Sound-Engineering im Automobilbereich (eBook)

Methoden zur Messung und Auswertung von Geräuschen und Schwingungen

Klaus Genuit (Herausgeber)

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2010 | 2010
XX, 590 Seiten
Springer Berlin (Verlag)
978-3-642-01415-4 (ISBN)

Infos

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.

Inhalt

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

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 17.12.2010
• Zusatzinfo: XX, 590 S. 200 Abb. in Farbe.
• Verlagsort: Berlin
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Technik ► Bauwesen
• Themenwelt: Technik ► Fahrzeugbau / Schiffbau
• Themenwelt: Wirtschaft ► Betriebswirtschaft / Management ► Wirtschaftsinformatik
• Schlagworte: Automobil • Fahrkomfort • Fahrwerk • Fahrzeugakustik • Fahrzeugaußengeräusche • Fahrzeuginnengeräusche • Geräuschqualität • Handel • Industrie • Ingenieur • NVH • Optimierung • Praxis • Psychoakustik • Sound design • Sound Engineering • Transfer-Pfad-Analyse
• ISBN-10: 3-642-01415-1 / 3642014151
• ISBN-13: 978-3-642-01415-4 / 9783642014154