Synthese von binauralen Innengeräuschen und Vibrationen mittels Transferpfadanalyse und simulierten Anregungsdaten

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1 Synthese von binauralen Innengeräuschen und Vibrationen mittels Transferpfadanalyse und simulierten Anregungsdaten Synthesis of binaural interior sounds and vibrations using transfer path analysis in combination with simulated excitation data Dr.-Ing. C. Nettelbeck, HEAD acoustics GmbH, Herzogenrath Dipl.-Ing. D. Riemann, HEAD acoustics GmbH, Herzogenrath Kurzfassung Durch zunehmende Verkürzung des Fahrzeugentwicklungsprozesses bei gleichzeitig höheren Ansprüchen hinsichtlich des Geräusch- und Schwingungskomforts steigt der Bedarf, frühzeitig Aussagen über die zu erwartende NVH-Qualität neuer Motorentwicklungen machen zu können. Dies gilt insbesondere auch vor dem Hintergrund der zukünftigen Anforderungen welche an neu zu entwickelnde Otto- und Dieselmotoren, bezüglich des vom Gesetzgeber vorgeschriebenen Emissionsverhaltens, gestellt werden und der damit einhergehenden Veränderungen des NVH-Anregungsverhaltens. Es wird ein Verfahren vorgestellt, welches es erlaubt, anhand von simulierten Anregungsdaten eines noch nicht in Hardware existierenden Aggregates und der Kenntnis des akustischen Übertragungsverhaltens eines Fahrzeugs, das resultierende Geräusch- und Schwingungsverhalten im Fahrzeuginnenraum im Zeitbereich zu synthetisieren. Dieses Verfahren basiert zum einen auf der Anwendung der Binauralen Transfer Pfad Analyse und Synthese (BTPA/BTPS, [1] [2]), welche eine Vorhersage des Innengeräusches sowie des Schwingungsverhaltens z.b. am Sitz und am Lenkrad basierend auf Motorprüfstandmessungen, d.h. ohne den entsprechenden Motor ins Fahrzeug einbauen zu müssen, erlaubt. Zum anderen können mit Hilfe des Fahrsimulatorsystems H3S (HEAD Sound Simulation System) [2] die synthetisierten Daten interaktiv und kontextbezogen erfahrbar gemacht werden, wodurch eine umfassende Bewertung des Antriebsstrangs in einer realen Umgebung ermöglicht wird. Für den Fall, dass ein neuer Motor noch nicht in Hardware vorliegt, können auch Simulationsdaten, welche das NVH-bezogene Anregungsverhalten beschreiben, verwendet werden, um die Messungen zu ergänzen oder zu ersetzen. Dabei ist auf eine phasenrichtige Synchronisation der Simulations- mit den Messdaten zu achten, um eine korrekte

2 Vorhersage des Geräusch- und Schwingungsverhaltens sicherzustellen. Die Kombination der beschriebenen Methoden und Tools ermöglicht daher eine realistische Bewertung des im Fahrzeug vorhandenen Geräusch- und Schwingungsverhaltens selbst für noch nicht existierende Motoren. Die beschriebene Vorgehensweise versetzt den Entwicklungsingenieur damit schon zu einem sehr frühen Zeitpunkt des Entwicklungsprozesses in die Lage, Maßnahmen zur Optimierung des NVH Verhaltens zu ergreifen und insbesondere das Anregungsverhalten der Quelle sowie das Übertragungsverhalten des Fahrzeuges optimal aufeinander abzustimmen. Abstract Due to constantly decreasing development time combined with simultaneously increasing requirements with respect to the noise and vibration comfort, there is a growing demand for achieving reliable information regarding the NVH quality of new developed combustion engines as early as possible. Taken into account future legislative limits in the EU with respect to emissions and their effects on the excitation behaviour of new developed gasoline and diesel powered vehicles, this demand will become increasingly important. A method, completely working in the time domain, is presented which allows for synthesizing the vehicle interior noise and vibrations based on simulated excitation data of a not yet existing engine and the knowledge of the acoustic transfer behaviour of the vehicle. This method is on the one hand referring to the application of the Binaural Transfer Path Analysis and Synthesis (BTPA/BTPS), which enables the user to predict the vehicle interior noise and vibration behaviour based on measured excitation data of a new engine during test bench operation and thus without the need of implementing it into a real vehicle. Furthermore the method refers to an acoustic driving simulator that is featuring interactive playback of the synthesized data within a context related environment and thus allowing a comprehensive judgement. In case the new engine is not yet existent it is also possible to include simulated data that describe the NVH related excitation behaviour into the sound synthesis. Doing so, it is most important to ensure a correct synchronisation of the simulated and measured data with respect to their phase relation. Thus the combination of the described methods and tools enables the user to realistically judge the vehicle interior sound and vibration even for not existing engines. The described procedure enables the engine developer at a very early stage of the development process to improve the NVH behaviour and especially to exactly match the transfer behaviour of the vehicle to the excitation behaviour of the source. 1. Binaurale Transferpfad Analyse und Innengeräuschsynthese Die Methode der binauralen Transferpfadanalyse und -synthese (BTPA/BTPS) ist in den vergangenen Jahren im Rahmen einer Vielzahl von Projekten zur Vorhersage des

3 motorbasierten Fahrzeuginnengeräusches erfolgreich eingesetzt worden. Dabei handelte es sich um Aufgabenstellungen aus dem Bereich Troubleshooting und Sound Design. Das Verfahren hat den Vorteil, die Ursachen eines vorhandenen Störgeräuschmusters hinsichtlich der Anregungssituation und des Übertragungsverhaltens differenziert betrachten zu können. Darüber hinaus bietet es die Möglichkeit, Modifikationen bzgl. der Anregungen oder der Übertragungswege hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf das Innengeräusch beurteilen zu können. Mit dieser Methode ist es bereits in einem frühen Entwicklungsstadium möglich, Aussagen über das zu erwartende Innengeräusch treffen zu können. Es sind damit weniger Tests und Entwicklungsschleifen mit neuen Prototypen erforderlich. Neben den Aufgabenstellungen bzgl. der Geräuschquelle Verbrennungsmotor wurde das Verfahren auch im Bereich Scheibenwischer sowohl für das vom Elektromotor als auch für das durch den Umschlag des Wischers verursachten Geräusch mit Erfolg angewendet. Weitere bislang durchgeführte Projekte betrafen z.b. den Bereich Türbetätigungsgeräusche oder die von einem Bremssystem bzw. elektromechanischen Lenksystem verursachten Innengeräusche sowie Fahrwerksgeräusche Von der Beschleunigung am Motor zum Schalldruckpegel im Fahrzeuginnenraum Abb. 1 zeigt schematisch den Signalverlauf vom Ursprung der Geräuschquelle bis zum Innenraum. Zum Beispiel wird zur Bestimmung der Durchgangsdämpfung der Lagerelemente das Kreuzspektrum S xy der Vorlager- und Nachlagerbeschleunigungssignale auf das Autospektrum S xx der Vorlagerbeschleunigung bezogen. Die Berechnung liefert eine frequenzabhängige Dämpfung der entsprechenden Elemente. Die Definition der Lagerübertragung H i Lager lautet: H i Lager = S i a vor Lager, a nach Lager / S i a vor Lager, a vor Lager Beschleunigung am Motor x, y, z Beschleunigung an der Karosserie x, y, z Kraft, die in die Karosserie eingeleitet wird x, y, z Luftschall-Schalldruckpegel linken und rechten Ohr am a H(f)1 = a H(f)2 = F H(f)3 = SPL a out / a in F in / a out SPL / F in Durchgangsdämpfung des Scheinbare Masse Vibro-akustische Lagers Transferfunktion Bild 1: Signalverlauf bei der Synthese des körperschallbasierten Innengeräusches

4 Die Berechnung sämtlicher Übertragungsfunktionen erfolgt aus dem Verhältnis des Kreuzspektrums von Ausgangs- und Eingangssignal und dem Autospektrum des Eingangssignals bzw. im Fall der Scheinbaren Masse aus dem Verhältnis des Autospektrums des Ausgangssignals und dem Kreuzspektrum von Ausgangs- und Eingangssignal. Bei einer störungsfreien Messung sind beide Verfahren identisch und entsprechen dann dem Verhältnis der Spektren von Ausgangs- und Eingangssignal. Zur Durchführung einer binauralen Innengeräuschsynthese ist es notwendig, zunächst alle relevanten Luft- und Körperschallübertragungsfunktionen zu bestimmen. Die notwendigen Messungen zur Bestimmung der einzelnen Übertragungsfunktionen sind im Folgenden einzeln aufgelistet: Betriebsmessungen unter Volllast, Teillast und ohne Last zur Bestimmung der Durchgangsdämpfung der Lagerelemente. Alternativ hierzu können auch Messungen bei Anregung mit einem elektrodynamischen Schwingungserreger erfolgen. Anschlagversuche zur Bestimmung der Eingangsimpedanz bzw. der Scheinbaren Masse an der Karosserie. Die Anregungen erfolgen mit Gummi-, Plastik- und Stahlspitze. Anschlagversuche zur Bestimmung der vibro-akustischen Transferfunktionen von den einzelnen Nachlagerstellen zu den beiden Kunstkopfkanälen. Messungen mit Lautsprecheranregung zur Bestimmung der Luftschallübertragungsfunktion mittels synthetischen Anregungssignals. Alternativ können die Luftschallübertragungsfunktionen auch reziprok ermittelt werden. Zur Durchführung der eigentlichen Synthese ist eine weitere Messung erforderlich, bei der alle notwendigen Eingangsdaten für das Synthesemodell parallel aufgezeichnet werden müssen. Die Anregungsmessung enthält alle benötigten Anregungen als Zeitsignale. Diese müssen parallel aufgezeichnet werden, da ein korrekter Phasenbezug zur Durchführung der Innengeräuschsynthese eine notwendige Voraussetzung darstellt. Die Durchführung einer solchen Anregungsmessung kann im Fahrzeug z.b. beim Betrieb auf einem Rollenprüfstand oder auch beim Betrieb auf einer Teststrecke erfolgen Durchführung einer Innengeräuschsynthese Zunächst werden aus den oben beschriebenen Messungen zur Transferpfad Analyse alle benötigten Übertragungsfunktionen berechnet und abgespeichert. Aus der für die Synthese aufgenommenen mehrkanaligen Anregungsmessung werden für die einzelnen Pfade die entsprechenden Zeitsignale der Anregung extrahiert.

5 Anschließend erfolgt die Durchführung der Synthese für das körperschallbasierte und das luftschallbasierte Innengeräusch. Bezüglich des Körperschalls kann ein Anregungssignal z.b. für den Übertragungspfad eines Motorlagers die Beschleunigung am Verbrennungsmotor sein. Diese Anregung (Beschleunigung) wird in einem ersten Schritt mit der relevanten Lagertransferfunktion (Durchgangsdämpfung des Lagers) der entsprechenden Richtung gefiltert. Daraus entsteht ein neues Zeitsignal, welches die Beschleunigung an der Karosserie enthält. Dieses neue Zeitsignal wird in einem weiteren Schritt mit der entsprechenden scheinbaren Masse gefiltert, wodurch wiederum ein neues Zeitsignal entsteht, welches die Krafteinleitung in die Karosserie repräsentiert. Anschließend werden die Kraftanregungssignale der Karosserie mit den entsprechenden vibro-akustischen Transferfunktionen, die während der Anschlagversuche bestimmt worden sind, gefiltert. Da die vibro-akustischen Transferfunktionen von der Stelle der Krafteinleitung zu den beiden Kunstkopfkanälen unterschiedlich sind, entsteht durch diesen Filtervorgang ein zweikanaliges (binaurales) Innengeräusch. Diese entstandenen binauralen Geräuschdateien stellen den Innengeräuschbeitrag dar, welcher aus der Übertragung des jeweils betrachteten Transferpfads resultiert. Die beschriebene Vorgehensweise wird für alle vorher bestimmten Körperschalltransferpfade wiederholt. Alle resultierenden Einzelgeräuschbeiträge werden im Anschluss zusammengemischt, woraus ein neues binaurales Zeitsignal entsteht. Dieses neue Zeitsignal repräsentiert den Innengeräuschanteil, welcher aus der Körperschallübertragung (Krafteinleitung von der Geräuschquelle in die Karosserie) resultiert. Abbildung 2: Schematische Darstellung eines Synthesemodells

6 Bei der Synthese des Luftschalls werden die Anregungssignale (Zeitsignale des Schalldrucks) in einem ersten Schritt mit den zuvor bestimmten Luftschallübertragungsfunktionen gefiltert. Da die Luftschallübertragungsfunktionen zweikanalig sind ergeben sich bereits aus diesem ersten Schritt binauralen Innengeräuschsignale. Diese Dateien stellen die Innengeräuschbeiträge dar, welche aus den entsprechenden Transferpfaden resultieren. Wie beim Körperschall werden auch für den Luftschall die einzelnen Anteile zusammengemischt, woraus sich ein resultierendes Innengeräusch ergibt, welches den luftschallbasierten Innengeräuschanteil repräsentiert. Abschließend können der körperschallbasierte und der luftschallbasierte Innengeräuschanteil addiert werden, woraus sich das synthetisch erzeugte Gesamtinnengeräusch ergibt. Abb. 2 zeigt schematisch die oben beschriebene Vorgehensweise bei der Durchführung der Synthese des KFZ-Innengeräusches Simulation anhand von Motorprüfstandmessungen Neben der Verwendung von Anregungsmessungen zur Innengeräuschsynthese, welche direkt im Fahrzeug aufgenommen werden, ist es auch möglich, Eingangsmessungen von einem Motorprüfstand zu verwenden. Zur Durchführung einer binauralen Innengeräuschssynthese anhand einer Messung von einem Motorprüfstand ist es notwendig, zunächst einige Anpassfunktionen zu bestimmen. Diese sind nötig, weil die Anregungssignale (Syntheseeingangsdaten), welche am Motor gemessen werden, sich beim Aufbau des Motors auf einem Prüfstand von denen bei Einbau des Motors im Fahrzeug unterscheiden. Selbst bei Verwendung identischer Lager führen die unterschiedlichen Impedanzen von Motorprüfstand und Fahrzeugkarosserie zu unterschiedlichen Beschleunigungssignalen an den Vorlagerpositionen. Zur Bestimmung der benötigten Korrekturfunktionen können gemittelte Spektren verwendet werden. Eine Optimierung des Verfahrens mit drehzahlabhängigen Anpassfunktionen für diskrete Motorordnungen ist ebenfalls möglich und gegebenenfalls angemessen. Dabei werden die Anregungssignale aus der Fahrzeugmessung auf die entsprechenden Anregungen der Prüfstandmessung bezogen. Neben den Anregungen der Körperschallsignale ändern sich auch die Anregungen der Luftschallsignale in Abhängigkeit davon, ob die Messung im Motorraum des Fahrzeugs oder am Motorprüfstand durchgeführt wird. Zum einen sind die Mikrofonabstände zum Motor unterschiedlich (in der Regel 1 Meter am Prüfstand) und zum anderen unterscheidet sich das annähernd als Freifeld zu bezeichnende Schallfeld auf dem Motorprüfstand deutlich von der Quasi-Druckkammer (für niedrige Frequenzen) eines Motorraums.

7 1.4. Softwaretool zur Durchführung der Synthese Bei Kenntnis der Übertragungsfunktionen eines Kraftfahrzeugs kann anhand einer Anregungsmessung das binaurale Innengeräusch wie unter Punkt 1.2 erläutert synthetisiert werden. Im Rahmen der eigentlichen Synthese werden dabei Zeitsignale gefiltert oder zusammengemischt. Diese einzelnen seriell anfallenden Arbeitsschritte sind zeitintensiv, erfordern vom Durchführenden hohe Konzentration und sind darüber hinaus noch fehlerträchtig. Da bei der Durchführung der Arbeitsschritte zur Innengeräuschsynthese kein individuelles Know-how einfließt (im Gegensatz zur BTPA und der damit verbundenen Übertragungsfunktionsbestimmung), lässt sich der Ablauf relativ einfach automatisieren. Ein entsprechendes Synthesestool (Software zur automatisierten Durchführung der eigentlichen Synthese) wurde zu diesem Zweck bei HEAD acoustics entwickelt. Das Synthesetool greift auf ein Fahrzeugsynthesemodell zu, in dem alle Übertragungsfunktionen des zu untersuchenden Fahrzeugs abgelegt sind. Des Weiteren benötigt das Synthesetool ein Anregungsfile (Zeitsignale), das mit den vorhandenen Übertragungsfunktionen entsprechend der zuvor beschriebenen Vorgehensweise gefiltert werden kann. Durch die Verwendung des Synthesetools wird die benötigte Zeit zur Durchführung einer Innengeräuschsynthese auf ein Minimum reduziert. Sie ist im Wesentlichen abhängig von der Anzahl der Übertragungspfade, der Länge des verwendeten Inputfiles und natürlich vom verwendeten Rechner. 2. Das HEAD Sound Simulation System (H3S) 2.1 Überblick und Konzept H3S ist ein Sound Simulation System zur realitätsgetreuen und interaktiven Simulation verschiedener Fahrsituationen. In einem Fahrsimulator erzeugt H3S neben Motor-, Reifen-, Wind- oder anderen Fahrzeug- bzw. Hintergrundgeräuschen gleichzeitig Vibrationen. Sämtliche Schallquellen und Vibrationen lassen sich während des Betriebs separat steuern und durch gezielt gesetzte Filter interaktiv anpassen. Zwischen mehreren Motortypen oder akustischen Szenarien kann unmittelbar gewechselt werden, etwa um aussagekräftige A/B- Vergleiche zu erhalten. Parallel zur Fahrdynamik lassen sich auch die einzelnen Geräuschfaktoren separat aus- oder zuschalten. H3S gibt z.b. einen auf dem Prüfstand aufgenommenen Motor sowie Reifen- oder Windgeräusche in einem Fahrsimulator realistisch wieder. Einen signifikanten Einfluss auf das subjektive Empfinden während einer Fahrt haben niederfrequente Schwingungsanregungen. Aus diesem Grunde verfügt H3S zusätzlich über die Möglichkeit, auch die Vibrationen von Fahrzeugteilen zu simulieren.

8 Wie beim realen Fahrbetrieb passt das H3S Geräusche und Vibrationen den Bedienelementen des Fahrsimulators an und reagiert sofort auf Änderungen der Geschwindigkeit, Drehzahl u. dgl. Zusammen mit den im Innenraum real entstehenden Geräuschen ergibt sich ein der Realität nahezu entsprechender Gesamteindruck. 2.2 Aufbau Abb. 3 zeigt die Anwendung des H3S in einem PKW, bei welcher eine interaktive Beeinflussung der Geräusche möglich ist. Ein so genanntes Fahrdynamikmodell, welches über entsprechende Eingabemasken an das jeweilige Fahrzeug und die verwendete Getriebeart angepasst werden kann und sich auf einem Steuerrechner befindet, fragt die Bedienelemente ab und steuert das eigentliche Geräuschsystem. Als Benutzerschnittstelle dienen Gaspedal, Bremse, Schaltung und Zündung sowie die Anzeigeinstrumente des Fahrzeugs. Abbildung 3: Anwendung von H3S in einem PKW 2.3 Wiedergabe und Geräuschdatenbank Die akustische Wiedergabe der binauralen Signale im Fahrzeuginneren erfolgt über ein entzerrtes Lautsprecher-System sowie einen Subwoofer. Die Vibrationsanregung wird durch elektrodynamische Schwingungserreger realisiert.

9 Für die gehörrichtige Simulation der vom Fahrzeug selbst erzeugten Innengeräusche werden kurze, binaural aufgezeichnete Segmente aus einer Geräuschdatenbank in Abhängigkeit vom Fahrzustand abgerufen. Die Segmente der Motor-, Reifen-, Wind- und Hintergrundgeräusche werden im Simulationsbetrieb zu einem realistischen Klangbild zusammengefügt. Die H3S-Geräuschkulisse ist aus folgenden Einzelgeräuschen aufgebaut: Motor einschließlich Getriebe in Abhängigkeit von: Kraftfahrzeug-Modell, Drehzahl und Last. Reifen in Abhängigkeit von: Fahrgeschwindigkeit, Reifentyp, Straßenbelag. Wind in Abhängigkeit von: Fahrgeschwindigkeit, Windgeschwindigkeit. Die zur Simulation benötigten Motordaten können aus Rollenprüfstandsaufnahmen (Hochläufe bei verschiedenen Lastzuständen) gewonnen werden. Es bietet sich für diesen Fall an, die zwangsläufig mitaufgenommenen Geräusche der rotierenden Prüfstandsrollen und Fahrzeugreifen möglichst niedrig zu halten bzw. durch geeignete Methoden anschließend zu reduzieren. Straßenaufnahmen mit ausgeschaltetem Motor liefern die Windund Reifengeräusche. Diese werden auf möglichst standardisierten Fahrbahnbelägen und unter Verwendung von definierten Reifen aufgenommen. Es handelt sich um Aufnahmen, bei denen das Fahrzeug zunächst auf die gewünschte Höchstgeschwindigkeit beschleunigt wird und anschließend im ausgekuppelten Zustand und nach Möglichkeit ausgeschaltetem Motor ausrollt. Die Motorgeräusche können theoretisch auch von kundenspezifischen Motorsimulationstools stammen. 2.4 Mobiler Fahrsimulator (Mobiles H3S) Eine abgewandelte Version des H3S-Systems stellt der sog. mobile Fahrsimulator dar. Dieser basiert auf einem real existierenden und fahrbereiten Auto. Als Eingangssignale für die Software werden Motordrehzahl, Geschwindigkeit und Gaspedalstellung benötigt, ein Fahrdynamikmodell natürlich nicht. Die Wiedergabe beschränkt sich auf die Akustik, welche über geeignete ANC-Kopfhörer für den Fahrer wiedergegeben wird. Vibration oder Softwarewiedergabe erfolgt im mobilen H3S nicht. Das System hat den Vorteil, dass die Beurteilung verschiedener KFZ-Innengeräusche im realen Kontext erfolgen kann, sprich während des Autofahrens. Folglich sind die erzielten Beurteilungen im Vergleich zu anderen Verfahren sehr valide. Insbesondere zur Zielgeräuschdefinition von Motor-, Wind- und Abrollgeräuschen ist der mobile Fahrsimulator ein vorteilhaftes Werkzeug. Abb. 4 gibt einen Eindruck des mobilen H3S wieder. Die Bezeichnung mobil bezieht sich natürlich auf die Tatsache, dass der Fahrsimulator in ein fahrbares Auto eingebaut ist. Darüber hinaus bezieht sich diese Bezeichnung auch auf die Tatsache, dass er innerhalb

10 kürzester Zeit von einem Fahrzeug in ein anderes umgebaut werden kann. Lediglich die oben genannten Inputdaten müssen in geeigneter Form dem H3S-System zur Verfügung stehen. Abbildung 4: Anwendung des mobilen H3S 2.5 Softwaretool zur Datenaufbereitung Wie bereits unter Punkt 2.3 beschrieben, benötigt der Fahrsimulator kurze quasi-statische Segmente des Motor-, Reifen- und Windgeräusches. Um diese aus den aufgenommenen lastabhängigen Hochläufen (Motorgeräusch) bzw. aus der Ausrollmessung zu generieren, steht ein entsprechendes Softwaretool zur Verfügung. Diese Software generiert automatisch aus den eingeladenen Hochläufen die einzelnen Segmente, gibt diesen eindeutige Namen - z.b. müssen die Namen der Motorgeräuschsegmente die Motordrehzahl und die Gaspedalstellung beinhalten - und legt die Segmente in der Datenbank ab. Auf diese Weise können neue H3S-Datensätze möglichst schnell erzeugt und zur Benutzung im Simulator zur Verfügung gestellt werden. 3. Kombination der BTPA/BTPS mit der H3S-Wiedergabe im Simulator Nachdem die grundlegenden Verfahren bzw. Tools beschrieben worden sind, folgt die Vorstellung einer kombinierten Anwendung anhand eines konkreten Beispiels: Für ein Fahrzeug der Sportwagenklasse mit V6 Motor wurde zunächst mit dem BTPA- Verfahren ein Synthesemodell erstellt. Zusätzlich zur konventionellen Anwendung, bei der lediglich das binaurale Innengeräusch mit Hilfe des Modells abgebildet werden kann, wurde hier das Modell dahingehend erweitert, dass auch die Vibrationen der Sitzschienen und des Lenkrads mit denselben Eingangsdaten synthetisch erzeugt werden können. Hierzu ist im

11 Wesentlichen die Kenntnis der Vibrationstransferfunktionen notwendig, welche die Vibrationen am Sitz oder Lenkrad zur in die Karosserie eingeleiteten Kraft ins Verhältnis setzt. Es handelt sich somit um ein 4-kanaliges Modell, welches folglich zur Generierung eines 4- kanaligen Files benutzt werden kann. Der Motor des Fahrzeugs wurde im Folgenden auf einem Motorprüfstand aufgebaut und das Synthesemodell um die entsprechenden Anpassfunktionen erweitert, analog zum Vorgehen, welches unter Punkt 1.3 beschrieben wird. Mit Hilfe des in Punkt 1.4 beschriebenen Synthesetools ist es möglich, in kürzester Zeit anhand einer auf dem Motorprüfstand aufgenommenen Mehrkanalmessung das binaurale Innengeräusch sowie die Vibrationen des Lenkrads und der Sitzschiene zu synthetisieren. 3.1 Ergebnisse der Innengeräuschsynthese mit Eingangsdaten vom Motorprüfstand In der Abb. 5 werden die Ergebnisse der Innengeräuschsimulation mit den Eingangsdaten vom Motorprüfstand für das binaurale Innengeräusch im Vergleich zu dem im Fahrzeug mit einem Kunstkopf direkt aufgenommen Geräusch gezeigt. Als Darstellungsart sind Campbell Diagramme über der Führungsgröße Motordrehzahl abgebildet. Abbildung 5: Vergleich Innengeräusch Synthese Messung Die beiden linken Diagramme zeigen die synthetisch erzeugten Innengeräusche für den linken (oberes Diagramm) und den rechten (unteres Diagramm) Kunstkopfkanal, die beiden rechten Diagramme die gemessenen Geräusche. Als Betriebsbedingung wurde ein Volllasthochlauf im 2. Gang von der Leerlaufdrehzahl (ca. 700 U/min) bis zur maximalen Drehzahl (ca U/min) bei warmem Motor gewählt. Zur Erzeugung der Innengeräusche

12 wurden die Übertragungspfade über die Aggregatlagerung sowie über diverse parasitäre Pfade berücksichtigt. Neben der direkten Luftschallübertragung vom Motor wurden daneben auch die Öffnungen der Abgasanlage sowie der Ansaugung betrachtet.es ist offensichtlich, dass die typischen Geräuschmuster, welche das Innengeräusch charakterisieren, auch in der Synthese sehr gut wiedergegeben werden. Neben anderen sind insbesondere die unten aufgeführten Geräuschmuster an dem Eindruck des Innengeräusches beteiligt Motorordnung zwischen ca und 6500 U/min, Brummen im rechten und linken Kanal 2. Ganze und halbe Motorordnungen, 200 Hz 800 Hz, Motorrauigkeit, stärker im rechten Kanal, aber in beiden vorhanden 3. ~14.8te. Motorordnung zwischen ca. 700 und 3000 U/min, Heulen, linker und rechter Kanal Abbildung 6: Vergleich Motorordnungen Synthese - Messung Darüber hinaus sind die Unterschiede, welche zwischen dem linken und rechten Kanal der Kunstkopfmessung feststellbar sind, auch in der Synthese sehr gut zu erkennen. Ein Vorteil des synthetisch erzeugten Motorgeräusch ist, dass die in der Kunstkopfmessung enthaltenen Anteile, welche auf das Abrollen der Reifen auf den Rollen bzw. das Rollengeräusch selbst zurückzuführen sind, in der Synthese nicht auftreten können und somit das klarere

13 Motorgeräusch repräsentieren. Daher sind mittels BTPA/BTPS erzeugte Motorgeräusche insbesondere für die Verwendung im H3S wesentlich besser geeignet als einfache Rollenaufnahmen. Neben dem optischen A/B-Vergleich wurden die Geräusche auch direkten akustischen A/B- Vergleichen unterzogen, bei dem sich die große Vergleichbarkeit von Synthese und Messung bestätigte. Dies geht auch aus dem direkten Vergleich einzelner Motorordnungen hervor, welche für dieses Fahrzeug wesentlich zum Innengeräuscheindruck beitragen. In der nachfolgenden Abb. 6 sind die Verläufe der 2. Motorordnungen (die beiden oberen Diagramme) und der 3. Motorordnung (die beiden unteren Diagramme) über der Motordrehzahl dargestellt. Die oberen 2 Diagramme repräsentieren wieder den linken Kunstkopfkanal, die unteren den rechten Kunstkopfkanal. Die roten Linien entsprechen den gemessenen Ordnungsverläufen, die grünen repräsentieren die mittels Synthese erzeugten Verläufe. Die Diagramme zeigen die bereits angesprochene gute Übereinstimmung und tragen somit zur Vergleichbarkeit von Messung und Synthese wesentlich bei. 3.2 Ergebnisse der Vibrationssynthese mit Eingangsdaten vom Motorprüfstand Da zur Wiedergabe im H3S auch die Vibrationen von Lenkrad und Fahrersitz bekannt sein müssen, wurden auch diese mittels BTPA/BTPS anhand von Prüfstandseingangsdaten ermittelt. Auch für Vibrationen bietet es sich an, zur Überprüfung des benutzten Synthesemodells, einen Vergleich zwischen den gemessenen und den synthetisch erzeugten Signalen heranzuziehen. Fahrersitz Lenkrad Abbildung 7: Vergleich Vibrationen Sitz und Lenkrad Simulation Messung

14 Ein solcher Vergleich ist in Abb. 7 dargestellt. Da der im Fahrsimulator von den Shakern wiedergegebene Frequenzbereich der menschlichen Wahrnehmung angepasst und im Vergleich zu der akustischen Wiedergabe deutlich reduziert ist, wurden die Vibrationen auch nur bis zu einer Frequenz von ca. 250 Hz synthetisch erzeugt und betrachtet. Die beiden linken Campbell Diagramme zeigen die Ergebnisse der Synthesen, die beiden rechten Diagramme die Messungen. In den oberen Diagrammen sind jeweils die Vibrationen der Sitzschiene in vertikaler Richtung abgebildet, die unteren Diagramme zeigen die Vibrationen des Lenkrades ebenfalls in vertikaler Richtung. Auch beim Vergleich zwischen den synthetisch erzeugten und den gemessenen Vibrationen fällt auf, dass die typischen Muster, welche die Vibrationen charakterisieren, auch in den synthetischen Signalen enthalten sind. Neben anderen sind insbesondere die unten aufgeführten Muster am subjektiven Eindruck der Vibrationen beteiligt Motorordnung von ca U/min bis 6500 U/min, Sitzschiene Motorordnung von ca U/min bis 6500 U/min, Lenkrad 3. Resonanz bei 120 Hz mit Einfluss auf die 1.5., 2. und 3. Motorordnung, Lenkrad Motorordnung von ca U/min bis 2500 U/min, Lenkrad 3.3 Erzeugung eines kompletten H3S Datensatzes Die hier gezeigten Ergebnisse und Vergleiche beziehen sich lediglich auf einen Volllasthochlauf, zeigen allerdings hierfür sehr gute Übereinstimmungen. Zur Erstellung eines im H3S verwendbaren Datensatzes für Motorgeräusche sind jedoch Hochläufe bei vielen unterschiedlichen Gaspedalstellungen notwendig. Im hier beschriebenen Fall wurden Prüfstandhochläufe für insgesamt 16 verschiedene Gaspedalstellungen (0%, 2.5%, 5%, 7.5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 60%, 100% und Leerlauf) durchgeführt und dabei jeweils Simulationseingangsdaten aufgenommen. Im Anschluss wurden aus diesen mehrkanaligen Eingangsdaten mit Hilfe des im Punkt 2.4 beschriebenen Simulationstools die Innengeräusche bzw. die Vibrationen erzeugt. Die daraus resultierenden mindestens 120 Sekunden langen, 4-kanaligen Hochläufe für die verschiedenen Lastzustände werden mit der in Punkt 1.5 beschriebenen Software zur Datenaufbereitung bearbeitet und die für die H3S-Datenbank benötigten Segmente erzeugt. Da die beiden verwendeten Softwaretools (BTPS und Datenaufbereitung) mittlerweile miteinander verknüpft wurden, konnte der Prozess zur Erzeugung eines brauchbaren H3S- Datensatzes aus einer vorhandenen Anzahl von Mehrkanalhochlaufmessungen auf ein Minimum reduziert werden. So ist es ohne weiteres möglich, innerhalb eines Tages alle benötigten Messungen, Simulationen und Datenaufbereitungen zur Erzeugung eines

15 kompletten Motordatensatzes durchzuführen. Dies ermöglicht dem Motorentwickler sehr schnell, eine am Motorprüfstand durchgeführte Modifikation hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Innenraumakustik bzw. der im Innenraum verursachten Vibrationen für alle Betriebszustände interaktiv im Fahrsimulator zu erfahren. Durch einfaches Umschalten innerhalb des H3S auf zuvor erzeugte Datensätze lassen sich auf diese Weise Unterschiede zu Vorgängern oder anderen Revisionsständen sehr einfach realisieren und hinsichtlich ihrer NVH-Relevanz im Kraftfahrzeuginnenraum einfach und umfassend beurteilen. Durch die Verwendung der Simulationssoftware und des Fahrsimulators kann eine solche Beurteilung gezielt hinsichtlich des resultierenden Innengeräusches und insbesondere in der Verbindung mit dem Wind- und dem Reifengeräusch erfolgen. Eine Fehlinterpretation von Beschleunigungssignalen am Motorprüfstand kann auf diese Weise vermieden werden. 3.4 Einbindung von Simulationsdaten Bei der Addition der verschiedenen Innengeräuschbeiträge ist die Berücksichtigung der exakten Phasenbezüge Vorraussetzung für eine korrekte Summenbildung. Dies wird durch eine simultane Aufnahme aller Eingangskanäle in einer Messung sichergestellt. Sollen Simulationsdaten in den Syntheseprozess eingebunden oder verschiedene Messungen kombiniert werden, ermöglicht eine hochgenaue Drehzahlerfassung die präzise Darstellung der Phasenbezüge. Mit Hilfe einer von der Position der Kurbelwelle abhängigen Abtastratenwandlung erfolgt die Durchführung einer winkelbezogenen Ordnungsanalyse. Es können dann Betrag und Phase der einzelnen Motorordnungen präzise ausgewertet werden. Es bestehen zwei Möglichkeiten, die Beträge und Phasen von Ordnungen zu verändern: 1. Modifikation bestehender Ordnungen: Dieses Verfahren eignet sich vor allem, um Simulationsergebnisse präzise in die Messungen einzubinden, da gängige kommer-zielle Simulationsprogramme insbesondere eine genaue Vorhersage von Veränderungen z.b. durch Modifikation von Bauteilen erlauben. 2. Ordnungen herausnehmen und durch neue ersetzen: Ist eine genaue Vorhersage absoluter Beträge und Phasen möglich (z.b. bei gemessenen Daten), so lassen sich diese Absolutwerte direkt zur Erzeugung neuer Ordnungen verwenden. Die so veränderten Daten können nach einer geeigneten Resynthese für die Berechnung des Innengeräusches mit Hilfe einer BTPS eingesetzt werden. Dieses Verfahren erlaubt eine detaillierte Nachbildung der Feinstruktur der Ordnungen inkl. der Drehzahlschwankungen und damit eine korrekte phasenrichtige Einbindung in den BTPS-Prozess.

16 Pegel der 2. MO [db], Ansaugung A n/rpm Phase der 2. MO [rad], Ansaugung A n/rpm Simulierte Veränderung des Pegels [db] n/rpm Simulierte Veränderung der Phase [rad] n/rpm Pegel der 2. MO [db], Ansaugung B n/rpm Phase der 2. MO [rad], Ansaugung B n/rpm Abbildung 8: Pegel (oben) und Phase (unten) der 2. Motorordnung des gemessenen Mündungsgeräusches einer Ansaugung A (links), simulierte Veränderung bei Variation des Durchmessers (Mitte), Pegel und Phase der 2. Motorordnung des resynthetisierten Mündungsgeräusches der Ansaugung B (rechts) Das linke Diagramm in Abb. 8 zeigt exemplarisch den gemessenen Ordnungspegelverlauf (oben: Betrag, unten: Phase) einer Ansaugung mit einem Durchmesser A. Simulationen ergaben für einen variierten Durchmesser B die im mittleren Diagramm gezeigten Änderungen von Betrag und Phase. Mit der beschriebenen Methode wurden diese auf die gemessenen Daten aufgeprägt (Abb. 8 rechts) und eine Synthese des zu erwartenden Innengeräusches durchgeführt. Beide Varianten der Ansaugung wurden zur Validierung des Verfahrens parallel in Hardware realisiert und gemessen. Der Vergleich mit den berechneten Daten ergibt eine gute Übereinstimmung. Literatur [1] Nettelbeck, C., Genuit, K., Kang, K.T., Lee, Y.W.: Binaural Transfer Path Analysis and Interior Noise Simulation for Vehicle Test Bench Measurements, InterNoise 2003, Korea 2003 [2] Krebber, W., Gierlich, H.W., Genuit, K. : Auditory Virtual Environments: Basics and Applications for Interactive Simulations, Signal Processing, Sonderausgabe DPS, Juli 1999