Sound-Engineering im Automobilbereich

Methoden zur Messung und Auswertung von Geräuschen und Schwingungen

Autor	Klaus Genuit
Verlag	Springer-Verlag
Erscheinungsjahr	2010
Seitenanzahl	603 Seiten
ISBN	9783642014154
Format	PDF
Kopierschutz	DRM
Geräte	PC/MAC/eReader/Tablet
Preis	125,87 EUR

Mit steigenden Kundenansprüchen gewinnen die Fragen unerwünschter Geräusche im Kraftfahrzeug zunehmend an Bedeutung. Sie begleiten Ingenieure im Automobilbereich von der Konzept- bis zur Serienphase. Dabei ist das Thema stets im Kontext weiterer Entwicklungsfelder wie Antrieb oder Aerodynamik zu betrachten. Das Überblickswerk bietet die Möglichkeit, sich schnell in das Thema einzuarbeiten und schnell auf Grundlagen und Details zugreifen zu können. Dabei werden die Themen Fahrzeuginnengeräusche und Fahrzeugaußengeräusche gleichermaßen behandelt.

Professor Dr.-Ing. Klaus Genuit studierte Elektrotechnik und Wirtschaftswissenschaften an der RWTH in Aachen und promovierte 1984 zum Thema 'Ein Modell zur Beschreibung von Außenohrübertragungseigenschaften'. Am Institut für Elektrische Nachrichtentechnik leitete er die Arbeitsgruppe 'Psychoakustik'. Er ist Mitglied in diversen akustischen Gesellschaften, wie AES, ASA (Fellow), ASJ, SAE, DEGA und VDI. 1986 gründete er die HEAD acoustics GmbH, die weltweit neben dem Gebiet der Telekommunikations-Messtechnik hauptsächlich im Bereich NVH tätig ist. Professor Genuit hat einen Lehrauftrag zur Psychoakustik an der RWTH Aachen.

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Inhaltsverzeichnis

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

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