91 | ||
2.4.3 Türgeräusche | 95 | ||
2.4.4 Elektromotoren | 99 | ||
2.4.5 Abgasanlagengeräusche | 100 | ||
2.4.5.1 Geräuschdesign an einer Abgasanlage | 101 | ||
Literatur | 103 | ||
Akustikgestaltung in der Fahrzeugentwicklung | 106 | ||
3.1Fahrkomfort – Wahrnehmung mit allen Sinnen | 106 | ||
3.1.1Bedeutung der Akustik für den Fahrkomfort eines Fahrzeuges | 107 | ||
3.2Akustikentwicklungsprozess | 109 | ||
3.2.1NVH-Produktzielpositionierung auf Basis des Markenversprechens | 109 | ||
3.2.1.1 Kundenerlebbare Positionierungskriterien | 109 | ||
3.2.1.2 Objektive Kriterien | 110 | ||
3.2.1.3 Geräuschcharakter und Vorgabe von Zielgeräuschen | 111 | ||
3.2.2Gesetzliche Anforderungen Außengeräusch | 111 | ||
3.2.3Sicherstellung konzeptioneller Voraussetzungen | 112 | ||
3.2.3.1 Rohbaustruktur als Rückgrat der Schwingungs- und Akustikauslegung | 112 | ||
3.2.3.2 Abkoppelungsverhalten | 113 | ||
3.2.4Entwicklungssystematik | 116 | ||
3.2.4.1 Systematische Überprüfung aller bekannten NVH-Phänomene | 116 | ||
3.2.4.2 Pegelreduktion, Störgeräuschbeseitigung, Soundgestaltung | 117 | ||
3.2.5Exemplarische Maßnahmen zur Zielerreichung | 117 | ||
3.2.5.1 Strukturoptimierung Rohbau | 117 | ||
3.2.5.2 Laufkultur Powertrain | 118 | ||
3.2.5.3 Geräuschdämmung und -dämpfung | 119 | ||
3.2.5.4 Optimierung von Windgeräuschen | 119 | ||
3.2.5.5 Optimierung von Betätigungsgeräuschen | 121 | ||
3.2.6Methoden, Prüfstände und Werkzeuge der NVH-Entwicklung | 121 | ||
3.2.6.1 Berechnungsmethoden des digitalen Prototyps | 121 | ||
3.2.6.2 Prüfstände | 121 | ||
3.2.6.3 Werkzeuge | 122 | ||
3.3Neue Trends und zukünftige Herausforderungen | 123 | ||
Literatur | 125 | ||
Bewertung von Fahrzeuggeräuschen | 126 | ||
4.1Bewertungsgrößen | 126 | ||
4.1.1Störgeräusche | 128 | ||
4.1.2Die Bewertungsgröße „Geräuschqualität“ | 135 | ||
4.2Ökologische Validität und subjektive Evaluation von Geräuschen zur Bestimmung der Qualität von Fahrzeuggeräuschen | 138 | ||
4.2.1Einleitung | 138 | ||
4.2.2Hörversuche oder doch eher Experimente zu akustischen Wahrnehmungen? | 139 | ||
4.2.3Die Versuchsumgebung – Labor | 141 | ||
4.2.4Kontextumwelten – neue Räume | 142 | ||
4.2.5Paradigmenwechsel – neue Prüfkriterien | 147 | ||
4.3Hörversuche und Metrikentwicklung | 149 | ||
4.3.1Einleitung | 149 | ||
4.3.2Design eines Hörversuches | 150 | ||
4.3.2.1 Rangfolgentests | 150 | ||
4.3.2.2 Paarvergleich | 150 | ||
4.3.2.3 Ratingskalen | 151 | ||
4.3.2.4 Semantisches Differenzial | 153 | ||
4.3.3Hörversuchsrelevante Aspekte | 154 | ||
4.3.4Versuchsartefakte | 157 | ||
4.3.5Entwicklung einer Metrik | 158 | ||
4.3.5.1 Herstellung mathematischer Zusammenhänge | 160 | ||
4.3.6Metrikbeispiele | 168 | ||
4.3.7Limitationen bei der Verwendung von Metriken | 170 | ||
4.4Geräuschbilder gestalten: Verbindungen zwischen auditiven und visuellen Merkmalen beim Automobil | 170 | ||
4.4.1Einleitung | 170 | ||
4.4.2Synästhesie – Synästhetik | 172 | ||
4.4.3Verknüpfung auditiver und visueller Wahrnehmung | 172 | ||
4.4.4Exkurs: Schall und Schwingungen | 176 | ||
4.4.5Grundregeln der Verknüpfung | 176 | ||
4.4.6Wahrnehmungsobjekt und subjektive Qualitäten | 178 | ||
4.4.7Intermodale Analogie, konkrete Assoziation, Symbolik | 180 | ||
4.4.8Das „Farbe-Ton-Problem“ | 187 | ||
4.4.9Schlussfolgerung – Ausblick | 190 | ||
4.4.10Geräuschbeispiele auf CD | 193 | ||
Literatur | 193 | ||
Charakterisierung von Störgeräuschen | 199 | ||
5.1Einleitung | 199 | ||
5.2Was bedeutet „störend“ im Automotive-Lebensraum | 200 | ||
5.3Ursachen von Störgeräuschen wie Knarzen | 202 | ||
5.4Einflussgrößen der Störgeräuschentstehung | 204 | ||
5.5Physikalische Effekte wie Stick-slip-Effekt | 205 | ||
5.6Lokalisierung- und Messbarkeit von Störgeräuschen | 208 | ||
5.7Materialien- und Oberflächen-Eigenschaften etc. | 213 | ||
5.8Störgeräusch-Identifizierungssystem | 216 | ||
5.9Konzept-Entwicklung für „störgeräuschfreie“ Produkte | 218 | ||
Literatur | 220 | ||
Wesentliche Geräuschquellen im Fahrzeug und deren Charakterisierung | 221 | ||
6.1Elemente des Powertrain | 221 | ||
6.1.1Motor und Antriebsstrang | 221 | ||
6.1.1.1 Einleitung | 221 | ||
6.1.1.2 Motor und Antriebsstrang – Bauform | 222 | ||
6.1.1.3 Nockenwellenantrieb/-steuerung | 223 | ||
6.1.1.4 Ventiltriebgeräusche | 224 | ||
6.1.1.5 Ausgleichwellenantriebe | 226 | ||
6.1.1.6 Ölpumpen | 226 | ||
6.1.1.7 Turbolader | 227 | ||
6.1.1.8 Motorstruktur, passive Komponenten | 229 | ||
6.1.2Getriebe | 230 | ||
6.1.2.1 Einleitung | 230 | ||
6.1.2.2 Getriebetypen | 230 | ||
6.1.2.3 Getriebeapplikation im Antriebsstrang | 235 | ||
6.1.2.4 Getriebeakustik | 235 | ||
6.1.2.5 Die Getriebegeräuschphänomene | 238 | ||
6.1.3Ansaugung | 244 | ||
6.1.3.1 Aufbau des Ansaugsystems | 244 | ||
6.1.3.2 Akustisches Verhalten des Ansaugsystems | 245 | ||
6.1.3.3 Auslegung und Abstimmung | 246 | ||
6.1.3.4 Akustikmaßnahmen | 248 | ||
6.1.4Abgasanlage | 251 | ||
6.1.4.1 Grundsätzlicher Aufbau | 251 | ||
6.1.4.2 Charakterisierungsmethoden | 256 | ||
6.1.4.3 Wirkung der Einzelkomponenten auf das Abgasgeräusch | 257 | ||
6.1.4.4 Die Körperschallabstrahlung der Komponenten | 270 | ||
6.1.4.5 Berechnung der akustischen Eigenschaften von vollständigen Abgasanlagen | 273 | ||
6.1.4.6 Übertragung Schwingung/Luftschall Innenraum | 273 | ||
6.1.5Hybridakustik | 276 | ||
6.1.5.1 Einleitung | 276 | ||
6.1.5.2 Allgemeine Einführung in die Hybridtechnologie | 277 | ||
6.1.5.3 Hybridspezifische NVH-Themen | 279 | ||
6.2Reifen-Fahrbahngeräusche | 286 | ||
6.2.1Einleitung | 286 | ||
6.2.2Historie | 287 | ||
6.2.3Geräuschentstehung und -weiterleitung | 287 | ||
6.2.4Geräuschphänomene, Maßnahmen und Zielkonflikte | 292 | ||
6.3Umströmungsgeräusche | 295 | ||
6.3.1Bedeutung der Umströmungsgeräusche für das Innen- und Außengeräusch von Kraftfahrzeugen | 295 | ||
6.3.2Aeroakustische Geräuschentstehung | 299 | ||
6.3.3Aeroakustische Messtechnik | 301 | ||
6.3.3.1 Aeroakustische Windkanäle | 301 | ||
6.3.3.2 Messung von Innengeräuschen | 303 | ||
6.3.3.3 Messung von Außengeräuschen | 303 | ||
6.3.3.4 Messung von Körperschall | 307 | ||
6.3.3.5 Schallquellenortung mit Hilfe von Spezialinstrumenten | 307 | ||
6.3.4Hauptgeräuschquellen und Minderungsmöglichkeiten | 308 | ||
6.3.4.1 Leckagen | 308 | ||
6.3.4.2 Außenspiegel | 310 | ||
6.3.4.3 Scheibenwischer | 310 | ||
6.3.4.4 Antennen | 312 | ||
6.3.4.5 A-Säule | 312 | ||
6.3.4.6 Hohlraumresonanzen | 314 | ||
6.3.4.7 Schiebedach-Öffnungsgeräusche | 315 | ||
6.3.4.8 Radhäuser | 316 | ||
6.3.4.9 Unterboden | 316 | ||
6.3.4.10 Innengeräusch-Reduzierung durch Erhöhung der Verglasungsstärke | 318 | ||
6.3.4.11 Cabrios | 318 | ||
6.3.5Psychoakustische Gesichtspunkte | 320 | ||
6.4Nebenaggregate | 321 | ||
6.4.1Einleitung | 321 | ||
6.4.2Geräuscharten der Nebenaggregate | 322 | ||
6.4.3Analyse- und Messmethoden | 323 | ||
6.4.4Zukünftige Anforderungen und Trends | 327 | ||
Literatur | 327 | ||
Fahrzeug-Außengeräusch | 333 | ||
7.1Einführung | 333 | ||
7.2Die Analyse des Fahrzeug-Außengeräusches | 333 | ||
7.2.1Der Gesetzgeberaspekt – Gesetzliche Aspekte beim Fahrzeug-Außengeräusch | 333 | ||
7.2.2Der Umweltaspekt | 337 | ||
7.2.3Der Kundenaspekt – Sound Design am Fahrzeug-Außengeräusch | 339 | ||
7.2.3.1 Die binaurale Aufnahme des Fahrzeug-Außengeräusches | 340 | ||
7.2.3.2 Die akustische Analyse des Fahrzeug-Außengeräusches | 341 | ||
7.3Die Messung und Simulation von Vorbeifahrtsgeräuschen | 343 | ||
7.3.1Simulation von Vorbeifahrtsgeräuschen mittels Mikrofonarrays | 344 | ||
7.3.2Simulation von Vorbeifahrtsgeräuschen mittels Nahfeldmessungen | 346 | ||
7.4Die Bedeutung des Fahrzeug-Außengeräusches in der Zukunft | 349 | ||
Literatur | 352 | ||
Messung und Analyse | 354 | ||
8.1Prüfstände und Messräume | 354 | ||
8.1.1Einleitung | 354 | ||
8.1.2Akustik-Rollenprüfstände | 355 | ||
8.1.2.1 Konzeptionelle Unterschiede zu Standard-Rollenprüfständen: Rollengrube als Arbeitsraum | 355 | ||
8.1.2.2 Akustische und schwingungstechnische Anforderungen an den Rollenprüfstand | 358 | ||
8.1.2.3 Akustische und schwingungstechnische Anforderungen an den Messraum | 360 | ||
8.1.2.4 Anforderungen an die Fahrzeugkühlung/Fahrtwindsimulation | 363 | ||
8.1.2.5 Fahrzeugfesselung | 364 | ||
8.1.3Akustik-Motor- und Antriebsstrangprüfstände | 366 | ||
8.1.4Prüfstände zur Entwicklung von Luftschallmaßnahmen | 369 | ||
8.1.4.1 Einleitung | 369 | ||
8.1.4.2 Alpha-Kabine | 369 | ||
8.1.4.3 Hallraum | 371 | ||
8.1.4.4 Impedanzrohr | 372 | ||
8.1.4.5 Dämmungsprüfstand | 374 | ||
8.1.4.6 ISOKELL | 376 | ||
8.1.4.7 Apamat | 378 | ||
8.2Transfer-Pfad-Analysen | 379 | ||
8.2.1Einführung | 379 | ||
8.2.2Abkoppel-Methode | 379 | ||
8.2.3Methode der Steifigkeitsvariation | 380 | ||
8.2.4Multi-Kohärenz-Methode | 380 | ||
8.2.5Sender-Empfänger-Methoden | 381 | ||
8.2.5.1 Frequenzbereichs-Methoden | 381 | ||
8.2.5.2 Zeitbereichs-Methoden | 394 | ||
8.3Auralisation schwingender Flächen | 395 | ||
8.3.1Einleitung | 395 | ||
8.3.2Methodenvergleich | 396 | ||
8.3.3Das Sensorarray für die BPCA | 400 | ||
8.3.4Anwendungsbeispiel für die BPCA | 404 | ||
8.3.5Zusammenfassung | 407 | ||
8.4Laser Scanning Vibrometrie und Binaurale Transferpfad-Analyse | 407 | ||
8.4.1Einleitung | 407 | ||
8.4.2Untersuchungen an einem Demonstrationsmodell | 408 | ||
8.4.3Erweiterung der Transferpfadanalyse | 409 | ||
8.4.4Untersuchungen an einem Fahrzeug | 411 | ||
8.4.5Zusammenfassung | 413 | ||
8.5Schallquellenortung | 413 | ||
8.5.1Mikrofonarray Technologie | 413 | ||
8.5.1.1 Historisches | 413 | ||
8.5.1.2 Beamforming | 414 | ||
8.5.1.3 Beamforming Systeme und Array Geometrien | 419 | ||
8.5.1.4 Erweiterungen des Beamforming Algorithmus | 421 | ||
8.5.1.5 Beamforming in der Anwendung | 424 | ||
8.5.2Hohlspiegelmikrofone | 427 | ||
8.5.2.1 Funktionsweise und Aufbau von Hohlspiegelmikrofonen | 427 | ||
8.5.2.2 Historisches | 429 | ||
8.5.2.3 Eigenschaften | 431 | ||
8.5.2.4 Sonderbauformen | 435 | ||
8.5.2.5 Einsatzbeispiele | 436 | ||
Literatur | 437 | ||
Geräuschgestaltung | 441 | ||
9.1Soundengineering und Sound Design | 441 | ||
9.1.1Sound | 441 | ||
9.1.2Begriffe | 443 | ||
9.1.3Entwicklung von Sound – Konzepte | 445 | ||
9.1.4Entwicklung von Sound – Technik | 448 | ||
9.1.5Entwicklung von Sound – Außengeräusch | 454 | ||
9.1.6Vorgehensweise bei der Entwicklung von Sound | 455 | ||
9.1.7Akustische Qualität | 457 | ||
9.1.8Anforderungen an Komponenten | 458 | ||
9.1.9Die Simulation im Sound Design | 461 | ||
9.1.10Die Zukunft von Sound Design | 463 | ||
9.2Passive Maßnahmen | 465 | ||
9.2.1Körperschallmaßnahmen | 465 | ||
9.2.1.1 Körperschallmaßnahmen am Triebwerk | 466 | ||
9.2.1.2 Motorlagerung | 469 | ||
9.2.1.3 Strukturmaßnahmen an der Karosserie | 470 | ||
9.2.1.4 Fahrwerk | 472 | ||
9.2.2Luftschallmaßnahmen | 480 | ||
9.2.2.1 Quellennahe Bauteile | 481 | ||
9.2.2.2 Quellenferne Bauteile | 487 | ||
9.2.2.3 Fahrzeugübergreifende Bauteile | 490 | ||
9.2.2.4 Geräuschoptimierung der Innenauskleidung, passive Schallpaket-Entwicklung | 492 | ||
9.2.2.5 Entwicklungshierarchie | 497 | ||
9.2.2.6 Soundpackage-Entwicklung auf Materialebene | 499 | ||
9.2.2.7 Soundpackage-Entwicklung auf Bauteil-/Komponentenebene | 500 | ||
9.2.2.8 Soundpackage-Entwicklung auf Fahrzeugebene | 502 | ||
9.3Aktive Maßnahmen an der Ansauganlage und Abgasanlage | 505 | ||
9.3.1Aktive Maßnahmen an der Ansauganlage | 505 | ||
9.3.2Aktive Maßnahmen an der Abgasanlage | 506 | ||
9.3.3Aktive Beschallung im Innenraum | 510 | ||
9.3.4Aktiv erzeugtes Fahrzeugaußengeräusch | 513 | ||
Literatur | 513 | ||
Simulation und virtuelle Realität | 515 | ||
10.1Möglichkeiten der akustischen Berechnung | 516 | ||
10.1.1Einleitung | 516 | ||
10.1.2Berechnungsverfahren | 517 | ||
10.1.2.1 Finite-Elemente-Methode | 517 | ||
10.1.2.2 Boundary-Elemente-Methode | 519 | ||
10.1.2.3 Statistische-Energie-Analyse | 521 | ||
10.1.2.4 Spezielle Formulierungen | 523 | ||
10.1.3Beispiele aus der Praxis | 525 | ||
10.1.3.1 Fahrzeuginnenraumakustik | 526 | ||
10.1.3.2 Schalldruckverteilung im Innenraum infolge Türzuschlag | 531 | ||
10.1.3.3 Innengeräuschsimulation mit der SEA bei aeroakustischer Anregung | 542 | ||
10.1.3.4 Schallabstrahlung? | 544 | ||
10.1.4Zusammenfassung und Ausblick | 549 | ||
10.2Numerische Berechnung der Aeroakustik von Fahrzeugen | 550 | ||
10.2.1Einführung | 550 | ||
10.2.2Berechnung der Anregung und der Quellen | 552 | ||
10.2.3Berechnung des Schallfeldes im Fluid | 555 | ||
10.2.3.1 Aeroakustische Analogien | 555 | ||
10.2.3.2 Kirchhoff-Integral-Methode | 558 | ||
10.2.3.3 Linearisierte Euler-Gleichungen | 559 | ||
10.2.4Fluid-Struktur-Kopplung und -Interaktion | 560 | ||
10.2.5Beispiele aus der Praxis | 564 | ||
10.2.6Zusammenfassung und Ausblick | 570 | ||
10.3Fahrsimulatoren und virtuelle Realitäten | 572 | ||
10.3.1Bewertung der akustischen Qualität im Fahrzeuginnenraum | 572 | ||
10.3.2Einfluss von Vibrationen auf die Bewertung von Geräuschqualität im Fahrzeuginnenraum | 573 | ||
10.3.3Der Einsatz von Fahrsimulatoren zur Untersuchung von Fahrzeuggeräuschen | 581 | ||
10.3.3.1 Fahrsimulatorkonzepte | 581 | ||
10.3.4„Hörversuche“ im Fahrsimulator | 583 | ||
Literatur | 585 | ||
Sachverzeichnis | 591 |