Horst Klingenberg. Automobil- Meßtechnik. Band A: Akustik. Mit 232 Abbildungen

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2 Horst Klingenberg Automobil- Meßtechnik Band A: Akustik Mit 232 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1988

3 Prof. Dr. rer. nat. Horst Klingenberg Volkswagen AG Wolfsburg Forschung-Meßtechnik 3180Wolfsburg 1 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Klingenberg, Horst: Automobil-Meßtechnik / Horst Klingenberg. Berlin ; Heidelberg ; NewYork ; London ; Paris; Tokyo : Springer Bd. A. Akustik Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der VervieWiItigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nurauszugsweiserverwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nurin den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der Fassung vom 24. Juni 1985 zulässig. Sie istgrundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. ISBN ISBN (ebook) DOI / Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1988 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Softcover reprint of the hardcover 1 st edition 1988 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme,daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.b. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr rur Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschrifte'n oder Richtlinien in derjeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. 2068/

4 Vorwort Umweltschutz, Energie-Einsparung und Sicherheit im Straßenverkehr stellen an die Eigenschaften eines Automobils ständig wachsende AnfordeI;Ungen. Bei der Lösung der daraus resultierenden Aufgaben für die Automobiiforschung und -entwicklung treten meßtechnische Probleme auf, die oft mit herkömmlichen Verfahren oder mit handelsüblichen Meßgeräten nicht gelöst werden können. Dadurch ist die "Meßtechnik in der Kraftfahrzeugentwicklung" zu einem eigenständigen Fachgebiet geworden, auf dem u.a. vorhandene Meßverfahren an die vorliegenden Aufgaben angepaßt und in vielen Fällen auch meßtechnische Verfahren und Geräte neu entwickelt werden. Dazu werden Prinzipien aus allen Gebieten der Physik herangezogen sowie moderne Elektronik und Rechnertechnologie eingesetzt. Die Anwendung neuer Meßverfahren führt oft zu weitergehenden Erkenntnissen, die gezielte Verbesserungen am Fahrzeug erst ermöglichen. Eine Lösung der zahlreichen, häufig komplexen Probleme innerhalb der Automobil-Meßtechnik setzt vertiefte Kenntnisse der Physik, der experimentellen Methoden sowie der Verfahren der Meßwert erfassung und -verarbeitung voraus und erfordert neue Ansätze der Modellbildung, der Experimentierteclmik, effizienter nwnerischer Methoden und leistungsfähiger Rechnersimulationen. Die Automobil-Meßtechnik läßt sich in fünf Hauptgebiete einteilen: Akustik, Optik, Abgasmeßtechnik, Fahrzeugsicherheit und Fahrzeugerprobung. In dem vorliegenden Buch sind die physikalischen Grundlagen der Fahrzeug-Akustik zusammengefaßt sowie die Meßmelhoden und Meßverfahren einschließlich der oft umfangreichen speziellen Meßanordnungen dargestellt. Auf die vielfältigen Probleme der Geräuschentstehung sowie der Schalldämmung und -dämpfung, insbesondere aus der Sicht der praktischen Forschungs- und Entwicklungsarbeit im Fahrzeugbau, wird ebenfalls eingegangen. Die dargestellten Ergebnisse stützen sich auf Erfahrungen, die innerhalb von zwei Jahrzehnten der Tätigkeit in der Automobilindustrie gesammelt wurden. Die Erstellung dieses Buches wäre ohne die Hilfe meiner Mitarbeiter nicht möglich gewesen. Mein besonderer Dank gilt Herrn Dr. U. Wittkowski für seine Mitarbeit, die Diskussionen über den Inhalt des Buches sowie die Verdeutlichung schwieriger Zusammenhänge. Herrn Dr. D. Karstens danke ich für seine fachliche Unterstützung, Frau K. Lepp für das Schreiben und die Textgestaltung, Herrn Dr. K.-W. Hofmann für die technische Unterstützung,

5 VI Herrn H.-J. Wilhelm für die Gestaltung der Bildvorlagen. Weiterhin bin ich Herrn Prof. Dr. R. Mal-tin (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) und Herrn Prof. Dr. D. Wolf (Universität Frankfurt) für ihre sorgfältige Durchsicht des Manuskriptes und viele wertvolle Hinweise dankbar. Für die ideelle Unterstützung danke ich Herrn Prof. Dr.-Ing. U. Seiffert (Volkswagen AG). Dem Springer-Verlag danke ich für die gute Zusammenarbeit. Schließlich möchte ich meiner Frau für ihre Geduld und ihr Verständnis danken. Lehre, im April 1988 Horst Klingenberg

6 Inhaltsübersicht Verwendete Formelzeichen 1 Übersicht 1.1 Einleitung Einführung in die "Fahrzeug-Akustik" Inhalt des Bandes Physikalische Grundlagen 2.1 Schallgrößen Schalldruck p_ Deformation s Schallwechseldichte p_ Schallschnelle v Schallgeschwindigkeit c Frequenz f und Wellenlänge.x Schallfluß q Schallintensität f Schalleistung P Logarithmierte Größenverhältnisse Definition des Pegels Schalldruckpegel Lp Schallschnellepegel Lv Schallintensitätspegel LI Schalleistungspegel Lp Mittelungspegel L m Gleitend exponentiell gemittelter Pegel Energetische Pegeladdition und Pegelsubstraktion Pegeldifferenz und Pegelabstand... 14

7 VIII 2.3 Wellengleichungen in Luft Ableitung der Wellengleichung Eindimensionale Lösung Ausbreitung in porösen Stoffen '.3.4 Stehende Wellen Wellengleichungen in festen Körpern Beschreibung der Wellengleichung Lösungen der Wellengleichung Stehende Wellen Schallabstrahlung in Luft Allgemeines Kugelstrahler O. Ordnung, Monopolstrahler Kugelstrahler 1. Ordnung, Dipolstrahler Kugelstrahler 2. Ordnung, Quadrupolstrahler Verminderung der Schallabstrahlung, hydrodynamischer Kurzschluß Schallreflexion und Schalltransmission Impedanzen..., Wichtige Größen bei Reflexion und Transmission ebener Wellen SchalldämIn-Maß R Massegesetz der Luftschalldämmung Signalanalyse Fourier-Analyse Energie- und Leistungsdichte Übertragungsfunktion Korrelationsanalyse Frequenzintervallmaße Schallwahrnehmung des Menschen 3.1 Gehör Hörfeld Verdeckung Lautstärke Lautstärkepegel La, Definition des phon A-Bewertung Lautheit, Zwicker-Verfahren Geräuschquellen des Fahrzeugs 4.1 Wichtige Geräuschquellen und Schallausbreitung Motorgeräusche und ihre Ursachen... 61

8 IX Übersicht Verbrennungsgeräusch Gaskräfte Massenkräfte am Kurbeltrieb Kinematik und Dynamik beim Ein-Zylinder-Motor Oszillierende Massenkräfte bei Mehrzylindermotoren Massendrehmoment Inneres Biegemoment Getriebegeräusche Geräusche des Kühler-Lüfter-Systems Geräusche der Abgasanlage Geräusche von Reifen und Fahrbahn..., Allgemeines Reifenschwingungen Luftverdrängung Gleitvorgänge Einfluß der Raddrehzahl auf das Rollgeräusch Windgeräusche Schalldämpfung und Schalldämmung im Fahrzeug 5.1 Allgemeines Maßnahmen am Fahrzeug Dämmung der Motoraußengeräusche durch Kapselung Dämmung durch Motorlager Dämmung der Abgasanlage Einfügungsdämm-Maß Leitungsresonanzen Dimensionierung Dämmung des Ansaugsystems Meßgeräte und Meßsysteme 6.1 Mikrofon Beschreibung I(alibrierung Beschleunigungsaufnehmer Schallpegel-Meßgerät (Schallpegelmesser) Echtzeit-Terz/Oktav-Analysator Rechner-System zur Echtzeitanalyse (ACORA)

9 x 6.6 Terz-Pegel-über-Drehzahl-Meßsystem (TPUED) Schmalband-Frequenzanalysator Zweikanal-FFT-Analysator Vierkanal-Analyse-Rechner-System Beschreibung Signaturanalyse als Anwendungsbeispiel Innengeräusch-Analysegerät für Straßen-Meßfahrten Anforderungen an ein Universalmeßgerät Meßräume und Anwendungsbeispiele 7.1 Reflexionsarmer Raum (Freifeldraum) Raumbeschreibung Rundumgeräuschmessung am Motor Hüllflächenverfahren Messungen an der Abgasanlage Messungen am Lüfter Schallharter Raum (Hallraum) Raumbeschreibung Schalleistungsmessung mittels Hallraumverfahren Detailuntersuchungen am Motor Vergleichsmethode und Kalibrierung des Hallraumes Prüfvorrichtungen 8.1 Prüfstand für luftschalldämmende Bauteile Prüfstand zum Messen der Luftschalldämmung und -dämpfung Aufbau zur Messung der Körperschalldämpfung Biegeschwing-Prüfanordnung Verlustfaktor d Durchführung der Messungen I{undtsches Rohr Lagerprüfstand Messung der Auflagerkräfte Aufbau für Getriebemessungen Schallintensitäts-Messung mittels Doppelmikrofon Schallabstrahlung von Teilflächen des Motors

10 XI 9 Innengeräusch-Untersuchungen 9.1 Genormtes Innengeräuschmeßverfahren Normung der Mikrofonposition Umgebungsbedingungen für Messungen bei Fahrt auf der Straße Anforderungen an Meßgeräte Identifizieren von Geräuschquellen Experimentelle Schallweganalyse Rechnergestützte Schallweganalyse Pegel der Ordnungen der Motoranregung als FUnktion der Drehzahl Messen des Pegels über der Drehzahl Mo~alanalyse Grundlagen Meßverfahren Ergebnisse typischer Anwendungen Bewegungsformanalyse Ermittlung der Biegelinien eines Motors Messung stehender Wellen im Fahrgastraum Simulation der Luftschallübertragung Simulation der,schallabstrahlung schwingender Blechpartien der Karosserie durch Lautsprecher Interferenz-Effekte bei Motoranregung Zusammenfassung und Ausblick zum Innengeräusch Außengeräusch-Untersuchungen 10.1 Gesetzgebung Gesetzlich vorgeschriebenes Prüf verfahren Prüf vorschrift Fehlereinflüsse bei der Außengeräuschmessung Wahrscheinlichkeit für das Bestehen einer Prüfung Vorschlag für eine neue Bewertung beim Außengeräusch- Prüfverfahren Standgeräusch-Meßverfahren Außengeräusch-Meßverfahren für Entwicklungszwecke Allgemeines Meßsystem Weitere Anwendungen des Meßverfahrens Außengeräusch beim gekapselten Fahrzeug Einfluß von Bodenreflexionen bei ISO-Vorbeifahrt Außengeräuschmessung in Reifennähe bei Fahrt auf Rollenprüfstand Außengeräuschmessung in Reifennähe bei Straßenfahrt Zusammenfassung und Ausblick zum Außengeräusch

11 XII Literaturverzeichnis... 24i Sachwortverzeichnis

12 Verwendete Formelzeichen Formelzeichen Bedeutung Sonderzeichen Index für zeitlich veränderlichen Anteil einer Größe Index für zeitlich konstanten Anteil einer Größe Kennzeichnung des zeitlichen Mittelwertes, Überstreichung Kennzeiclmung von komplexen Größen, Unterstreichung Kennzeichnung von Amplituden, über Symbol -+ * Kennzeichnung von Vektoren, über Symbol Kennzeichnung von konjugiert komplexen Größen Besondere Kennzeichnung Lateinische Buchstaben a a(w) A Ä Beschleunigung Trägheitsradius eines Stabes Reeller Fourier-Koeffizient Reelle Spektralfunktion Frequenz bewertung Fläche Fläche (vektoriell)

13 XIV Formelzeichen Bedeutung A* A(w) ~-D Äquivalente Absorptionsfläche Amplitudenspektrum, Betragsspektrum Analog nach digital bn b(w) Reeller Fourier-Koeffizient Reelle Spektralfunktion C COr Ca,Or Ca CD Co ~n ~(w) Qr(w) C p Cv Schallgeschwindigkei t Gruppengeschwindigkeit Gruppengeschwindigkeit der Biegewelle Ausbreitungsgeschwindigkeit der Biegewelle Ausbreitungsgeschwindigkeit der Dehnwelle Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenwelle Ausbreitungsgeschwindigkeit der Torsionswelle Ausbreitungsgeschwindigkeit der Transversalwelle Ausbreitungsgeschwindigkeit der Dichtewelle in festen Körpern Schallgeschwindigkeit entlang einer Membran Lagerkennung (Federkonstante) Komplexer Fourier-Koeffizient Komplexe Spektralfunktion Komplexe Spektralfunktion für zeitlich begrenzte Vorgänge Spezifische Wärme bei konstantem Druck Spezifische Wärme bei konstantem Volumen d D Verlustfaktor Pegeldifferenz llichtungsmaß Einfügungsdämm-Maß Dehnwlgsmeßstreifen

14 xv Formelzeichen E Bedeutung Energie Elastizitätsmodul Empfindungsstärke Komplexer Elastizitätsmodul Spektrale Energiedichte Kennzeichnung für Effektivwerte I Im Imn In Ir 10 lu 10m I(t) F Fa FN F 08 Fr FR. Fs FT FFT Frequenz Mittenfrequenz Schwingfrequenz Resonanzfrequenz, Eigenfrequenz Resonanzfrequenz, Eigenfrequenz Resonanzfrequenz Obere Frequenzgrenze Untere Freqenzgrenze Zwischenmassen-Resonanzfrequenz Zeitfunktion Kraft Gaskraft Gleitbahnkraft Oszillierende Kraft Radialkraft Reaktionskraft Schubstangenkraft Tangentialkraft Fast Fourier Transformation go G Eigenformen Schubmodul

15 XVI Formelzeichen Bedeutung G Grel Übertragungsmaß Relatives Übertragungsmaß H(J) I Im Spektrale Übertragungsfunktion Schallintensi tät Imaginärteil j Jn Imaginäre Einheit Reize k Wellenzalll! Komplexe Wellenzalll [{ Federkonstante Korrekturfaktor [{W Kurbelwinkel Länge Pleuelstangenlänge, Schubstangenlänge L LA L ges LI L m L p L pm Lp Ls Lsub Lv Longi tudinalwellenmodul A-bewerteter Schalldruckpegel Gesamtpegel Schallintensit"ätspegel Mittelungspegel Schalldruckpegel Mittelungspegel aus Schalldrücken Schalleistungspegel Lautstärkepegel Subtraktionspegel Schallschnellepegel

16 XVII Formelzeichen Bedeutung m Masse m* Masse mf mh mk ml mp m r Mv Mos M r Flächenbezogene MaSse Huballteil der Pleuelstangenmasse Kolbenmasse Masse des Luftvolumens Masse der Pleuelstange Rotationsallteil der Pleuelstangenmasse Meßstellen, Meßorte Moment durch oszillierende Massenkräfte Moment durch rotierende Massenkräfte n oe OT Po p- p..., p...,(t) p Drehzahl Stehwellenverhältnis Operatiol1scharakteristik Oberer Totpunkt der Kolbenbewegung Normdruck Ruhedruck, stationärer Druck Schall druck Schalldruck Effektivwert des Schalldruckes Motorleistul1g Schalleist ung Summenfunktion der Normalverteilung Gleichverteilte Zufallszahlen q q(t) Schallfluß Schallfluß

17 XVIII Formelzeichen Q r R R* Re Rth s s S(w) t T Bedeutung Quellenergiebigkeit Ortskoordinate Radius Kurbelwellenradius Schallreflexionsfaktor Gaskonstante Kali brierfaldor Schalldämm-Maß Schwingungsdämm-Maß Reibungswiderstand Realteil Theor. Schalldämm-Maß (ohne Schallnebenwege) Weg Deformation Lautheit Fläche Massenmittelpunkt Mittlerer Querschnitt Größter Querschnitt Kleinster Querschnitt Spektrale Leistungsdichte Zeit Nachhallzeit Periodendauer Mittelungszeit Temperatur auf der Kelvin-Skala Übertragungsfaktor

18 XIX Formelzeichen To Bedeutung Bezugsübertragungsfaktor Normtemperatur u v V Vn w x X(f) y Y(f) Geschwindigkeit Spannung Geschwindigkeit Schallschnelle Volumen Durchlässigkei t Strömungswiderstand Wahrscheinlichkeit Ortskoordinate Eingangsgröße Ortskoordinate Ausgangsgröße z Ortskoordinate Impedanz Schallkennimpedanz Akustische Impedanz Flußimpedanz Spezifische Schallimpedanz, Feldimpedanz Mechanische Impedanz

19 xx Formelzeichen DcdeuLung Griechische Buchstaben Schallabsorptionsgrad Absorptionskoeffizient (Imaginärteil der komplexen Wellenzahl) {J Realteil der komplexen Wellenzahl, entspricht der reellen Wellenzahl Kohärenzfunktion Richtungsfaktor Dämpfungskonstante Schalldissipationsgrad Dehnung {) Temperatur auf der Celsius-Skala Winkelkoordinate Adiabatenexponent,X** e p* Wellenlänge Pleuelstangenverhältnis Stollenabstand beim Reifen Mittelwert Querkontraktionszahl Teilchenauslenkung Integrationsveränderliche Dämpfung der r-ten Mode Schallreflexionsgrad

20 XXI Formelzeichen Bedeutung Po Normdichte p- Ruhedichte p... Schallwechseldichte p...( t) Schallwechseldichte PF Flächenbezogene Dichte q Standardabweichung Spannung Flächenspannung Flächenspannung T T" t,o(w) t,otr t,ofg t,olg ~tr ~rg w Wo Schalltransmissionsgrad Verschiebungszeit Zei tintervall Laufzeit Nullphasenwinkel Winkelkoordinate Phasenspektrum Autokorrelationskoeffizient Kreuzkorrelationskoeffizient Korrelationskoeffizient Autokorrelationsfaktor Kreuzkorrelationsfaktor Korrelationsfaktor Kreuzkorrelationsfaktor Keisfrequenz Eigenkreisfrequenz Eigenkreisfrequenz der r-ten Mode