Statistische Methoden bei der Fahrzeuggeräuschmessung

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1 Statistische Methoden bei der Fahrzeuggeräuschmessung Prof. Jörg Bienert Simcenter Symposium UnrestrictedSeite 1 Bienert Oktober 2017

2 Einleitung Messungen in der Fahrzeugakustik sind etabliert. Statistische Methoden beschränken sich in vielen Fällen auf gemittelte Pegel L p. geräusch Rollgeräusch In den Daten steckt mehr Information, denn es gibt genügend: z.b. sampling frequency fs=44100 Hz, Messzeit T=60s ergibt 2,65 Mio. Abtastwerte Fokus heute - Windgeräusch Antriebs- Windgeräusch Seite 2 Bienert Oktober 2017

3 Inhalt Anwendungsbeispiel 1: Akustische Bewertung von Motorradhelmen Methodik: Faktorenanalyse Straßenmessung, Windkanal, reverberation room Anwendungsbeispiel 2: Bestimmung des Windgeräuschanteils aus Straßenmessungen Methodik: Regressionsverfahren Korrelation Strömung / Geräusch Alternative zur Windkanaluntersuchung Seite 3 Bienert Oktober 2017 Quelle: Zugriff:

4 Anwendungsbeispiel 1: Akustische Bewertung von Motorradhelmen Methodik: Faktorenanalyse Straßenmessung, Windkanal, reverberation room (Hallraum) Bestimmung des Windgeräuschanteils aus Straßenmessungen Methodik: Regressionsverfahren Korrelation Strömung / Geräusch Alternative zur Windkanaluntersuchung Seite 4 Bienert Oktober 2017

5 Aufgabenstellung Akustik Motorradhelm wesentliche akustische Eigenschaften eines Motoradhelms Schalldämmverhalten aerodynamische Geräuschentwicklung Untersuchungsmethoden Hallraum: Windkanal: alternativ Fahrversuch auf der Straße: Seite 5 Bienert Oktober 2017

6 Aufgabenstellung Straßenmessung Was macht man, wenn kein Hallraum und kein Windkanal vorhanden sind? Ohrmikrofon frequenzabhängige Kalibirerung notwendig Fahrprofil: Ist die Straßenmessung Reproduzierbarkeit: konstante Motorrad: Geschwindigkeiten adäquat? Einfluss schlecht 80 Wie wird der / 100 / 120 km/h auf der Versuch Aerodynamik, öffentlichen Straßen aufgebaut? Wiederholungsmessungen realisierbar. Scheibe Sitzposition zur gut (Fahrergröße) welches Mikrofon? welches Fahrprofil? welche Reproduzierbarkeit? welchen Einfluss hat das Motorrad? es gibt viele Faktoren, also werden diese in einer Faktorenanalyse berücksichtigt. Seite 6 Bienert Oktober 2017

7 Versuchsplan Design of Experiments (DOE) ergibt: 3x3x3x2x2 Messsequenzen =108 Datensätze Faktor Helm Stufen 3 Modelle Fahrgeschwindigkeit 3 Geschwindigkeiten 80 / 100 / 120 km/h Sitzposition 3 Fahrergrößen normal / aufrecht / geduckt Wiederholungen je 2 pro Fahrt je Helm 2 Fahrten (wegen möglicher Varianz beim Aufsetzen des Helms) Seite 7 Bienert Oktober 2017

8 Die Daten Motoradfahren ist laut: Werte Single zwischen value diagram 85 Lp und 105 db(a) Streuungen sind signifikant Statistik ist notwendig Lp Seat Speed 85 no rmal 80 high low normal high 100 low normal high low 120 normal 80 high low no rmal high 100 low normal high low 120 normal 80 high low no rmal high 100 low normal high low 120 Helmet white grey black Seite 8 Bienert Oktober 2017

9 Aussagen - Haupteffekdiagramm Mittelwert white Haupteffektediagramm für Lp Helmet grey Seat Datenmittelwerte black die drei Helme unterscheiden sich nicht wesentlich (Preisklasse Speed ) die leicht geduckte Haltung ist wesentlich lauter, weil sich der Helm hinter der Scheibenkante befindet 120 die Fahrgeschwindigkeit hat den größten Einfluss (ca. 4dB pro 20 km/h) normal high low Seite 9 Bienert Oktober 2017

10 Aussagen - Wechselwirkungsdiagramm H elmet Wechselwirkungsdiagramm für Lp Datenmittelwerte Helmet white grey black alles im Detail, aber es gibt keine Überraschungen zu den Haupteffekten 90 Speed Speed Seat Seat normal high low w hite grey black normal high low Seite 10 Bienert Oktober 2017

11 Weitere Auswertemöglichkeiten - Terzanalyse Seite 11 Bienert Oktober 2017

12 Vergleich mit Windkanal Darstellung der Anpassungslinie Windkanal = - 10,62 + 1,152 Straße Windkanal Straße Seite 12 Bienert Oktober 2017

13 Anwendungsbeispiel 2: Akustische Bewertung von Motorradhelmen Methodik: Faktorenanalyse Straßenmessung, Windkanal, reverberation room Bestimmung des Windgeräuschanteils aus Straßenmessungen Methodik: Regressionsverfahren Korrelation Strömung / Geräusch Alternative zur Windkanaluntersuchung Seite 13 Bienert Oktober 2017 Quelle: Zugriff:

14 Grundidee und Messsystem Strömungsgeräusch beim Befahren einer Autobahn nie völlig konstant / stationär Schwankungen bei der Umströmung des Fahrzeugs hochfrequente Messung der Strömungsgeschwindigkeit und Korrelation mit dem Innengeräusch liefert den Gradienten des Schalldruckpegels über der Geschwindigkeit (Schritt 1) dl du v const Integration Windgeräuschanteil für eine Fahrgeschwindigkeit (Schritt 2) L ( v) v e dl du p 0 v const dv SVM Tec Hitzdraht-Strömungssonde, die hochfrequent arbeitet, um insbesondere auch Strömungswirbel über Kopfhörer hörbar zu machen. Datenerfassung Strömungssonde und 2 Mikrofone mit 10kHz (100s Blocklänge) Seite 14 Bienert Oktober 2017

15 Sensorposition Standard Beifahrerohr unterhalb Innenspiegel -> erhöhte Windgeräuschkorrelation Seite 15 Bienert Oktober 2017

16 Typische Schallmessung bei Autobahn- Konstantfahrt Innengeräusch unterliegt Schwankungen bedingt durch: Strömungsschwankungen Fahrbahnvariationen andere Verkehrsteilnehmer (überholende PKW, überholte LKW) die Korrelation des Innengeräusches mit der Strömung interessiert Seite 16 Bienert Oktober 2017

17 Erste Vorversuche Messung auf der A9 üblicher Nachmittagsverkehr Schalldruckpegel in db(a), Filterung insbes. der niedrigen Frequenzen des Roll- und Antriebsgeräusches gemessene Strömungsgeschwindigkeit mit Tiefpassfilter < 50 Hz SPL - db(a) /speed - m/s 90 Lp v Korrelation zunächst kaum erkennbar time Seite 17 Bienert Oktober 2017

18 Die Metrik (Schritt 1) Adjusted data Fit: y= *x 95% conf. bounds Audi A6 run kph sound Lp [db(a)] der Gradient beträgt: 0,22 db(a) m s 1 75 Seite 18 Bienert Oktober flow [m/s] Gradient des Schallpegelanstiegs mit dem Strömungsanstieg ist eine Metrik, die die Windgeräuschqualität eines Fahrzeugs beschreibt hier konst. Fahrgeschw. dl du v const

19 Vergleich verschiedener Fahrzeuge bzgl. Gradient Windgeräuschmetrik db s/m 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Streudiagramm Fahrzeuge über Geschwindigkeit den Gradienten zu verwenden, wäre schon eine Möglichkeit, aber ein steiler Berg muss nicht unbedingt hoch sein Car Audi Audi_modif VW besser Integration bis zur gewünschten Geschwindigkeit (Schritt 2) 0, Fahrzeuggeschw. [m/s] L ( v) v e dl du p 0 v const dv Vergleich Verschiedener Fahrzeuge entspricht der Erwartung Physikalisch notwendiger Anstieg mit der Geschwindigkeit ist enthalten Seite 20 Bienert Oktober 2017

20 Validierung der Methode Messung auf einer Teststrecke, weil: keine Wechsel der Fahrbahnoberflächen Geschwindigkeiten besser variierbar keine Störquelle LKW Fragestellung der Sondenposition an der Windschutzscheibe in der Nähe der Dachantenne hinten Vergleich der Methode konstante Fahrgeschwindigkeit (in Stufen) variable Fahrgeschwindigkeit (kontinuierlich) Vergleich auf Störanfälligkeit wenige Überholungen auf der Strecke keine Überholungen ein Fahrzeugtyp mit Vergleichsdaten aus dem Windkanal Seite 21 Bienert Oktober 2017

21 Sondenpositionen Dachantenne Seite 22 Bienert Oktober 2017

22 Sondenpositionen Windschutzscheibe Seite 23 Bienert Oktober 2017

23 Vergleich zu Windkanal konst. Geschw. Referenzkurve L OA = 67,2 db(a) Kunstkopf Mikro rechts (der Scheibe abgewandt) Vergleich zu Mikro am Sitz bzw. unterhalb des Spiegels Gradienten bei bei 80 / 100 /120 /140 km/h Konstantfahrt bestimmt Fazit: Abweichungen zum Windkanal 0,4-4,0 db Sondenposition Windschutzscheibe oder Dach wenig Unterschiede kaum Unterschiede bei wenig Verkehr zu kein Verkehr Seite 24 Bienert Oktober 2017

24 1/3 Oktaven konst. Geschw. const. drive speed - fluctuation Sound BP Filter Regression Seite 25 Bienert Oktober 2017

25 1/3 Oktaven konst. Geschw. / Bsp. 1kHz Gradient Windgeräuschpegel / Gesamtpegel Seite 26 Bienert Oktober 2017

26 1/3 Oktaven konst. Geschw. 140 km/h Seite 27 Bienert Oktober 2017

27 L p. in db(a) 1/3 Oktaven konst. Geschw. Gesamtergebnis Seite 28 Bienert Oktober 2017 Fahrgeschw. in m/s

28 Verfahren variable Geschwindigkeit während der Messung wird die Fahrgeschwindigkeit langsam zwischen 60 km/h und 140 km/h variiert. Die aktuelle Fahrgeschwindigkeit wird von der Strömungssonde abgeleitet (Korrekturfaktor). Die Messdaten müssen klassiert werden ca. 10 Geschwindigkeitsklassen hier m/s Einteilung der (hier 1000 Blöcke je 0,1s) in die Klassen Regression für jede Klasse Geschw. Klasse Seite 29 Bienert Oktober 2017

29 Vergleich zu Windkanal variable Geschw. Referenzkurve L OA = 67,2 db(a) Kunstkopf Mikro rechts (der Scheibe abgewandt) Vergleich zu Mikro am Sitz bzw. unterhalb des Spiegels variable Fahrgeschwindigkeit zwischen 60 und 140 km/h Fazit: Abweichungen zum Windkanal 0,4-3,0 db Sondenposition Windschutzscheibe oder Dach wenig Unterschiede kaum Unterschiede bei wenig Verkehr zu kein Verkehr Seite 30 Bienert Oktober 2017

30 1/3 Oktaven variable Geschw. Sound BP Filter Regression pro Klasse Seite 31 Bienert Oktober 2017

31 1/3 Oktaven variable Geschw. / Bsp. 500Hz Gradient Windgeräuschpegel / Gesamtpegel Seite 32 Bienert Oktober 2017

32 1/3 Oktaven variable Geschw. Seite 33 Bienert Oktober 2017

33 L p. in db(a) 1/3 Oktaven variable Geschw. Gesamtergebnis Seite 34 Bienert Oktober 2017 Fahrgeschw. in m/s

34 Zusammenfassung Statistische Methoden helfen: um zusätzliche Informationen zu gewinnen Wechselwirkungsdiagramm für Lp Datenmittelwerte H elmet Helmet white grey black 90 Speed Speed Seat Seat normal high low w hite grey black normal high low um neue Methoden zu entwickeln Seite 35 Bienert Oktober 2017 Referenz: D. Beitler, Bachelorarbeit THI, 2017

35 Backup Seite 36 Bienert Oktober 2017