Simulation von Schallfeldern am Kraftfahrzeug. Dipl.-Phys. Stephan Demmerer

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1 Lehrstuhl ür Mensch-Mschine-Kommunition der echnischen Universität München Simultion von Schlleldern m Krthrzeug Dil.-Phys. Stehn Demmerer Vollständiger Abdruc der von der Fultät ür Eletrotechni und Inormtionstechni der echnischen Universität München zur Erlngung des demischen Grdes eines Dotors der Nturwissenschten genehmigten Disserttion Vorsitzender: Prüer der Disserttion: Univ.-Pro. Dr.-Ing. K. Antreich. Univ.-Pro. Dr.rer.nt. M. Lng. Univ.-Pro. Dr.rer.nt. H. Kinder Die Disserttion wurde m bei der echnischen Universität München eingereicht und durch die Fultät ür Eletrotechni und Inormtionstechni m ngenommen.

2 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstnd während meiner ätigeit ls wissenschtlicher Mitrbeiter des Lehrstuhls ür Mensch-Mschine-Kommunition der echnischen Universität München. Dem Leiter dieses Lehrstuhls, Herrn Pro. Dr. Lng dne ich ür die Betreuung meiner Arbeit. Er ht mir lle Freiheiten zur Steuerung meines Forschungsrojetes gegeben und wr stets bereit, mich zu unterstützen. Alle Arbeiten wurden bei der BMW Grou in München durchgeührt. An dieser Stelle möchte ich Herrn Dr. Freymnn ür ds Zustndeommen der Dotorrbeit dnen. Er ht nicht nur ds Projet ins Leben geruen, sondern uch die Zusmmenrbeit mit der echnischen Universität München ngeregt. Sein ußergewöhnlich stres Interesse n der Verhrensentwiclung ührten ot zu ruchtbren Disussionen. Herrn Strycze dne ich ür seine Vorrbeit zu diesem hem. Dies siegelt sich n den vielen Stellen der Arbeit wieder, bei der seine Veröentlichungen zitiert wurden. Drüber hinus wr er mein erster Ansrechrtner bei BMW, mit dem ich immer über numerische Probleme der Austi reden onnte. Herrn onhuser dne ich ür seine umngreiche Unterstützung meiner Arbeit. Als Leiter der Außengeräuschbteilung ht er mir über längere Zeiträume die Prüstände reigehlten, die beste und modernste Messusrüstung bereitgestellt und seine erhrene Mnnscht zur tträtigen Unterstützung motiviert. Für die drus entstndene Kollegilität möchte ich mich vor llem bei der gnzen Außengeräuschbteilung bednen. Ohne die Erhrung und Unterstützung, die mir von llen entgegengebrcht wurde, hätte ich nicht so gute Ergebnisse in so urzer Zeit erzielen önnen. Obwohl ot unter Zeitdruc ußergewöhnliche Messubuten relisiert werden mussten, verstnden es die Kollegen ein ngenehmes Arbeitslim zu verbreiten, so dss ich immer gerne und mit Freude zur Arbeit gegngen bin. Besonderer Dn gilt meinem Freund omsz Jedrsze, der mich m Anng meiner Arbeit bei der Hnd nhm und mir ds Arbeitsleben bei BMW gezeigt ht. Seine lngjährigen Erhrungen in der ustischen Messtechni und sein Interesse n der Entwiclung des Innengeräuschverhrens ruchteten nch lngen gemeinsmen Disussionen und Überlegungen in den geschilderten Innovtionen. Er ht mich immer wieder von geistigen Höhenlügen u den Boden der messtechnischen Mchbreit heruntergeholt. Augrund seiner Erhrungen zweielte er die Ergebnisse so lnge n, bis nch mehreren Verbesserungen die Ergebnisse lusibel wurden und mit seinem großen Erhrungsschtz übereinstimmten. Einen nicht unwesentlichen Beitrg zum Gelingen dieser Arbeit verdne ich den mitrbeitenden Dilomnden Jens Hohmnn FH-München, Note: sehr gut, homs Dögel FH- Jen, Note sehr gut, sowie den Prtinten Gero Ante U-Achen und Ulrich Messer HW-Mittweid. Ihr Fleiß und ihr Enggement ht diese Arbeit mit vorngebrcht. Schließlich möchte ich mich bei meiner Fru Sndr und meiner ochter Ann dür bednen, dss sie mir vor llem in der ngesnnten Schlusshse der Arbeit den Rücen rei gehlten hben. München, im November 00, Stehn Demmerer

3 Inhltsverzeichnis:. Einleitung.... Einührung in die hemti.... Gliederung der Arbeit.... rnserdnlyse...3. Ws versteht mn unter rnserdnlyse? Lutschll Körerschll Lut- und Körerschlltrnserde...5. rnserdnlysemethoden Körerschll-rnserdnlysemethoden Lutschll-rnserdnlysemethoden Simultion von Schlleldern Aunhme und Rerodution von Schlleldern Prinziversuch Gleichungssystem zur Simultion von Schlleldern Kohärente Betrgsmethode Inohärente Methode eilohärente Methode Wege zur Lösung des Gleichungssystems Dierenzenmethode Quotientenmethode Logrithmische Quotientenmethode Idele Anzhl der Beschllungsquellen Zusmmenssung Verhren zur Lolisierung von Schllquellen Lolisierung von Schllquellen - Stnd der echni Räumliches Aulösungsvermögen bei der Lolisierung von Schllquellen Quellenlolisierung mittels Schlleldsimultion Prinzi des Verhrens Anwendung im Prinziversuch Bestimmung des Aulösungsvermögens heoretisches Aulösungsvermögen Kohärente und inohärente Quellen Disussion und Zusmmenssung...48

4 5. rnserdnlyse ür ds Außengeräusch Ds Fhrzeugußengeräusch Gesetzesvorschriten Messvorschrit ISO Außengeräuschrüstnd Geräuschomonentennlyse Schlleldsimultion ür ds Fhrzeugußengeräusch Motivtion des Verhrens Grundidee Exerimenteller Aubu Simultionsblu und Auswertungsrogrmme Disussion geeigneter Berechnungsmethoden Kohärenzbetrchtungen Vergleich zwischen Simultion und Komonentennlyse Ergebnis Simultion einzelner Schllquellen Mündungsgeräuschuntersuchungen Reienuntersuchungen Weitere Untersuchungen zum Reien-Fhrbhngeräusch Verhren zur Simultion des Motorgeräusches rnserdnlyse im Motorrüstnd Simultion des Motorgeräusches m Gesmthrzeug Kontrollmessung zur Überrüung der Simultion Zusmmenssung: Vom Motorrüstnd zur Vorbeihrt rnserdnlyse im Außengeräuschrüstnd Simultion des Motorgeräusches im Motorrüstnd Vergleich mit Kontrollmessung Zusmmenssung: Von der Vorbeihrt in den Motorrüstnd Schllquellenortung m Gesmthrzeug Schlleldsimultion m Gesmthrzeug Vorusberechnung von veränderten Schlleldern Gesmthrzeug mit verändertem Mündungsgeräusch Gesmthrzeug mit verändertem Ktlystorgeräusch Leistungsbeurteilung und Fehlerdisussion Zusmmenssung...94

5 6. Schlleldsimultion ür ds Fhrzeuginnengeräusch Die Entstehung des Fhrzeuginnengeräusches Lut- und Körerschll Der Hllrum zur Messung der Fhrzeugdämmung Schlleldsimultion ür ds Fhrzeuginnengeräusch Motivtion des Verhrens Die erste Idee des Verhrens Anmerungen zum Verhren Allgemeine Berechnung der lolen Emindlicheit Versuchsdurchührung Exerimenteller Aubu Sotwre zur Berechnung und Auswertung Disussion geeigneter Berechnungsverhren Vergleich der Schlleldsimultion Schlleld zwischen den Miroonositionen Vergleich der ermittelten Innengeräusche Ergebnis Auindung geeigneter Beschllungsositionen Methode vieler Beschllungsositionen Reroduzierbreit Abänderung des Verhrens Normierungsmethode Problem der stehenden Wellen Einührung einer Normierungsmessung Rechnerische Schlldrucnormierung Ergebnisse Leistungsbeurteilung und Fehlerdisussion Innengeräusch und Hllrumtestgeräusch Lole Dämmung und Fenstermethode Auindung loler Veränderungen Zusmmenssung Zusmmenssung und Ausblic Zusmmenssung Ausblic Außengeräuschnlyse und Berechnung Innengeräuschnlyse und Berechnung Litertur...35 Anhng A Beweis zur Pseudoinversen...43 Anhng B Prtielle Ableitungen zu llen Minimierungsugben...44

6 Verwendete Abürzungen: Bezeichnung gg. Einheit Beschreibung Allgemeine Lutsrechernregung ohne Einheit AGP Außengeräuschrüstnd α B Schllbsortionsgrd des Bodens c m/s Schllgeschwindigeit in Lut 334 m/s d m Abstnd dλ m Räumliches Aulösungsvermögen /s Hz Frequenz g /s Hz Grenzrequenz FEM Finite-Elemente-Methode FF Fst-Fourier-rnsormtion Φ g t P Kreuzorreltionsuntion Φ t P Autoorreltionsuntion γ ω Kohärenzuntion,,...,K Index ür Miroone wobei K Anzhl der Miroone KA Ktlystor L db Schlldrucegel L P db Schllleistungsegel l,,...,l Index ür Beschllungsositionen, L Anzhl der Positionen λ m Wellenlänge m,,...,m Index ür Innenmiroon, M Anzhl der Innenmiroone MKS Mehr-Körer-System MPSt Motorrüstnd MSD Mittelschlldämer NAH Austischen Nheldhologrie NSD Nchschlldämer ω /s Hz Kreisrequenz ω π P Schlldruc o P Norm- oder Bezugsschlldruc 0 0 µp P W Abgestrhlte Schllleistung inv Oertion der Pseudoinversen ρ Relexionsgrd SEA Sttistische Energienlyse S g ω W s Setrle Kreuzleistungsdichte S ω W s Setrle Autoorreltionsleistungsdichte t s Zeit verschieden rnseruntion, Antwort / Anregung PA rnserdnlyse z verschieden Zieluntion

7 K. Einleitung. Einleitung. Einührung in die hemti Krthrzeuge sind ursrünglich dzu geschen worden, Menschen und Mteril von einem Ort zum nderen zu trnsortieren, ohne dbei übermäßige örerliche Anstrengungen ubringen zu müssen. Die Fszintion jedoch, die vom Fhrzeug usgeht, beruht vielmehr u dem Fhrgeühl, ds der Benutzer eines Fhrzeugs erlebt. Neben der Geschwindigeit und der Beschleunigung nimmt der Mensch dbei die Oti und die Austi des Fhrzeugs whr und verbindet lles miteinnder zu einem umssenden Fhrerlebnis. Von der Austi erwrtet der Fhrer ein, dem Fhrzeug ngemessenes Geräusch. Während der Lener eines Sortwgens den luten, ernigen Sound des Motors schätzt, ühlt sich der Fhrgst einer Luxuslimousine durch zu lute Geräusche eher belästigt [ISH00]. Die Fhrzeughersteller sind dher sehr bemüht, den Erwrtungen ihrer Kunden zu entsrechen oder sie sogr zu übertreen. Dzu werden Forschungs- und Entwiclungsbteilungen betrieben, die mit viel Auwnd ds Fhrgeräusch immer weiter otimieren und neue Erenntnisse und Erhrungen u dem Gebiet der Fhrzeugusti smmeln und umsetzen. Hier bietet sich ein ideles Umeld zur Forschung und Entwiclung von Verhren zur Anlyse und Berechnung der Fhrzeugusti. Krthrzeuge stoßen jedoch nicht nur u Begeisterung. Der stolze Besitzer eines Sortwgens liebt zwr ds rtvolle Geräusch seines PS-stren Motors, ür Pssnten oder Anwohner einer str behrenen Strße stellt dies jedoch eine Belästigung dr [LEN95]. Um diese Belstung einzuschränen, ht der Gesetzgeber schon rühzeitig Grenzwerte ür ds Fhrzeugußengeräusch vorgeschrieben [SV37],[ISO97]. Austisches Ziel der Fhrzeugentwiclung ist lso einerseits ds vom Kunden georderte Geräusch im Innenrum zu relisieren und gleichzeitig die vom Gesetzgeber vorgeschriebenen Grenzwerte ür ds Außengeräusch zu erüllen. Augrund jhrzehntelnger Forschungsrbeiten sind die Fhrzeuge inzwischen so weit entwicelt, dss sich eine Verbesserung der ustischen Eigenschten immer schwieriger gestltet. Nur mit neuen Anlyse- und Berechnungsmethoden lssen sich in Zuunt weitere Verbesserungen erzielen. Die vorliegende Dotorrbeit besst sich mit der Möglicheit, mittels Simultionen von Schlleldern, Verhren zu entwiceln, die zur Lösung der ustischen Probleme sowohl im Innenbereich ls uch im Außenbereich von Fhrzeugen wichtige Inormtionen lieern önnen. Zudem sollen die ustischen Auswirungen von bulichen Veränderungen m Fhrzeug vorusberechnet werden, so dss in Zuunt ds Fhrzeuggeräusch einer Fhrzeugneuentwiclung schon in einer sehr rühen Phse bgeschätzt werden nn. Ds Fhrzeugußengeräusch setzt sich zusmmen us dem Geräusch etlicher eilschllquellen wie Motor, Ausunlge, Reien etc. Zur Verringerung des Gesmtegels ist es notwendig, die Beiträge jeder einzelnen Schllquelle zu ennen, denn ugrund der logrithmischen Whrnehmung des Schlldrucs ist es sinnvoll, nur n den lutesten eilschllquellen eine egelreduzierende Mßnhme nzusetzen. Drüber hinus nn mn mit der Kenntnis über die Beiträge ller Einzelschllquellen u ds Geräusch zuüntiger Fhrzeuggenertionen schließen oder ustische Zielwerte ür jede Einzelschllquelle zuüntiger Fhrzeuge erstellen. Aus dieser Motivtion herus ist mit der vorliegenden Arbeit ein Verhren entwicelt worden, mit dem Ziel, die Beiträge der Einzelschllquellen u einche Art heruszuinden. Mit Hile von Lutsrecherbeschllungen m Fhrzeug und nschließenden

8 K. Einleitung Berechnungen lässt sich us den gemessenen Dten u die Beiträge der eilschllquellen schließen. Beim Fhrzeuginnengeräusch stehen ndere Gesichtsunte im Vordergrund. Ds Geräusch wird hier einerseits durch den sog. Lutschll erzeugt, ndererseits wird ein Anteil uch durch Körerschll, lso Schll der sich über Schwingungen der Krosserie ortlnzt und erst im Innenrum der Fhrgstzelle über die Lut n ds Ohr der Fhrgäste gelngt. Hierzu wurde, ubuend u die Arbeiten von Strycze et. l. [SR98] ein Verhren entwicelt, welches den Körerschllnteil und den Lutschllnteil m Gesmtgeräusch ermittelt. Dmit ist es uch möglich, den Lutschll im Inneren eines Fhrzeugs ür beliebige Schllelder im Außenbereich vorherzubestimmen. Weiterhin nn ds Verhren Aussgen über den Ort des Lutschlleintritts durch die Krosserie mchen und somit deren Schwchstellen uzeigen.. Gliederung der Arbeit Zunächst werden in dieser Arbeit Grundbegrie deiniert und ein umssender Überblic zum Stnd der echni ugezeigt. Die gängigsten Methoden und Verhren zur Anlyse und Berechnung des Fhrzeuggeräusches werden hier sortiert drgelegt. Im Anschluss wird die Idee der Simultion von Schlleldern in llgemeiner Form besrochen. Mehrere Berechnungsmethoden werden errbeitet und deren Wirungsweise miteinnder verglichen. Anhnd eines Modellversuchs werden die theoretischen Überlegungen überrüt. Im vierten Kitel wird ein Verhren zur Lolisierung von Schllquellen errbeitet. Ausgehend von den Überlegungen des vorngegngenen Kitels werden durch Schlleldsimultionen die Positionen der Quellen bestimmt. Ebenso wird die Wirungsweise dieses Verhrens nhnd eines Prinziversuchs getestet. Prtische Anwendungen inden diese theoretischen Überlegungen zunächst bei der Relisierung eines Verhrens zur Außengeräuschnlyse. Im ünten Kitel werden die einzelnen Entwiclungsschritte geschildert, wobei die vorngegngenen Überlegungen bei dieser Anwendung bestätigt werden. Die zweite Anwendung wird im sechsten Kitel beschrieben. Hier wird die Forschungs- und Entwiclungsrbeit zu einem Verhren der Innengeräuschnlyse doumentiert. Auch hier erweist sich die Leistungsähigeit der Schlleldsimultionen. Mit dem Hinweis u weitere Anwendungsmöglicheiten rundet der Ausblic diese Arbeit b.

9 K. rnserdnlyse 3. rnserdnlyse Die in der vorliegenden Arbeit entwicelten Verhren zur Simultion von Schlleldern bsieren u den Methoden der rnserdnlyse. Dzu soll in diesem Kitel der Stnd der echni ugezeigt und Begrie us dem Bereich der rnserdnlyse deiniert werden.. Ws versteht mn unter rnserdnlyse? Schllquellen sind ddurch chrterisiert, dss sie Schwingungen erzeugen, die sich über ein Medium usbreiten, um zu guter Letzt n ein Schllmessgerät zu gelngen. Als Schll bezeichnet mn dbei nur Schwingungen, die im Frequenzbereich zwischen 6 und 0000 Hz liegen, denn dnn sind sie nämlich vom menschlichen Ohr whrnehmbr [ABC89]. Dmit die Schwingungen gehört werden, müssen sie ußerdem über die Lut n ds menschliche Ohr übertrgen werden. Die Schwingungen müssen sich lso über einen bestimmten Weg von der Schllquelle zum Ohr hin usbreiten. Die Ausbreitungswege vom Sender zum Emänger nennt mn rnserde. Die Augbe der rnserdnlyse ist es, diesen vibro-ustischen Energieluss von einer oder mehrerer Quellen über verschiedene rnserde hinweg zu einem Emänger hin uzudecen. Soll ds Geräusch beim Emänger reduziert werden, so nn mn entweder n der Schllquelle selbst Mßnhmen zur Geräuschreduzierung einleiten oder die rnserde von der Schllquelle zum Emänger so modiizieren, dss u dem Weg ein höherer Verlust der Schllintensität utritt. Als Beisiel sei die Belstung einer Wohnung durch Strßenverehrslärm gennnt: Entweder werden die Autos Schllquellen leiser gemcht, oder mn schließt einch ds Fenster rnserd. Allerdings ist die Mßnhme des Fensterschließens nur dnn wirungsvoll, wenn ds Geräusch ttsächlich durch ds oene Fenster in die Wohnung eingedrungen ist, lso wenn es sich hierbei um den geräuschdominierenden rnserd gehndelt ht. Hingegen ist bei omlexeren Systemen us Schllquellen und rnserden, wie z.b. dem Innengeräusch eines Krthrzeugs, otmls eine detillierte Geräuschnlyse notwendig Abb..-. Geräuschquelle Geräuschquelle rnserd A rnserd B rnserd C Gesmtgeräusch beim Emänger Abbildung.-: Geräuschnlyse: Ds Geräusch bestimmter Schllquellen breitet sich über verschiedene rnserde zum Emänger hin us. Bei einer Geräuschnlyse untersucht mn die Geräuschnteile ller Geräuschquellen und deren rnserde. Schwingungen mit Frequenzen leiner ls 6 Hz bezeichnet mn ls Inrschll, bei über 0 KHz sricht mn von Ultrschll. Mn nn sich uch in einem nderen Gs oder unter Wsser uhlten, um zu hören. In der vorliegenden Arbeit wird jedoch immer von einem Menschen im Alltgsleben z.b. ls Verehrsteilnehmer usgegngen.

10 4 K. rnserdnlyse Otmls ist eine vollständige Geräuschnlyse nicht notwendig. Im Fll der strßenlärmbelsteten Wohnung nn der Einzelne n den Geräuschquellen sowieso nichts ändern. Die einzige Möglicheit, die Lärmbelästigung zu beämen, ist eine Veränderung der rnserde 3. Mn muss lso eine rnserdnlyse durchühren, um den Geräuscheintritt in die Wohnung nlysieren und eventuelle Undichtigeiten usüren zu önnen. Bei einer solchen rnserdnlyse stößt mn u zwei yen von rnserden: die Lutschll- und die Körerschlltrnserde. Augrund der Wichtigeit dieser Unterscheidung ür die weitere Arbeit sollen in den olgenden Unteriteln diese beiden rnserdtyen genuer deiniert werden... Lutschll Im Allgemeinen ist eine Geräuschquelle ein schwingender Körer, der die ihn umgebende Lut zu Schwingungen nregt. Die so entstehende Schllwelle lnzt sich in der Lut ort und versetzt schlussendlich den Schwingörer meist eine Membrn eines Messgerätes in Bewegung. Ds u diese Art detetierte Geräusch nennt mn Lutschll. Ein Geräusch wird uch dnn ls Lutschll bezeichnet, wenn es u dem Weg zwischenzeitlich in Körerschll umgewndelt wurde. Zur Vernschulichung dient ds Beisiel eines Wecers, der unter einer Glsgloce steht Abb..-: Abbildung.-: Ein Wecer dient ls Schllquelle und steht unter einer Glsgloce. Vgl. ext Selbst wenn die Glsgloce dicht bgeschlossen ist, hört mn ds Läuten des Wecers noch. Die Lut unter der Gloce wird nämlich in Schwingung versetzt, die schwingende Lut regt die Glsgloce zu Schwingungen n, die ihrerseits wieder die Lut ußerhlb der Gloce in Schwingung versetzt. So breitet sich die Schllwelle weiter us, bis sie ds Ohr erreicht. Evuiert mn hingegen die Glsgloce, so entsteht eine Schllwelle in der Umgebung des Wecers. Die Glsgloce wird dnn nicht mehr zu Schwingungen ngeregt und emittiert somit uch einen Schll in die Umgebung. Der Begri Lutschll bezieht sich in der vorliegenden Arbeit u ds erste eilstüc des rnserdes: wenn die sich in der Lut ortlnzende Schllwelle diret n den Quellen entsteht, so sricht mn von Lutschll. Dies wird im olgenden Unteritel gleich noch deutlicher. 3 Mn nn hier n eine Verbesserung der Fenster- und ürdichtungen denen. Vielleicht ist sogr eine Schwingungsisolierung des omletten Huses notwendig, um den Lärm durch schwere Fhrzeuge zu beämen.

11 K. rnserdnlyse 5.. Körerschll Im Gegenstz zum oben deinierten Lutschll, wird Körerschll nicht n der rimären Schllquelle über die Lut bgestrhlt. Wie der Nme schon sgt, breitet sich Körerschll zunächst in einem Körer us [CRE67]. Um im obigen Bild zu bleiben, wird eine Stnge zwischen Wecer und Glsgloce ngebrcht Abb..-3: Abbildung.-3: Der Wecer ist nun mit einer Stnge mit der Glsgloce verbunden. Über die Stnge wird die Glsgloce zusätzlich zu Schwingungen ngeregt. Auch wenn die Gloce evuiert ist, ist ds Klingelgeräusch des Wecers hörbr. Der vibrierende Wecer überträgt seine Schwingungen nun zusätzlich über die Stnge n die Glsgloce. Diese ängt wiederum zu schwingen n und emittiert ihrerseits Schllwellen in die Umgebung. Selbst wenn die Glsgloce evuiert ist, nn sich die Schllwelle über ds Medium Stnge usbreiten und die Gloce zu Schwingungen nregen. Die schwingende Gloce strhlt nun ihrerseits Schllwellen über die Lut nch ußen hin b. Obwohl letztendlich ds Messgerät wieder Schwingungen der Lut detetiert, sricht mn in diesem Fll von Körerschll, denn der Ort der ersten Lutschllwelle ist nicht identisch mit dem Ort der Schllquelle. Die Schllquelle dient qusi nur noch ls Vibrtor, der einen eriheren Körer zur Lutschllemission nregt. Dieser seundäre Lutschll wird ls Körerschll bezeichnet...3 Lut- und Körerschlltrnserde Bei vielen ustischen Problemen sind sowohl Lutschll- ls uch Körerschlltrnserde vorhnden. Eine rnserdnlyse nn hier zur Augbe hben, die Intensitätsverteilung der beiden Pde heruszuinden. An dem einchen System der nichtevuierten Gloce geht mn beisielsweise wie olgt vor:. Messung des Gesmtgeräusches mit der nichtevuierten Gloce. Hierbei werden beide Pde zusmmen gemessen.. Messung des Geräusches mit der evuierten Gloce. Der Lutschlltrnserd ist dbei unterbrochen, so dss der reine Körerschllnteil m Gesmtgeräusch gemessen wird. 3. Dierenzbildung us Gesmtgeräusch und Körerschllnteil lieert den Lutschllnteil m Gesmtgeräusch. An omlexeren Systemen, bei denen mehrere Quellen und weitere rnserde vorhnden sind, ist eine rnserdnlyse ot nicht so einch durchzuühren. In Kitel 6 ist ein Verhren beschrieben, ds solche rnserdnlysen m Beisiel des Innengeräuschroblems eines PKWs u eine elegnte Art und Weise möglich werden lässt.

12 6 K. rnserdnlyse. rnserdnlysemethoden Die Simultion von Schlleldern, wie sie in dieser Arbeit beschrieben wird, ist durch zwei Frgestellungen motiviert. Zum einen möchte mn die Zusmmensetzung des Außengeräuschs eines Krthrzeugs ermitteln, lso eine Art Geräuschquellennlyse durchühren Kitel 5, zum nderen möchte mn eine Innengeräuschnlyse bezüglich Lut- und Körerschll bzw. Lolisierung des Lutschlleintritts durchühren Kitel 6. In beiden Fällen untersucht mn dzu nur die Lutschlltrnserde. Im ersten Fll nn mn Körerschlltrnserde schlicht vernchlässigen, im zweiten Fll errechnet mn den Körerschllnteil us der Dierenz des Gesmtgeräusches und des Lutschllnteils. Anders ls beim Lutschllnteil, werden die einzelnen Körerschllübertrgungsde nicht nlysiert. Im Folgenden wird ein Überblic über bestehende rnserdnlysemethoden gegeben, wobei die Methoden zur Anlyse des Lutschlls entsrechend dem Gewicht der Arbeit etws usührlicher erläutert werden ls die Methoden der Körerschll-rnserdnlyse. Alle vorgestellten Methoden inden ihre Anwendung im Krthrzeugbereich. Zum einen sind Krthrzeuge die Hutgeräuschverurscher in Städten, zum nderen ist ds Automobil ein so weitverbreitetes, hochtechnologisiertes Produt, dss sehr viel Forschungsrbeit u diesem Gebiet investiert wird, ws die Automobilindustrie neben der hochsubventionierten Rüstungsindustrie zu einem Motor der Forschung und Entwiclung werden ließ... Körerschll-rnserdnlysemethoden Eine Schllwelle breitet sich in lüssigen und gsörmigen Medien nur ls Longitudinlwelle us, d.h. die Ausbreitungsrichtung ällt mit der Schwingungsrichtung zusmmen [GER93]. In Festörern hingegen tritt gleichzeitig eine zur Dehnungsrichtung quer gerichtete Kontrtion u, die ür ds Entstehen von rnsverslwellen verntwortlich ist. Ist der Festörer räumlich begrenzt, so treten zudem Biege- und Dehnwellen u [VEI85]. Neben den Mterileigenschten sielt somit uch die geometrische Form des Körers eine große Rolle beim Übertrgungsverhlten. Augrund dieser Viellt der Schllusbreitung entsteht ein omliziertes Schlleld.. Berechnung der Körerschlltrnserde: D es in der Ntur nichts geben sollte, ws mn nicht erlären, verstehen und letztendlich uch berechnen nn, sollte uch ein ustisches Übertrgungsverhlten eines Festörers berechenbr sein. Wie jedoch schon oben ngedeutet, sind die Mechnismen eines Körers so omlex, dss eine exte Berechnung nur ür einche geometrische Anordnungen wie Stäbe, Kreise, etc. möglich ist. Hier wendet mn ein ontinuierliches Modell n, der Körer wird lso nicht in viele leine Körer zerlegt, sondern ls Kontinuum behndelt [NEU7]. Sind die Geometrien omlexer, ist eine exte Berechnung qusi unmöglich. In diesem Fll muss mn sich immer nur mit Abschätzungen zurieden geben, die je nch Modell ml gut, ml weniger gut sind. Allen Verhren gemeinsm ist die Bildung eines örerseziischen Modells und die nschließende Berechnung der Schwingormen. Regt mn den Körer n einer Stelle zu Schwingungen n, so erhält mn die Antwort n einer nderen Stelle. Ds rnserverhlten wird ls Quotient us Antwort und Anregung deiniert: Antwort Anregung.- Als nichtontinuierliche Rechenmethode ür niederrequente Übertrgungen sei die der Mehrörersysteme MKS gennnt. Der Gesmtörer wird hierbei in mehrere Strrörer unterteilt. Jedem Strrörer wird dbei eine Msse zugeordnet und durch msselose Koel-

13 K. rnserdnlyse 7 und Bindungselemente mit den Nchbrörern verbunden. Als wichtiges Merml der MKS-Methode ist die Nichtverormbreit der einzelnen Körer und die Nichtlinerität der Koelelemente zu nennen. Während die Strrheit der Buteile eine Einschränung des Gültigeitsbereichs u den niederrequenten Bereich nch sich zieht, gilt die mögliche Nichtlinerität der Koelelemente ls Vorteil gegenüber nderen Methoden [BES94]. Vor llem im Krosseriebereich ist die Näherung strrer Körer nicht zetbel. Häuig wendet mn dnn die Finite-Elemente-Methode FEM [KLE00] n. Hier wird der Körer in viele leine Elemente unterteilt. Hinsichtlich der Art der Elemente gibt es eine große Viellt Quder, etreder, Keile, etc. [OCH95]. Aus den Stetigeitsbedingungen n den Rändern der einzelnen Flächen- bzw. Volumenelemente olgt letztendlich ein lineres Gleichungssystem mit unbennten Knotenwerten 4. Die Lösungen dieses homogenen Gleichungssystems sind die Eigenschwingormen und Eigenrequenzen des Gesmtsystems. Mn nn ntürlich uch erzwungene Schwingungen berechnen. Mn gibt lso den Druc n mindestens einem Knotenunt vor und löst ds so entstndene inhomogene linere Gleichungssystem. Aus dem Quotienten der Anregung und der Antwort des Systems n zuvor deinierten Punten nn mn die rnseruntion usrechnen. Die Zhl der Volumenelemente ist bei der FEM enorm groß, so dss die Erstellung eines Modells, sowie die Berechnung sehr mühsm und zeitintensiv ist. Im hochrequenten Bereich ist die Anzhl der Eigenschwingormen sehr groß, denn die Zhl der Moden steigt mit der Frequenz. Hier wird eine exte Betrchtung, wie sie z.b. bei der FEM vorliegt, zu uwendig. Eine sttistische Mittelung über mehrere Eigenschwingormen vereincht ds Problem und verürzt die Rechenzeiten. Die Idee der sttistischen Energienlyse, urz SEA, bsiert dbei u der Annhme, dss ds Vibrieren einer Strutur oder Schlleldes us den Resonnzen herrührt. Diese Näherung ist nur dnn orret, wenn die Zhl der Resonnzen groß ist, lso im hochrequenten Bereich.[CRI9] b Exerimentelle Methode zur Ermittelung der Körerschlltrnserde: Exerimentellen Methoden liegt in der Regel nicht so viel Verständnis ür ds Gesmtsystem zugrunde wie den theoretischen Methoden. Mn ermittelt zwr einige rnserde, ht ber immer noch eine Aussge über ds Gesmtsystem. Möchte mn hingegen schnell und vor llem sicher einen Erolg verbuchen, so ist eine Messung dennoch der geeignete Weg. Ist diese orret durchgeührt, so stimmt ds Ergebnis mit großer Whrscheinlicheit. Grundvorussetzung ist ntürlich ds Vorhndensein eines Messobjetes. Dies zu erhlten nn in einem rühen Fhrzeug-Entwiclungsstdium schwierig sein, denn bis der erste Prototy gebut ist, sind meist schon viele Entwiclungsschritte begngen und Entscheidungen getroen worden. Bei der Messung eines Körerschlltrnserdes benötigt mn m Anng und m Ende des Pdes je einen Beschleunigungsunehmer B-Aunehmer 5. Es nn uch ein Miroon m Ende des rnserdes z.b. m Fhrerohr verwendet werden. Ein interessnter rnserd önnte z.b. von der Rduhängung zur Sitzleiste eines PKWs oder zum Fhrerohr sein. Mit einem Imulshmmer wird dnn n der Rduhängung in unmittelbrer Nähe des Quellen-Beschleunigungsunehmers ngeschlgen. Die Übertrgungsuntion ergibt sich us dem Quotienten der Signle der beiden Sonden. Ermittelt mn nun noch zusätzlich die Erregerrt bei Betrieb, so nn mn ds Übertrgungsverhlten mit der Anregung beuschlgen und erhält so die Betriebsbelstung des rnserdes m Emänger. Mit dieser Methode ermittelt mn zwr mit großer Genuigeit ds Übertrgungsverhlten der beiden Stellen zueinnder, über den Weg dzwischen wird hingegen nichts bennt. 4 Als Knoten werden die Verbindungen zwischen den einzelnen Volumenelementen bezeichnet. 5 Beschleunigungsunehmer erzeugen dnn eine Snnung, wenn sie in eine Richtung ositiv oder negtiv beschleunigt werden. Z.B. [MÖS94]

14 8 K. rnserdnlyse In der Fhrzeugindustrie wird ot uch eine ndere Methode ngewndt. Dbei wird zuerst ds luende Fhrzeug gemessen. Dnch werden einzelne Körerschllbrücen bgebut, so dss die möglichen rnserde unterbrochen sind. Hierbei werden die Eigenschten der rnserde gewichtet mit dem Anregungsgeräusch untersucht, ws im Hinblic u die Geräuschreduzierung die eetivere Methode ist. D die rennung der einzelnen Schllverurscher vom Gesmtsystem eine externe Beestigung benötigt, nennt mn diese Methode uch die Fremdlgerung. Ht mn lle Körerschllbrücen unterbrochen, lso den gesmten Antriebsstrng von der Krosserie bgeoelt, so misst mn in der Fhrgstzelle nur noch den Lutschllnteil. Durch Fremdlgerung ist somit uch eine rennung von Lutund Körerschll im Fhrzeuginnenrum möglich. [KLI88] c Exerimentell-rechnerische Körerschlltrnserdnlyse: Neben den rein rechnerischen und der exerimentellen Methode gibt es eine Vielzhl von Verhren, die mit exerimentell ermittelten Dten ihre Berechnungen seisen z.b. [SR94]. Eine Methode mit reltiv wenig Rechenuwnd ist die Schllwegnlyse: Dbei werden im ersten Schritt neben dem Schlldruc m Fhrerohr die Schwingwege n den Aggregtlgern im Betrieb gemessen. Im zweiten Schritt wird im Lbor ds Übertrgungsverhlten der Aggregtlger gemessen. In einem dritten Schritt werden dnn noch die Übertrgungswege der Krosserie von den Lgern zum Fhrerohr gemessen z.b. mit dem Imulshmmer. Gewichtet mn nun die Schwingwege der Aggregte Motor, Ausu, etc. mit dem Übertrgungsverhlten der Krosserie und dem Übertrgungsverhlten der Lger und summiert über lle Körerschllwege, so erhält mn einen Gesmtegel im Innenrum des Fhrzeugs. Dieses Ergebnis sollte dnn mit einem gemessenen Körerschllegel siehe Fremdlgerung übereinstimmen. [KLI88] Eine weit verbreitete und rechnerisch uwendigere Methode ist die Modlnlyse. Grundlge hierür ist ein mthemtisch-hysilisches Modell in Form eines lineren Mehrmssenschwingers mit endlich vielen Freiheitsgrden. Dieses Modell lässt sich durch eine Anzhl miteinnder geoelter Dierentilgleichungen zweiten Grdes beschreiben, deren Lösungen die Eigenwerte Resonnzrequenzen und Eigenormen Resonnzschwingormen oder Moden ergeben. Die Modellrmeter werden us Messwerten gewonnnen. Dbei werden etliche B-Aunehmer m Fhrzeug montiert und sämtliche Übertrgungsuntionen H i zwischen der m Ort ngreienden Krt F und der m Ort i gemessenen Beschleunigung i ermittelt. Andererseits wird ür die Übertrgungsuntionen ein mthemtischer Anstz erstellt: H i i F A ω n jr r ω ω r jε ωω r r.- Dbei bedeuten ω π, ω r die Eigenrequenz der Eigenorm mit Index r,...n, ε r die Dämung der r-ten Mode und A ir ein Normierungstor. Die Übertrgungsuntion wird lso ls eine Linerombintion von Eigenschwingormen drgestellt. Die Unbennten ω r, ε r und A ir müssen durch einen rechnerischen Algorithmus den Messwerten ngesst werden, so dss ds Fehlerqudrt bestehend us gemessener und simulierter Übertrgungsuntion minimiert wird [MÖS95], [KLI88].

15 K. rnserdnlyse 9.. Lutschll-rnserdnlysemethoden. Berechnung der Lutschlltrnserde: Eine Schllquelle im Koordintenursrung erzeugt in einem Punt des Rumes mit den Koordinten r,ϕ,ϑ ds Schlldrucqudrt r,ϕ,ϑ [SCH95]: ρc r, ϕ, ϑ P r 4π.-3 dbei wurden olgende Bezeichnungen gewählt: Schlldruc, ρc Wellenwiderstnd der Lut, r,ϕ,ϑ Kugeloordinten, P bgestrhlte Schllleistung. Hier ist mn von einem verlustreien, homogenen Medium und einer ungerichteten Schllquelle usgegngen. Für eine gerichtete Schllquelle muss mn nstelle der Schllleistung P die in die gesuchte Richtung ϕ,ϑ bgestrhlt Leistung P einsetzen: ϕ, ϑ P ϕ, ϑ P ϕ, ϑ 4π Ω.-4 Mit Ω wird dbei der Rumwinel bezeichnet. Der Fll des homogenen Rumes ist st nirgendwo relisiert. Lediglich in sogennnten Freieldräumen nn mn mittels schllbsorbierenden Wänden nnähernd solche Bedingungen erzielen. Im Fll eines Krthrzeugs ls Schllquelle geht mn meist von einem Semi-Freield us, d.h. es gibt einen Boden, der schllreletierend wirt Abb..-. Dmit wird der Sitution einer Strße u reiem Feld Rechnung getrgen. Quelle Emänger α α Abbildung.- Ds Geräusch der Schllquelle wird diret n den Emänger übermittelt. Zusätzlich wird ein m Boden reletiertes Signl emngen. Der Boden ht einen Schllbsortionsgrd von α B und somit einen Relexionsgrd von ρ - α B. Ddurch erhält mn m Emänger den qudrtischen Schlldruc: α c 4π ρc P B P r, r, ϕ, ϑ r 4π r.-5 Dieser einchen Betrchtung liegt älschlicherweise eine inohärente Addition der beiden Schlldrüce zugrunde. Nur ür große Höhen oder große Schllbsortionsgrde α B hndelt es sich hier um eine gute Näherung. D beide Strhlengänge von ein und derselben Quelle stmmen, sind sie usl voneinnder bhängig, d.h. mn muss sie hsengerecht ddieren. Dbei nn es sowohl zu einer Überhöhung des Pegels, ls uch zu einer totlen Auslöschung ommen. Addiert mn die beiden eilstrhlen ohärent, so muss mn zuerst den requenz-

16 0 K. rnserdnlyse bhängigen Phsenunterschied ϕ us dem Wegunterschied s r r der beiden eilstrhlen berechnen: s s ϕ π π λ c.-6 wobei c Schllgeschwindigeit in Lut 334m/s, λ die Wellenlänge und die Frequenz ist. Kohärent ddiert erhält mn dnn nstelle.-5 die Gleichung.-7: r, r, ϕ, ϑ, ρc P r 4π α P B e i ϕ 4π r c.-7 Vergleicht mn die Gleichungen.-5 und.-7 so erennt mn, dss mn im orreten, lso ohärenten Fll mximl einen um 3 db höheren Schlldrucegel erzielen nn, ls im inohärenten Fll 6. Beträgt hingegen der Phsenunterschied 80, so nn es sogr zur totlen Geräuschuslöschung ommen. Die Kenntnis über die heorie der Schllusbreitung ist ür ds ustische Verständnis und ür schnelle Abschätzungen sehr hilreich und unerlässlich. Geht es hingegen um rele, ngewndte Probleme, so werden die betrchteten Systeme schnell so omlex, dss eine sinnvolle Berechnung nicht mehr durchzuühren ist. Die Lutschlltrnserde ür ds Fhrzeuginnengeräusch sind ugrund der Komlexität der Krosserie unberechenbr. Die Berechnung der rnserde ür ds Fhrzeugußengeräusch [SHI80] scheint hingegen eincher zu sein, erweist sich ber ür so omlexe Schllquellen wie Fhrzeuge ls schwierig. So viele Prmeter, wie Wind, emertur, Luteuchtigeit, etc. [HAS79], [JOR9] verändern ds Übertrgungsverhlten und ühren zu veränderten Messwerten, die in der Berechnung nur mit einem bestimmten Fehler behtet nchvollzogen werden önnen. Geht mn hingegen über, ds rnserdverhlten im reien, nicht genormten Gelände zu berechnen, so wird die Anzhl der Näherungen so groß, dss die Ergebnisse nichts mehr mit der Relität zu tun hben [LEE00]. Im Allgemeinen ommt mn bei rnserdnlysen mit einer suberen Messung schneller und sicherer ns Ziel. b. Messung der Lutschlltrnserde: Bei der Messung der Lutschlltrnserde benötigt mn eine Schllquelle und einen Emänger. Die Abstrhlung der Schllquelle muss bennt sein, meist wird sie in unmittelbrer Nähe mit einem Miroon gemessen. Der Emänger besteht ebenlls us einem librierten Miroon. Dämmungsmessungen werden z.b. u diese, in Abbildung.- sizzierte Art und Weise durchgeührt [KLI88]. Arbeitet mn mit einer normierten Schllquelle, so ist ds Miroon in Abb..- nicht notwendig, insbesondere dnn nicht, wenn mn nur zwei Prülinge miteinnder vergleicht und n dem Absolutwert der Dämmung nicht interessiert ist. Abgesehen von Messungen in den Dämmungsrüständen, werden Lutsrecherbeschllungen uch häuig im Fhrzeug durchgeührt. Z.B. nn mn, wie in Kitel 5.5 beschrieben den Motor durch einen oder mehrere Lutsrecher ersetzen, mit dem Ziel, die rnseruntionen in den Innenrum oder in den Außenbereich des Fhrzeugs zu messen. [NIS95] 6 dies erzielt mn im Grenzll α B 0 und r r. Ein um 3dB höherer Schlldruc bedeutet eine Verdoelung des qudrtischen Schlldrucs.

17 K. rnserdnlyse Abbildung.- Prinziieller Aubu eines Prüstndes zur Beurteilung schlldämmender Buteile. [KLI88] Ot ist es schwierig, einen Lutsrecher ls Sender n die Stelle der Geräuschquelle zu bringen um den rnserd uszumessen. Arbeitet mn mit genormten Geräuschquellen, so nn mn hier uch ndersherum verhren. Mn stellt die Beschllungsquelle n den Ort des Emängers und bringt ein Miroon in die Nähe der Quelle. Dieses reziroe Messverhren eignet sich besonders ür Geräuschquellen n schwer zugänglichen Stellen [LIN96]. c. Exerimentell-rechnerische Lutschlltrnserdnlyse: Lutschlltrnserde werden bei st llen Geräuschnlyseverhren gemessen. Dbei wird ein Lutsrecher m Anng und ein Miroon m Ende des rnserdes verwendet. In einem bei BMW entwicelten Verhren geht mn hingegen einen nderen Weg. Ziel des Verhrens ist es, den Lutschlleintritt in die Krosserie zu einem Punt in der Fhrgstzelle zu ermitteln. Dzu werden etliche Miroone,,...,K um die Fhrgstzelle herum ugebut. Zudem wird n den normierten Messunten [ISO84] in der Nähe der Ohren der Fhrgäste je ein Miroon m,,...,m ltziert. Mit wenigen Lutsrecherbeschllungen im Außenbereich des Fhrzeugs werden rnseruntionen,j vom Lutsrecher zu sämtlichen Miroonen gemessen. ußen ußen, LS ußen mit, l,,,..., K; l,,..., L LS l innen, LS innen m m, l, m,,..., M ; l,,..., L LS l innen mit Dbei ist mit l LS ein Prmeter ür die Anregung des Lutsrechers n der Beschllungsosition l,,...,l bezeichnet. Durch geschictes Invertieren der so gemessenen rnsermtrizen entsteht eine Mtrix, deren Einträge ein Übertrgungsverhlten von jedem Außenmiroon zu llen Innenmiroonen drstellt [SR98]. D die Mtrizen nicht qudrtisch sind, muss nstelle der Inversern, die Pseudoinverse siehe Anhng A genommen werden. innen inv ußen.-0

18 K. rnserdnlyse Ein weiterer Schritt besteht drin, ds Betriebsgeräusch ußen zu ermitteln. Beuschlgt mn die rnserde mit den entsrechenden Geräuschen, so nn mn ortsugelöst u den ttsächlichen Schlleintritt während des Betriebes schließen. Diese Methode ist die Grundlge der vorliegenden Arbeit. Sie wird im olgenden Kitel 3 Simultion von Schlleldern detillierter besrochen. Zudem werden Möglicheiten zur Verbesserung und Erweiterung dieser Methode errbeitet. Bsierend u diesen Überlegungen wird eine Anwendung u den Fll des Außengeräusches Kitel 5 vorgestellt. Aubuend u den Überlegungen im Kitel 3 wird in Kitel 6 ds Innengeräuschverhren von Strycze et. l. [SR98] neu ormuliert, nlysiert und mit vielen Verbesserungen zu einem untionierenden Verhren umgestltet.

19 K. 3 Simultion von Schlleldern 3 3. Simultion von Schlleldern Im vorngegngenen Kitel wurden Verhren zur Messung und zur Berechnung von rnserden beschrieben. Dbei wurden sowohl Körerschll- wie uch Lutschlltrnserde berücsichtigt. Schließlich wurde ein exerimentell-rechnerisches Verhren, welches bei der BMW Grou in München usgedcht wurde, vorgestellt [SR98]. Die Weiterührung der Entwiclung, die Umsetzung dieser Überlegungen hin zu einer nwendbren echnien sowie ein drus bgeleitetes Verhren zur Schllquellendetetion sind Inhlte dieser Arbeit und werden in den olgenden Kiteln doumentiert. Der grundsätzliche Verhrensblu beinhltet zum einen Messungen, zum nderen eine rechnerische Otimierung. Ds grundlegende mthemtisch-hysilische Modell wird in diesem Kitel errbeitet. Ausgehend von den Überlegungen in [SR98], die in Kitel 3. usührlich drgelegt werden, wird in Kitel 3. ein Prinziversuch zur Überrüung ller heorien vorgestellt. Anschließend werden verbesserte Otimierungsverhren errbeitet und gg. nhnd des Prinziversuchs disutiert. Ds Ergebnis ist ein inles Berechnungsmodell zur Simultion von Schlleldern, ds sowohl ohärente ls uch inohärente Quellen berücsichtigt und zugleich den Fehler der Simultion u ein Minimum reduziert. 3. Aunhme und Rerodution von Schlleldern Die grundlegende Idee ist die virtuelle Rerodution von Schlleldern. Dzu ist es erst einml notwendig ein reles Schlleld zu erzeugen und uzunehmen. Dies geschieht m besten in einem ustischen Schllmessrum mit schllbsorbierenden Wänden. Im Rum werden Miroone,,...,K ugestellt, so dss die räumliche Chrteristi des Schlleldes ugenommen werden nn. Im Fll des Fhrzeugs ls Geräuschquelle nn dies je nch Frgestellung um die Fhrgstzelle herum sein Innengeräuschverhren, entlng einer Linie rllel zum Fhrzeug Außengeräuschverhren oder gleichmäßig im Rum verteilt. Abb. 3.- Abbildung 3.-:.Schritt: Aunhme des Schlleldes: Eine omlexe Schllquelle, bestehend us mehreren eilschllquellen, wird im Betrieb vermessen. Miroone sind etw gleichmäßig im Rum verteilt, so dss ds Schlleld eine chrteristische Schlldrucegelverteilung n den Miroonen hervorrut.

20 4 K. 3 Simultion von Schlleldern Im ersten Schritt wird ds Betriebsgeräusch n llen Miroonen..K ugezeichnet und ls Schlldrucsetren bgeseichert: Betrieb..K 3.- Der zweite Schritt ist ebenlls messtechnischer Ntur: Ds Betriebsgeräusch wird bgeschltet, die Schllquelle selbst bleibt jedoch m selben Ort stehen. Mit einem Lutsrecher 7 werden nun ncheinnder mehrere Positionen l,,...,l im Rum beschllt Abb Abbildung 3.-:.Schritt: Beschllung n mehreren Positionen: Die Originlschllquelle ruht und mit einem Lutsrecher werden ncheinnder verschiedene Positionen ngehren. Der Lutsrecher wird mit Ruschen beuschlgt und die rnseruntion wird von jedem Beschllungsunt zu jedem Miroon gemessen siehe ext. Der Lutsrecher wird mit weißem oder ros Ruschen beuschlgt. Die Anregung 8 l Beschllung des Lutsrechers wird ugezeichnet. Der Quotient us den gemessenen Pegeln n den Miroonen und der Anregung des Lutsrechers ergibt eine rnseruntion von jeder Lutsrecherosition l zu llen Miroonen. Beschllung, l,...,k, l,...,l Beschllung l 3.- Die Schlldrucsetren und die Setren der Lutsrechernregungen sind omlexe Größen. Somit sind die Einträge,l der rnserdmtrix uch omlex. Für K L ist die Mtrix nicht qudrtisch und dher nicht invertierbr. 7 Anstelle eines Lutsrechers nn mn uch eine ndere Schllquellenrt verwenden. Ds bgestrhlte Geräusch muss jedoch sehr breitbndig sein, so dss bei jeder Frequenz im untersuchten Frequenzbnd Schll bgestrhlt wird. 8 In [SR98] wird die Membrnbeschleunigung des Lutsrechers mit einem Beschleunigungsunehmer ls Prmeter ür die Anregung genommen. Mn nn uch die Snnung m Lutsrecher oder ein Miroon im Nheld des Lutsrechers nehmen.

21 K. 3 Simultion von Schlleldern 5 Der dritte Schritt beinhltet die Simultion, lso die rechnerische Rerodution des im ersten Schritt gemessenen Schlleldes. Gednlich steht n jeder Beschllungsosition gleichzeitig ein Lutsrecher und mn versucht ds Ensemble von Lutsrechern so nzuregen, dss ds im ersten Schritt gemessene Betriebsschlleld wieder entsteht. Ein virtueller Zuhörer sollte lso nicht mehr unterscheiden önnen, ob ds Lutsrecherensemble tiv ist oder die Originlschllquelle in Betrieb ist. D dies jedoch messtechnisch sehr schwer zu relisieren wäre, simuliert mn ds Schlleld m Comuter. Dzu errechnet mn die notwendigen Lutsrechernregungen ür jeden Lutsrecher um ds Betriebsschlleld zu reroduzieren. Ds Betriebsschlleld ist lso dnn orret simuliert, wenn olgendes Gleichungssystem erüllt ist:,,,,,,,,, L L K K K Betrieb K L L Betrieb L L Betrieb Ds Gleichungssystem ist requenzbhängig, d.h. ür jede Frequenzstützstelle wird ein neues Gleichungssystem ugestellt. Es gibt so viel Gleichungssysteme wie Frequenzstützstellen berücsichtig werden. Zudem sind lle Größen in omlex. Schreibt mn ds Gleichungssystem ür den Relteil und den Imginärteil getrennt u, so hndelt es sich hier um ein lineres Gleichungssystem mit K Gleichungen und L Unbennten. In [SR98] ist es so, dss die Zhl der Miroone K, ws der hlben Zhl der Gleichungen entsricht, größer ist ls die Zhl der Beschllungsositionen L. Ds Gleichungssystem ist lso überbestimmt und ht somit in der Regel eine exte Lösung. Will mn ds System dennoch lösen, so sollte jedoch wenigstens der dbei entstehende Fehler minimiert werden. Dzu schreiben wir ds Gleichungssystem in Vetororm: Betrieb D 3.-4 nicht ext lösbr ist, wird zwischen der rechten und der linen Seite eine Dierenz r stehen bleiben: Betrieb r Die Lösung des Gleichungssystems indet mn nun durch Minimierung des Restehlers r. Unter Minimierung versteht mn dbei die Minimierung des Fehlerqudrtes: min r K r r Dnn ist r orthogonl zu llen Slten von Beweis in Anhng A. Mit 3.-5 ergibt sich somit olgende Bedingung: 0 Betrieb r Eine Umormung von 3.-7 ergibt ein ext lösbres Gleichungssystem: Betrieb

22 6 K. 3 Simultion von Schlleldern Die Lösung erhält mn durch Invertieren der qudrtischen Mtrix : - Betrieb 3.-9 Für den Ausdruc [MÖL97]: - ht mn den Nmen Pseudoinverse deiniert inv Mit 3.-0 nn mn 3.-9 eincher schreiben: Betrieb inv 3.- Ziel der Berechnung wren j die Lutsrechernregungen, die notwendig sind, um ds im ersten Schritt gemessene Betriebsgeräusch mittels Lutsrecher zu reroduzieren. Diese Anregungen werden hier durch einige Mtrixtrnsormtionen berechnet, die mn im Symbol der Pseudoinversen zusmmenssen nn. Ds so berechnete simulierte Betriebsgeräusch Simu Simu 3.- entstnd durch ohärente Überlgerung der Lutsrecher. So sind sowohl die Beträge ls uch die Phsen des Betriebsschlleldes reroduziert worden. Bei der Lösung des Gleichungssystems ht mn die qudrtische Dierenz zwischen simuliertem und gemessenem Schlldruc summiert und minimiert. Problembetrchtung: Die von Strycze et. l. [SR98] sizzierte Methode der Schlleldsimultion verbirgt einige Schwchstellen, u die zunächst umersm gemcht wird. Im weiteren Verlu dieses Kitels werden dzu Lösungsvorschläge errbeitet, die einen tieeren Einblic in die Mterie notwendig werden lssen. Insbesondere werden hier lterntive Berechnungsverhren errbeitet, die ds simulierte Schlleld dem relen Schlleld ähnlicher werden lässt. Die Wirungsweise der ugezeigten Alterntiven wird ußerdem nhnd eines Prinziversuchs vernschulicht. Zur Übersicht werden olgend die wichtigsten ritischen Punte ngesrochen und deren Lösung ngedeutet. Im weiteren Verlu dieses Kitels wird dnn u jede Frgestellung genuer eingegngen und gg. Lösungsnsätze disutiert. In der Abbildung 3.-3 ist der weitere Verlu des Kitels usizziert. Lge der Beschllungsositionen: Die Schlleldsimultion untioniert umso besser, je näher die Beschllungsquellen n den Originlquellen sitzen. Mthemtisch gesrochen sollten die gemessenen rnseruntionen Eigenvetoren des gemessenen Betriebsschlleldes sein. Nur dnn indet mn geeignete Lutsrechernregungen um Linerombintionen bilden zu önnen. Ein Verhren zur otimlen Auswhl der Lutsrecherositionen, ws uch ls Verhren zur Auindung von eilschllquellen, lso zur Ortung von Schllquellen interretiert werden nn, wird im vierten Kitel vorgestellt.

23 K. 3 Simultion von Schlleldern 7 b Anzhl der Beschllungsositionen: Die Anzhl der Beschllungsositionen sielt eine wichtige Rolle. Wie schon unter gennnt, sollten die Beschllungsquellen in unmittelbrer Nähe der eilschllquellen sein um den Eigenrum des Betriebsschlleldes usnnen zu önnen. Es sind lso mindestens soviel Beschllungsositionen wie eilschllquellen notwendig. Geht mn hingegen soweit, dss die Anzhl der Lutsrecher gleich der Anzhl der Miroone ist, so lässt sich ds liner Gleichungssystem im ohärenten Fll 3.-3 ext lösen. Ds simulierte Schlleld ist dnn scheinbr gleich dem gemessenen Schlleld. Wie es sich erwiesen ht, ist dies ber nur n den Stellen der Fll, n denen die Miroone ltziert sind. Misst mn z.b. mit einem zusätzlichen Miroon, so ermittelt mn erhebliche Abweichungen. Au diese Problemti wird um Unteritel 3.5 hingewiesen. c Kohärenz und Inohärenz: Die nheliegendste Schlleldsimultion, wie sie uch in [SR98] vorgestellt wurde, ist die ohärente Überlgerung der Lutsrecher. Die scheinbr guten Ergebnisse bei der Schlleldsimultion bergen die Gehr eines räumlich inhomogenen Schlleldes. So ist es vor llem bei Verwendung einer großen Anzhl von Lutsrecherositionen besser, inohärent zu rechnen. In diesem Fll önnen eine Auslöschungseete utreten, ws ds Schlleld räumlich homogen werden lässt. Siehe K. 3.5 Die eilschllquellen einer Schllquelle önnen ohärent oder inohärent zueinnder sein. Wählt mn idelerweise die Orte der Beschllung so, dss sie mit den Orten der eilschllquellen zusmmenllen, so sollten sich uch die Lutsrecher zueinnder entsrechend ohärent oder inohärent verhlten. Dieser Problemti wird in der Austellung des Gleichungssystems Rechnung getrgen. Es gibt den Fll der ohärenten Quellen, der inohärenten Quellen und die Mischung beider Fälle. Im Unteritel 3.3 werden lle Möglicheiten erörtert und die entsrechenden Gleichungen hergeleitet. d Geeignete Lösung des Gleichungssystems: Neben der Problemti der Austellung des geeignetsten Gleichungssystems ist die Lösung des Systems ein zusätzlicher Aset der besondere Aumersmeit verdient. Die Herleitung der Pseudoinversen bsiert u dem Gednen der Minimierung der qudrtischen Dierenz der rechten und linen Seite. Rechnet mn mit inohärenten Beschllungsquellen ist die Linerität des Gleichungssystems jedoch nicht gegeben. Hier muss ein Otimierungsverhren zur Minimierung des Fehlers ngewndt werden. Ein zweiter Punt ist die Auswertung der Simultionsergebnisse: hier werden logrithmierte Schlldrüce in Form von Dezibel db betrchtet. Die qudrtische Fehlerotimierung des Schlldruces ührt hier zu Verzerrungen u der db-sl. Dieser hemti widmet sich ds Unteritel 3.4.

24 8 K. 3 Simultion von Schlleldern Messung einer omlexen Schllquelle K Virtuelle Rerodution Simultion des gemessenen Schlleldes Zuss. in K. 3.6 Beschllung n geeigneten Positionen mit ideler Anzhl von Lutsrechern. K. 4 und K. 3.5 Otimle Lösungsmethode ür ds Gleichungssystem K. 3.4 Austellen des richtigen Gleichungssystems K. 3.3 Abbildung 3.-3 Schemtische Drstellung der Problembehndlung bei der llgemeinen Schlleldsimultion. 3. Prinziversuch Zur Vernschulichung und zur schnellen Überrüung der olgenden Überlegungen wurde ein Prinziversuch durchgeührt. Dbei wurde eine Qusi-Puntschllquelle, relisiert durch einen Lutsrecher, der u dem Rücen liegend ein ugelörmiges Schlleld erzeugt, in der Mitte eines Semireieldrumes 9 ltziert. Insgesmt 34 Miroone wurden symmetrisch entlng zweier Linien im Abstnd von 0m ugestellt. Abb. 3.- Abbildung 3.-: Schemtischer Aubu des Prinziversuchs zur Untersuchung der Wirungsweise der verschiedenen Berechnungsmethoden. Die Miroonreihen sind jeweils 5 m zur Beschllungsreihe rllelverschoben. Die Miroone jeder Reihe sind u einer Länge von 6 Metern verteilt. 9 Ein Semireieldrum ht schllbsorbierende Wände und Decen, der Boden hingegen ist schllhrt, so dss der Sitution einer Strße im reien Feld Rechnung getrgen wird. Vgl. K

25 K. 3 Simultion von Schlleldern 9 Ds Betriebsschlleld Betrieb entsteht durch Anregung des Betriebslutsrechers mit Ruschen. Im zweiten Schritt werden entlng einer Linie in der Mitte des Rumes Beschllungen durchgeührt. Der Abstnd der insgesmt 6 Beschllungsositionen beträgt 0 cm. Als erste Anwendung des Prinziversuchs testen wir ds Simultionsrinzi us [SR98]. Um ds Betriebsgeräusch zu reroduzieren werden nur 5 Beschllungsositionen im Abstnd von je einem Meter verwendet. Keine Beschllungsosition ist mit der Position der Betriebsquelle identisch. In der Abbildung 3.- ist ds Betriebsgeräusch und ds simulierte Geräusch entlng einer Miroonlinie sizziert. Dbei wurde der Summenegel von 00Hz bis 000Hz berechnet. Mn erennt eine Dierenz von - db, die us dem Otimierungsrinzi der Pseudoinversen herrührt. In den olgenden Unteriteln wird ds Zustndeommen dieser großen Dierenz erörtert und Wege zur Lösung des Problems ugezeigt. Abbildung 3.-: Betrieb und Simultion entlng einer Messreihe mit der Methode der Pseudoinversen berechnet. Wenn im Folgenden Ergebnisse räsentiert werden, bsieren sie u den Messungen zu diesem Prinziversuch. Erst in den Anwendungsiteln ün und sechs werden dnn omlexere Schllelder m Fhrzeug simuliert. Ds Simultionsrinzi bleibt dnn jedoch gleich. 3.3 Gleichungssystem zur Simultion von Schlleldern Ds simulierte Geräusch ist eine Suerosition us Beiträgen der einzelnen Lutsrecher bzw. Lutsrecherositionen. Physilisch betrchtet werden Schlldrüce zu einem simulierten Gesmtgeräusch ddiert. Schlldrüce nn mn j hsengerecht, lso ohärent, oder energetisch, lso inohärent, ddieren. Dies hängt dvon b, ob die eilgeräusche usl bhängig sind und somit eine este Phsenbeziehung zueinnder hben oder nicht. Wind- oder Zischgeräusche sind z.b. inohärent, d die geräuschverurschenden leinen Wirbel soort wieder breißen 0. Als Beisiel betrchten wir die Addition zweier Schlldrüce mit gleicher Amlitude: 0 Ein Anlogon us der Oti ist der Lser und die Glühbirne. Während der Lser ohärentes Licht erzeugt, bricht die Lichtwelle der Glühbirne soort wieder b. Die Kohärenzlänge ist so lein, dss mn qusi ein Kohärenzeet erzeugen nn, weshlb mn bei der Glühbirne von inohärentem Licht sricht.

26 0 K. 3 Simultion von Schlleldern Kohärente Addition: iϕ iϕ Gegeben seien zwei Schlldrüce: e, e, wobei. Die Phse ϕ ist ls Absolutwert nicht deiniert. Interessnt ist nur eine reltive Phse bezüglich einer Reerenz. D nur Schlldrüce vorhnden sind, setzen wir obda ϕ 0. Dnn ddieren sich die beiden Schlldrüce wie olgt: e e iϕ iϕ 3.3- Im Flle der onstrutiven Intererenz, lso der ositiven Überlgerung der beiden Schllwellen, entsteht der doelte Schlldruc. Dzu muss der Phsenunterschied ϕ beider Wellen genu 0 bzw. 360 betrgen. Beläut sich der Phsenunterschied hingegen u 80, so ommt es zur destrutiven Intererenz, lso zur Auslöschung. Der entstndene Schlldruc beträgt dnn ttsächlich 0 P es ist dnn nichts zu hören. D sich die Werte der Schlldrüce von üblichen Geräuschen über mehrere Größenordnungen erstrecen, ist die Hndhbung von Schlldrucegeln günstiger. Eine ohärente Überlgerung zweier gleichhsiger, gleichstrer Schllwellen ührt zu einer Pegelerhöhung um 6 db: L 0 log 0 log 0 L 0 log L db wobei 5 P beträgt. 0 0 Inohärente Addition: Bei der energetischen Addition werden die Betrgsqudrte der beiden Schlldrüce ddiert. Hierbei entllen die Phseninormtionen der beiden Schllwellen: Der Schlldruc erhöht sich unbhängig von der Phsenlge um eine Pegelerhöhung um 3 db:. In db ergibt sich so L 0 log L 0 log 0 0 L db Für inohärente Geräuschquellen gilt olglich: Eine Verdoelung der Geräuschquellen ührt zu einer Pegelnhebung um 3 db. Eine Schllquelle nn uch so vielältig sein, dss sowohl ohärente ls uch inohärente eilschllquellen zum Gesmtgeräusch beitrgen. Dem so entstehenden Gesmtgeräusch nn mn jedoch eine este Phse mehr zuweisen. Möchte mn dennoch ein weiteres, bezüglich mindestens einer Quelle ohärentes Geräusch hinzuddieren, so müsste mn die ohärenten und inohärenten Anteile weiter einzeln betrchten. D es sich beim Krthrzeug um eine äußerst omlexe Schllquelle hndelt, die us mehreren eilschllquellen besteht, die zudem sowohl ohärent ls uch inohärent zuein- Zudem ist ds menschliche Eminden logrithmischer Ntur. Nicht nur der Schlldruc, sondern uch die Lichtintensität wird logrithmisch emunden. Die Phsenlge ist hier eigentlich gr nicht deiniert.

27 K. 3 Simultion von Schlleldern nder sein önnen, önnen hier lle gennnten Fälle utreten. Zur Simultion eines solchen omlizierten Schlleldes werden dher in den olgenden Unteriteln lle möglichen Gleichungssysteme ugestellt Kohärente Betrgsmethode Als erste ohärente Methode sei die Methode der Pseudoinversen gennnt. Sie wurde schon im Kitel 3. vorgestellt, wobei ds Prinzi us [SR98] in verllgemeinerter Form drgestellt wurde. In der Prxis zeigt sich jedoch schnell, dss diese Methode reltiv schlecht untioniert Abb. 3.-, ws n der Otimierung der Phsenlgen liegt. Die Phsen werden nur bei der Beschllung gut gemessen, im Betrieb hingegen werden Phsen schlecht ugezeichnet, bzw. ugrund inohärenter Quellen ergeben die ugezeichneten Phsen einen Sinn. Außerdem önnen die Pegel und die Phsen gleichzeitig nie richtig otimiert werden, wenn sich die Lutsrecher nicht n den Positionen der relen Quellen beinden. Um hier eine Verbesserung zu erzielen, otimiert mn nicht die Beträge und die Phsen, sondern nur die Beträge. Die ohärente Überlgerung der Lutsrecher wird hingegen schon beibehlten: Betrieb Betrieb Betrieb K,, K,,, K,, L, L K, L L L L D hier nur die Beträge des Betriebsgeräusches otimiert werden, erhält mn K Gleichungen mit L Unbennten 3. Im Vergleich zum Gleichungssystem 3.-3 ht mn lso die Zhl der Gleichungen reduziert und somit ds Verhältnis von Unbennten zu Gleichungen zugunsten der Lösbreit verbessert. Sind die Beschllungsositionen nicht mit der Betriebsquellenosition identisch, so wie wir es im Prinziversuch vorsehen, dnn ist es rinziiell uch schlecht möglich, Betrg und Phse gleichzeitig richtig zu simulieren. Bei der Berechnung der Pseudoinversen wird versucht, beides so gut wie möglich zu mchen. Betrchtet mn im Ergebnis jedoch nur den Betrg, so stellt mn erheblichere Abweichungen ls bei der ohärenten Betrgsotimierungsmethode est. Ds Simultionsergebnis ist in Abbildung 3.3- drgestellt. Im Vergleich zur Pseudoinversen Abb. 3.- erzielt mn hier ein wesentlich besseres Ergebnis. Die Lösung dieses Gleichungssystems, ds durch die Betrgs-Oertion die Eigenscht der Linerität verloren ht, wird in Unteritel 3.4 erörtert. 3 L Relteile und L Imginärteile der gesuchten Lutsrechernregungen.

28 K. 3 Simultion von Schlleldern Abbildung 3.3-: Betrieb und Simultion mit der ohärenten Otimierungsmethode, wobei in der Simultion nur die Beträge mit dem gemessenen Geräusch bgeglichen werden Inohärente Methode Möchte mn ein inohärentes Schlleld, lso ein Schlleld dessen Quellen in einer esten Phsenbeziehung zueinnder stehen, simulieren, so ist es notwendig die Beiträge der Lutsrecherositionen inohärent zu ddieren:,,,,,,,,, L L K K K Betrieb K L L Betrieb L L Betrieb D die Phsenlgen hier überhut eine Rolle sielen, werden sie uch nicht otimiert. Ds Gleichungssystem besteht lso us K reellen Gleichungen mit L reellen unbennten. Ds Verhältnis von Anzhl der Gleichungen zu Anzhl der Unbennten ist zwr wieder dsselbe wie bei der Pseudoinversen, jedoch müssen hier nur die Beträge otimiert werden, ws uch dnn möglich ist, wenn die Phsenlgen nicht mit der Betriebsmessung übereinstimmen. Aus diesem Grund erhält mn hier ein ähnlich gutes Ergebnis wie bei der ohärenten Betrgsotimierungsmethode. Abb

29 K. 3 Simultion von Schlleldern 3 Abbildung 3.3-: Betrieb und Simultion der bisher besrochenen Berechnungsmethoden. Die Methode der Pseudoinversen weicht erheblich vom Betrieb b, weil sie ls einzige die Phse der Betriebsmessung berücsichtigt. Die nderen beiden Methoden bilden die Betriebsmessung bis u wenige db genu nch eilohärente Methode Für den Fll, dss mn die Lutsrecherositionen in der Nähe der relen eilschllquellen ltzieren nn, sollte mn uch ds Kohärenzverhlten der relen Quellen mit den Lutsrechern so gut wie möglich nchstellen. Um ein Schlleld zu simulieren, ds sowohl us zueinnder ohärenten Quellen ls uch us inohärenten Quellen entsteht, muss mn ds entsrechende Gleichungssystem ustellen:, ' ', ' ',,, ' ', ' ',,, ' ', ' ',, L K L L K L L K L K Betrieb K L L L L L L Betrieb L L L L L L Betrieb Die Lutsrecherositionen,...,L sind n den Stellen, n denen sich die relen ohärenten eilschllquellen beinden. Hingegen sind n den Positionen ll,..., L die inohärenten Quellen. Zur Übersicht sind in der Abbildung nochmls lle Möglicheiten der ohärenten und inohärenten Addition zusmmengesst. Au der rechten Seite inden sich die Additionsmöglicheiten der Lutsrecherschlldrüce wieder, die ein simuliertes Geräusch ergeben. Die gesuchten Lutsrechernregungen, us denen zusmmen mit den rnseruntionen ds simulierte Geräusch resultiert, ergeben sich durch Gleichsetzen mit dem Betrg des Schlldrucs bzw. mit dem omlexen Schlldruc. Ein ohärentes simuliertes Geräusch nn sowohl mit dem Betrg ls uch mit dem omlexen Betriebsgeräusch gleichgesetzt werden, ds inohärente hingegen nur mit dem Betrg

30 4 K. 3 Simultion von Schlleldern Abbildung Möglicheiten zur Austellung des Gleichungssystems. Ds simulierte Lutsrecherschlleld nn mn mit drei verschiedenen Additionsmöglicheiten erzeugen. Beim Abgleich mit der Betriebsmessung nn mn entweder die Phse des Betriebsgeräusches berücsichtigen, oder mn versucht nur die Beträge zu otimieren. Drus entstehen die vier besrochenen Möglicheiten zur Austellung des Gleichungssystems. 3.4 Wege zur Lösung des Gleichungssystems Wie in Abbildung 3.- schemtisch ugezeigt, muss nch dem Austellen des geeigneten Gleichungssystems dieses gelöst werden. Ein Lösungsweg wurde im Kitel 3. mit der Pseudoinversen beschrieben. Hierbei wird zunächst die Dierenz der linen und rechten Seite jeder Gleichung r gebildet vgl Die Summe der qudrtischen Dierenzen wird nschließend minimiert. Im Fll von überbestimmten lineren Gleichungssystemen ist dies mit einigen Mtrizenoertionen möglich, die im Symbol der Pseudoinversen zusmmengesst werden 4. Die Gleichungssysteme, die us den Überlegungen in Kitel resultierten sind jedoch nicht liner, so dss die einche Art der Mtrixinvertierung so nicht untioniert. Aus diesem Grund muss hier ein Otimierungsverhren, wie z.b. ds Newtonverhren zur Nullstellensuche [BRO93] ngewndt werden. Dzu muss eine Zieluntion z.b. x ngegeben werden, deren Nullstellen die Lösung des Problems ist. Zur Itertion müssen zudem die rtiellen Ableitungen der Zieluntion nch den Unbennten x ngegeben werden. Der zum Strt der Itertion erorderliche Wert x 0 wird in unserem Fll mit der Methode der Pseudoinversen ermittelt. Die Itertionsschritte luten dnn wie olgt: x i x xi x i 3.4- Grisch erhält mn den nächsten Itertionsschritt x i ls Schnittunt der ngente von x i mit der Abszisse. Abb Ist ds Gleichungssystem zudem qudrtisch, ist nur eine Invertierung der -Mtrix notwendig.

31 K. 3 Simultion von Schlleldern 5 Abbildung 3.4- Grische Drstellung des eindimensionlen Newtonverhrens zur Auindung der Nullstelle einer Funtion x. Die Itertion wird entweder nch einer vorgegebenen Anzhl von Itertionsschritten bgebrochen, oder wenn die Änderung der Itertionsschritte leiner ist ls ein vorgegebenes ε: xi xi < ε 3.4- Die Bestimmung einer geeigneten Zieluntion erscheint u den ersten Blic trivil. Die Lösung mit der Pseudoinversen legt die Minimierung der Summe der qudrtischen Dierenzen nhe. Dies erweist sich jedoch ls wenig geeignet, wie in den olgenden Unteriteln ugezeigt wird Dierenzenmethode Lösen wir zunächst die Gleichungssysteme 3.3-5, und durch Minimierung der Dierenz der rechten und linen Seite jeder Gleichung. Wir deinieren lso eine Zieluntion z,,..., L ls Summe der qudrtischen Dierenzen, wobei die Vriblen l in omlex, in rel und in teils rel teils omlex sein önnen: z,,..., L K Betrieb Simu wobei Simu ür den ohärenten, inohärenten bzw. teilohärenten Fll wie olgt deiniert ist: Simu Simu L,,..., ohärent, K L l, l l Simu Simu L,,..., inohärent, K L l, l l Simu Simu L' l L,,..., teilohärent, K L, l l l L', l l 3.4-6

32 6 K. 3 Simultion von Schlleldern Die Minimierungsugbe wird in MALAB mit einem vorrogrmmierten Algorithmus gelöst, der u der Bsis des oben erwähnten Newtonverhrens rbeitet. Die notwendige Bedingung ür ein Minimum ist j eine Nullstelle der Ableitung. Deshlb muss zur otimlen Anwendung des Minimierungslgorithmus ein rtionler Ausdruc ür die rtiellen Ableitungen nch llen Unbennten ngegeben werden. Diese Ableitungen beinden sich im Anhng B. Ds Ergebnis der Minimierungsugbe lieert einen Stz von Lutsrechernregungen l, die mit den entsrechenden rnseruntionen multiliziert und ddiert ein simuliertes Gesmtgeräusch Simu ergeben. Die Abweichung des berechneten Schlldrucs vom gemessenen ist dbei normlverteilt. Für jedes Miroon und ür jede Frequenzstützstelle nn mn die Dierenz Simu - Betrieb ermitteln. Aus diesen Dierenzen nn mn ein Fehlerhäuigeitsdigrmm erstellen, ds die erwrtete Gußverteilung wiedersiegelt. Abb Abbildung 3.4-: normlverteilte Fehlerhäuigeit ugetrgen über der Dierenz zwischen Betrieb und Simultion in Pscl P. Die Berechnung wurde mit der inohärenten Dierenzenmethode im Prinziversuch durchgeührt. D die Schlldrüce ber grundsätzlich in db ngegeben werden, möchte mn den Fehler u der logrithmischen Achse gußörmig verteilt sehen. D die Logrithmusuntion jedoch nicht liner ist, treten immense Verzerrungen u, wenn mn den Fehler in db betrchtet. Ds in Abbildung drgestellte Ergebnis stellt die Pegeldierenz zwischen Betriebsmessung und Simultion dr: Simu Betrieb Fehler, 0 log0 0 log Für jedes Miroon und jede Frequenzstützstelle erhält mn so einen Fehlerwert, der ls Fehlerhäuigeitswert betrchtet wird.

33 K. 3 Simultion von Schlleldern 7 Abbildung 3.4-3: Die Simultion erolgte ebenso mit der inohärenten Dierenzenmethode, jedoch wurde ls Fehler die Dierenz der Schlldrucegel ermittelt. Die Fehlerhäuigeit wurde demnch über der Schlldrucegeldierenz in db ugetrgen. Um diesem Missverhältnis zwischen Otimierung in Pscl und Auswertung in db entgegenzuwiren, werden im Folgenden ndere Ansätze zur Lösung der Gleichungssysteme entwicelt. Dbei werden weitere Nchteile der Dierenzenmethode ugezeigt Quotientenmethode Wie schon in deiniert, ist es ds Ziel, die Dierenz des simulierten und des gemessen Schlldrucegels zu minimieren: L 0 log 0 log 0 0 Simu 0 Simu Betrieb 0 log 0 Betrieb L ist dnn miniml, wenn ds Argument des Logrithmus gleich eins ist. Es muss lso olgender Ausdruc minimiert werden 5 : L min Simu Betrieb! Zu minimieren ist lso olgender erm 3.4-0: 5 Ds Qudrt nn mn ls Ftor zwei vor den Logrithmus ziehen, so dss ds Argument nicht qudriert werden muss.

34 8 K. 3 Simultion von Schlleldern Simu Betrieb! Zur Lösung der Gleichungssysteme 3.3-5, und werden lso nstelle der qudrtischen Dierenzen zwischen rechter und liner Seite vgl , die qudrtischen Quotienten minus eins summiert und minimiert. Simu K z,,..., L Betrieb 3.4- Die Ausdrüce ür ds simulierte Geräusch Simu 3.4-4, und bleiben dbei erhlten. Die zur Minimierung notwendigen Ableitungen beinden sich wiederum im Anhng B. Zur Vernschulichung der Wirungsweise der Quotientenmethode im Vergleich zur Dierenzenmethode, sei ein einches Rechenbeisiel gegeben, welches der Sitution eines Lutsrechers eine Unbennte und zweier Miroone zwei Gleichungen nchgestellt ist. Im Fll werden im Betrieb beide Miroone mit einem ähnlich stren Schlldruc beuschlgt. Im zweiten Fll steht ein Miroon reltiv nhe n der Quelle und emängt somit ein wesentlich höheres Signl. Die rnseruntion ist gleichermßen erhöht Abb : Fll : beide Miroone etw gleich lut Fll : ein Miroon wesentlich luter ls ds ndere Gleichungssysteme x 6 3x 7 x 3 x,6,7 x,33 x 6 30x 70 x 3 x,6,7 x,33 Lösung mit x 6 3x 7 min Ableitung nch x lieert: x 6 3x x,46! x 6 30x 70 min Ableitung nch x lieert: x 6 30x x,34! Lösung mit Dierenzenmethode Quotientenmethode x 3x min 6 7! x 3x x,59 x 30x min 6 70! x 3x x,59 Abbildung 3.4-4: Rechenbeisiel zur Wirungsweise der Dierenzen- und Quotientenmethode zur Lösung eines überbestimmten Gleichungssystems. Die Quotientenmethode otimiert im Gegenstz zur Dierenzenmethode den reltiven Wert.

35 K. 3 Simultion von Schlleldern 9 Ds Beisiel in Abbildung zeigt, dss die Dierenzenmethode die zhlenmäßig höherwertigen Gleichungen bevorzugt. Dies liegt drn, dss die Dierenz bei einer Gleichung mit großen Werten viel größer ist ls die Dierenz der Gleichungen mit leinen Werten. In der Prxis otimiert die Dierenzenmethode lso hutsächlich die luten Miroone, während die leisen Miroone bei der Simultion vernchlässigt werden. Will mn jedoch ein Schlleld simulieren, dnn ist es genuso wichtig, die im Betrieb leisen Orte leise nchzubilden, wie die luten lut. Die Quotientenmethode löst genu dieses Problem. Durch die Bildung des Quotienten llen die Größenordnungen durch Kürzen herus. Die Miroone in der Nähe der Schllquelle sind lso in gleicher Weise zu berücsichtigen, wie die Miroone in weiter Enternung. Dies lässt sich uch noch einml schön nhnd des Prinziversuchs verdeutlichen Abb Abbildung 3.4-5: Vergleich der Dierenzen und der Quotientenmethode im Prinziversuch, wobei nur mit Lutsrecherositionen beschllt wurde. Die Dierenzenmethode ist bei den luten Positionen besser, die Quotientenmethode hingegen otimiert uch die leisen Positionen. Die Berechnung wurde mit den ohärenten Methoden durchgeührt. Ds Betriebsschlleld wurde ebenlls m Rechner erzeugt und önnte mit einer Beschllungsosition reroduziert werden. Ddurch ist usgeschlossen, dss ein Lutsrecher zur Simultion usreicht und lle nderen Lutsrecher durch die Berechnung qusi bgeschltet werden. In solch einem Fll würde mit beiden Methoden die exte Lösung geunden werden Logrithmische Quotientenmethode Nchdem in Kitel 3.4. die Disrenz zwischen Miroonen mit großem und leinem Signl überwunden werden onnte, bleibt nun noch ds Problem der Fehlerverteilung, ds bereits in Kitel 3.4. ugezeigt wurde. Dzu schreibt mn m besten die Zieluntion so u, wie sie uch letztendlich usgewertet wird. Wir ormulieren lso mit die Zieluntion z,,..., wie olgt: L

36 30 K. 3 Simultion von Schlleldern z,,..., L K K 0 log 0 log 0 0 Simu 0 Simu Betrieb 0 log0 min Betrieb D die Zieluntion im Algorithmus sehr häuig berechnet wird, sollte mn sie möglichst von überlüssigen onstnten Ftoren bereien. Dzu wird sie wie olgt ormuliert: Simu K,,..., log z L 0 min Betrieb Die rtiellen Ableitungen beinden sich ebenlls im Anhng B, die Ausdrüce ür ds simulierte Geräusch Simu werden wiederum us 3.4-4, und übernommen. In dieser Berechnung wird lso uch der Quotient us simuliertem und gemessenem Schlldruc otimiert, jedoch werden die Summnden der Zieluntion logrithmisch ddiert. Ergebnisse us dem Prinziversuch bestätigen die Überlegungen. Die logrithmische Quotientenmethode berechnet ds simulierte Schlleld so, dss der Fehler gleichmäßig um Null herum verteilt ist. Die Dierenzen- und Quotientenmethode verschieben den Fehler hin zu negtiven Abweichungen, die Simultion ist lso leiner ls der Betrieb, so wie wir es schon bei der Pseudoinversen Abb. 3.- gesehen hben. Abbildung Schlldrucegel der Simultion minus Schlldrucegel im Betrieb. Die Berechnung erolgte wiederum im Prinziversuch mit den jeweils ohärenten Methoden. Die logrithmische Quotientenmethode sorgt ür eine usgeglichene Fehlerverteilung. Die nderen Methoden neigen zu leineren Simultionswerten. Dies wird noch nschulicher, wenn mn die Logrithmusuntion näher betrchtet Abb Ein Intervll der Breite x um einen Wert x [x - x/ ; x x/] wird ugrund der Nichtlinerität verzerrt zu [logx - x/ ; logx x/]

37 K. 3 Simultion von Schlleldern 3 Abbildung Vernschulichung der Verzerrung eines Intervlls x um einen Mittelwert x durch die Logrithmusuntion. Sei x die Gußuntion ür die Fehlernormlverteilung [BRO93] mit der Stndrdbweichung σ: x e σ π x σ Durch die Verzerrung des Fehlerintervlls [x - x/ ; x x/] verormt sich die Fehlerverteilungsuntion x wie olgt Abb : Abbildung 3.4-8: Fehlerverteilungsuntion x mit σ 0, um den Mittelwert x 0,7. Durch logrithmieren der x-werte verormt sich die Verteilungsuntion rechts. Im Unterschied zur normlen Quotientenmethode, erzielt die logrithmische Quotientenmethode eine Normlverteilung des Fehlers u der db-achse. Einerseits ist mn zwr n der Fehlerverteilungsuntion interessiert, interessnter ist hingegen die Höhe der Abweichung zwischen Betrieb und Simultion. Betrchtet mn unter diesem Aset die Abbildung 3.4-6, so nn mn erennen, dss die Quotientenmethode trotz ihres verschobenen Gewichtes die leineren Fehler uweist. Dies soll im Folgenden genuer beleuchtet werden:

38 3 K. 3 Simultion von Schlleldern In einer vereinchten Betrchtungsweise wird der jeweiligen Minimierungsuntion, die qudriert und summiert zur Zieluntion wird, ein onstntes ± hinzugeügt. Ds Ergebnis der Minimierungsuntion unterscheidet sich in dieser Überlegung lso um ± von 0. Quotientenmethode logrithmische Quotientenmethode mit mit Simu Betrieb ± 0 Simu log 0 ± 0 Betrieb olgt olgt Simu Betrieb # Simu Betrieb 0 Betrchtung der Abweichung db in db Simu db 0 log0 0 log0 # Betrieb Betrchtung der Abweichung db in db Simu db 0 log0 # 0 Betrieb Je nch der Höhe des Otimierungsehlers entsteht so ür jedes Verhren eine unterschiedliche Abweichung db in db. In Abbildung sind die beiden Abweichungsuntionen sizziert. Mn erennt, dss bei Betrchtung in db der Fehler der logrithmischen Methode zwr liner um 0 verteilt ist, jedoch ist der Fehler bei der normlen Quotientenmethode im Betrg meist geringer. Lediglich bei sehr großen Abweichungen ist im negtiven Fll die logrithmische Methode geeigneter. Abbildung db über ür die Quotienten- und die logrithmische Quotientenmethode. Die Quotientenmethode ist meist näher n der Null. vgl. ext

39 K. 3 Simultion von Schlleldern 33 Dieses Ergebnis wird im Kitel 6.4 in der Anwendung des Innengeräuschverhrens eindrucsvoll reroduziert. Wie mn uch dort eststellt, nn mn ugrund dieser Überlegungen die Quotientenmethode ls überlegen betrchten. Je nch besonderer Anwendung nn mn evtl. uch die nderen Methoden verwenden, die normle Quotientenmethode lieert jedoch in der Regel ds Ergebnis mit der geringsten Abweichung und wird somit im Folgenden vorisiert. 3.5 Idele Anzhl der Beschllungsquellen Bei der Betrchtung der Gleichungssysteme dent mn soort drn, die Anzhl der Lutsrecherositionen zu erhöhen um ein besseres Ergebnis erzielen zu önnen. Erhöht mn die Zhl der Unbennten bei gleichbleibender Anzhl der Gleichungen, so wird die Lösung immer besser. Im ohärenten Fll erhält mn bei gleicher Anzhl von Lutsrechern und Miroonen sogr eine exte Lösung. In der t bringt eine zusätzliche Lutsrecherosition immer eine Verbesserung und nie eine Verschlechterung bei der Lösung der Gleichungssysteme. Lediglich der Messuwnd erhöht sich bei einer größeren Anzhl von Beschllungsositionen. Diese Verbesserung der Simultion ist jedoch ot nur scheinbr. tsächlich nn es zu einer schlechteren Rerodution des Schlleldes ommen, obwohl ds Gleichungssystem ext gelöst worden ist. Dher ist die Anzhl der Beschllungsositionen sorgsm zu wählen und muss von Fll zu Fll neu disutiert werden. Am einchsten ällt die Entscheidung bei einer Betriebsschllquelle mit inohärenten eilschllquellen, deren Positionen bennt sind. Wenn es messtechnisch relisierbr ist, sollte mn dnn die Lutsrecher n die Position der Schllquellen bringen. Die Zhl der Lutsrecherositionen ist somit mit der Zhl der eilschllquellen identisch. Sind die Positionen nicht genu bennt, so nn mn ein Verhren nwenden, ds in Kitel 4 beschrieben ist, mit dem mn die idelen Lutsrecherositionen ermitteln nn. Wählt mn eine ohärente Berechnungsmethode, so nn es bei einer großen Anzhl von Lutsrechern sein, dss ds Gleichungssystem sehr gut oder sogr ext gelöst ist, jedoch nn es zwischen den Miroonen zu erheblichen Abweichungen bezüglich des gemessenen Schlleldes ommen. Diese Abweichungen treten in der Regel weder im Gleichungssystem, noch in der Auswertung zutge. Ein zusätzliches Miroon önnte hier helen, den Fehler sichtbr zu mchen. Im Prinziversuch wurde dzu ein Miroon bei der Otimierung nicht berücsichtigt. Zur Vernschulichung des Schverhltes wurden im Prinziversuch 3 Miroone in einer Reihe ugestellt, wobei nur dvon otimiert wurden. Wie schon in Abbildung 3.4-5, wurde ds Betriebsschlleld dbei virtuell wieder so vorgegeben, dss es eine Lutsrecherosition geben nn, die es lleine reroduzieren önnte. Es sind lso zur Simultion mehrere Lutsrecher notwendig, wobei nur eine ohärente Methode einen solchen vorgegebenen räumlichen Pegelgrdienten nchbilden önnte. Die inohärente Methode nn hier nur eine Mittelung erzielen, die ds Schlleld reltiv schlecht wiedersiegelt. In Abbildung 3.5- ist ds Ergebnis ugezeigt:

40 34 K. 3 Simultion von Schlleldern Abbildung 3.5- Prinziversuch mit ohärenter und inohärenter Quotientenmethode mit 0 Lutsrechern und 3 Miroonen berechnet. Ein Miroon wurde bei der Otimierung nicht berücsichtigt und oenbrt so die räumliche Inhomogenität des ohärenten Schlleldes. Die inohärente Methode nn, ugrund des sehr großen räumlichen Pegelgrdienten des Betriebsschlleldes, nur eine Mittelung erzielen, erzeugt ber immerhin ein räumlich homogenes Schlleld. vgl. ext Die inohärente Quotientenmethode nn ds Schlleld uch mit mehreren Lutsrechern nicht reroduzieren, d hier eine Auslöschungen möglich sind. Die ohärente Quotientenmethode hingegen scht eine Lösung, die ds Betriebsschlleld n den vorgegebenen Miroonositionen dennoch reroduziert. Am nichtotimierten Miroon ommt jedoch ein völlig lsches Signl n, ws die räumliche Inhomogenität des Feldes oenbrt. Es ist lso dvon uszugehen, dss ds Schlleld uch n nderen Orten, n denen ein Miroon steht, nicht richtig wiedergegeben wird. Ds Schlleld ist lso nur untuell richtig simuliert. Reduziert mn die Anzhl der ohärenten Lutsrecherositionen, so dss die Anzhl der Miroone wieder wesentlich größer ist, ls die Anzhl der Lutsrecher, so wird die Simultion zwr wieder schlechter, jedoch nimmt die räumliche Inhomogenität b und ds simulierte Schlleld ist dem Betriebsschlleld uch n den Stellen, n denen nicht gemessen wird, ähnlicher. Dieser Schverhlt ist im Prinziversuch sehr schön zu erennen: Mit einer unterschiedlichen Anzhl von Lutsrechern wurde die Simultion durchgeührt Abb In Abbildung ist die Dierenz zwischen Betrieb und Simultion ugezeigt. Während diese mit der Zhl der Lutsrecher erwrtungsgemäß ällt, steigt der Fehler m nichtotimierten Miroon n.

41 K. 3 Simultion von Schlleldern 35 Abbildung 3.5- Prinziversuch, wobei ein Miroon n der Position 9m nicht otimiert wurde. Die Simultion wurde mit einem Lutsrecher, bzw. drei, sieben und el Lutsrechern mit der ohärenten Quotientenmethode durchgeührt. Je mehr Lutsrecher, desto genuer ist die Rerodution n den otimierten Miroonen. Am nichtotimierten Miroon wächst der Fehler hingegen mit der Zhl der Lutsrecher n. Abbildung 3.5-3: Prinziversuch wie in Abb Augetrgen ist die mittlere Abweichung zwischen Simultion und Betrieb ls Funtion der Anzhl der beteiligten Beschllungslutsrecher. Während die Abweichung n den otimierten Miroonen mit der Zhl der Lutsrecher bnimmt, steigt der Fehler m nichtotimierten Miroon n. Mthemtisch ht mn us dem Gleichungssystem einch eine Gleichung weggelssen. Zur Überrüung setzt mn dnn die Lösung des reduzierten Gleichungssystems in die nichtberücsichtigte Gleichung ein und vergleicht die Abweichung mit der mittleren Abweichung im Gleichungssystem. Ist die Abweichung der Einzelgleichung wesentlich größer ls die des Gesmtsystems, dnn wurde ds Schlleld nur n den einzelnen Miroonunten richtig simuliert. An llen nderen Punten hingegen ommt es zu größeren Abweichungen.

42 36 K. 3 Simultion von Schlleldern 3.6 Zusmmenssung Die vorgestellte Idee zur Simultion von Schlleldern beruht dru, ds Betriebsgeräusch einer Schllquelle mittels Lutsrecher zu reroduzieren. Dzu werden neben dem Betriebsgeräusch mehrere Lutsrechertrnseruntionen gemessen. In einem rechnerischen Schritt werden die Lutsrechernregungen ermittelt, die notwendig wären, um bei gleichzeitiger Beschllung ds Betriebsgeräusch reroduzieren zu önnen. Die ermittelten Anregungen multiliziert mit den gemessenen rnseruntionen ergeben zusmmen ein simuliertes Geräusch, ds dem gemessenen Betriebsgeräusch weitestgehend entsricht. Diese Idee wurde in [SR98] sizziert und in diesem Kitel in llgemeiner Form ormuliert und untersucht. Dbei wurden erhebliche Schwächen des bisher bennten Berechnungsverhrens der Pseudoinversen ugezeigt und Lösungen herbeigeleitet. Begleitend zu den theoretischen Überlegungen zur Verbesserung der Simultionsmethoden, wurde nhnd eines Prinziversuchs die Wirungsweise der errbeiteten Verhren ugezeigt. Schließlich wurde die Quotientenmethode ls inles Berechnungsverhren ür ohärente und inohärente Quellen herusgerbeitet und deren Vor- und Nchteile ugezeigt. Je nch Anwendung muss mn entweder die inohärente oder die ohärente Quotientenmethode einsetzen. Nicht nur im olgenden Kitel, bei der Errbeitung eines Verhrens zur Schllquellendetetion, uch die Verhren zur Außengeräusch- und Innengeräuschnlyse K. 5 und 6, bei denen Schllelder m Fhrzeug simuliert werden, setzten diese Überlegungen um.

43 K. 4 Verhren zur Lolisierung von Schllquellen Verhren zur Lolisierung von Schllquellen Die Lolisierung von Schllquellen ist ein essentielles Augbengebiet bei der Geräuschotimierung. Auch in der vorliegenden Arbeit zur Simultion von Schlleldern ist die Kenntnis über den Ort der eilschllquellen äußerst hilreich und in der Anwendung der Außengeräuschsimultion unbdingbr. Dort möchte mn die eilschllquellen durch Lutsrecher ersetzen und so die Geräusche jeder eilschllquelle eines Fhrzeugs ustisch nchbilden. Die Position der Lutsrecher sollte dbei der Position der eilschllquellen weitestgehend entsrechen. Deshlb wurde ein Verhren zur Schllquellenlolisierung entwicelt, ds u dem vorgestellten Prinzi der Schlleldsimultion bsiert. Dzu beschllt mn einch mit einem gnzen Arry von Lutsrecherositionen und ermittelt rechnerisch die zur Simultion günstigsten Positionen. Diese Positionen sind dnn mit den Positionen der eilschllquellen identisch. Im ersten Unteritel werden bestehende echnien zur Schllquellenlolisierung ugezeigt. Nch grundsätzlichen Überlegungen zum räumlichen Aulösungsvermögen von Schllquellen wird die Idee der Quellenlolisierung mittels Schlleldsimultion vorgestellt und nhnd des Prinziversuchs us Kitel 3. disutiert. Im ünten Kitel wird die Lolisierung eindrucsvoll in mehreren Anwendungen m Fhrzeug bestätigt. 4. Lolisierung von Schllquellen - Stnd der echni Die gängigsten Methoden zur Schllquellenortung beruhen u Messungen mit der Intensitätssonde oder mit Richtmiroonen. Richtmiroone sind in einer schlldämmenden Vercung verbut, die nch einer Seite hin schlldurchlässig ist. Dreht mn die Önung in die Richtung der Schllquelle, so nn mn ein Pegelmximum detetieren und so u den Ort der Quelle schließen. Intensitätssonden untionieren ähnlich wie die menschliche Schllwhrnehmung. Die Richtungswhrnehmung des Ohrs beruht je nch Frequenzbereich einerseits u dem Intensitätsunterschied zwischen rechtem und linem Ohr durch Schttenbildung des Koes und, hutsächlich ür höhere Frequenzen, u dem Luzeitunterschied zwischen rechtem und linem Ohr [CRE7]. Ähnlich wie ds Ohr, besteht die Intensitätssonde us zwei Schllsonden die durch Miroone relisiert sind. Die hierbei ermittelte Intensität ist ds Produt us Schlldruc und Schllschnelle. Der Schlldruc wird ls mittlerer Schlldruc der beiden Miroone detetiert. Die Schllschnelle erhält mn über die Eulerschen Gleichungen ls Drucgrdient zwischen den beiden Miroonen. Dieser Drucgrdient ist richtungsbhängig bezüglich des Ortes der Schllquelle. rit die Schllwelle seitlich u die Sonde, so messen beide Miroone den gleichen Schlldruc und somit einen Drucgrdienten, die Intensität ist demnch gleich Null. Diese Eigenscht der Richtungschrteristi nutzt mn zur Lolisierung von Schllquellen [B&K87]. Scnnt mn ds estobjet mit so einer Intensitätssonde b, so erhält mn eine Intensitätsverteilung, n dessen Mxim die eilschllquellen lolisiert werden. Dieser Vorgng duert sehr lnge und erordert eine genue Prozessührung, dmit die Rsterunte mit gleichem Abstnd von der Quelle ugenommen werden. Um diesen Prozess zu Beschleunigen ging mn dzu über den großen Dtenstz mit einem Miroonrry uzunehmen. Dbei hben sich verschiedene Methoden der Arrytechni herusgebildet. Hutsächlich lssen sie sich in zwei Ktegorien einteilen, die Nheld- und die Ferneldtechnien. Sie unterscheiden sich durch die Messosition im Nh- bzw. Ferneld der Quelle. Die ustische Nheldhologrie NAH ist, wie der Nme schon ndeutet, eine Nheldmethode und wird usührlich in [MAY85] hergeleitet. Mit einem zweidimensionlen Miroonrry wird im Nheld der Schllquelle eine Ebene x, y vribel, z0 des

44 38 K. 4 Verhren zur Lolisierung von Schllquellen Schlleldes vermessen. Mittels räumlicher Fouriertrnsormtion versucht mn die homogene Wellengleichung ür den schllquellenreien Hlbrum zu lösen. Mit dem Anstz einer sich in z-richtung usbreitenden, lso von der Schllquelle enternenden Schllwelle, löst mn letztendlich die Gleichung. Mn erhält lso ein dreidimensionl rogierendes ustisches Feld, ds ugrund zweidimensionler Schlldrucmessungen gewonnen wurde. Drüber hinus wurden ergänzende NAH-echnien entwicelt, die uch nichtsttionäre Geräusche identiizieren önnen [HAL95],[HAL96],[HAL96b]. Mit zusätzlichen Miroonen im Ferneld nn mn über die Kohärenzuntion zwischen Nh- und Ferneldmiroonen den Anteil der untersuchten Schllquelle m Ferneldgeräusch ermitteln [B&K97]. Ferneldmethoden rbeiten uch mit Miroonrrys, die Lolisierung von Schllquellen beruht ber hier meist u dem Eet des Luzeitunterschieds. Die Schllwelle rogiert von der Quelle weg und erreicht nch und nch die Miroone, die sich in unterschiedlichen Abständen zur Quelle beinden. Der zeitliche Abstnd der Schllereignisse lässt sich über die Kreuzorreltionsuntion zwischen den einzelnen Miroonen ermitteln. Je nch Miroonnordnung nn mn so u die Ausbreitungsrichtung der Welle bzw. den Ort der Schllquelle schließen [MAS96]. Eine völlig ndere Herngehensweise ist die Untersuchung der räumlichen Schwingungseigenschten schwingender Flächen. Hier legt mn llerdings die Annhme zugrunde, dss die schwingenden Flächen uch ttsächlich Schll bstrhlen, ws nicht immer richtig sein muss. Methoden zur Untersuchung des Schwingverhltens von Körern wurden schon im Kitel zur Bestimmung von Körerschlltrnserden ngesrochen. Als sezielle echnien zur Lolisierung von Schwingungen sei die otische Hologrie und die Lservibrometrie gennnt. Bei der Hologrie wird ds Objet mit einem Lserlicht beleuchtet. Ds reletierte Licht wird mit einem Reerenzstrhl überlgert, wobei es zu Intererenzeeten ommt. Jeder Punt des Objetes ht bezüglich dem Reerenzstrhl eine eigene otische Weglänge. Bringt mn Reerenzstrhl und Objetstrhl zur Überlung, so entstehen Intererenzmuster, die von den Konturen des Objetes bhängig sind. Zur Reonstrution des Hologrmms wird der Reerenzstrhl m Hologrmmbild gebeugt und erzeugt so ein hsenrichtiges dreidimensionles Bild. Bei der hologrischen Intererometrie werden zwei Verormungszustände eines Objetes miteinnder verglichen. Die Dierenz der beiden Bilder ist ein Mß ür die Verormung des Objetes [MAR90]. Bei der Methode der Lservibrometrie wird ds Objet mit einem Lserstrhl bgescnnt. Wird der Lserstrhl von einer schwingenden Fläche reletiert, so erährt ds reletierte Licht ugrund des Dolereets eine Frequenzverschiebung, die von der Geschwindigeit des Reletors bhängig ist. Ds so requenzverschobene Licht wird mit einem Reerenzstrhl überlgert, wobei ugrund des Frequenzunterschiedes Schwebungen utreten, worus die Schwingorm ermittelt werden nn [OLI96]. 4. Räumliches Aulösungsvermögen bei der Lolisierung von Schllquellen Ds Aulösungsvermögen ist ein Mß ür den geringsten Abstnd zweier benchbrter Beobchtungswerte, die ein Art sicher ls getrennt zu registrieren vermg [ABC89]. Als Beisiel sei die Abbesche 6 heorie des lterlen otischen Aulösungsvermögens eines Mirosos gennnt: Mn betrchte z.b. ein leuchtendes Objet bestehend us zwei leuchtenden Punten, die im Abstnd d voneinnder enternt sind, relisiert durch eine undurchsichtige Folie mit zwei leinen Löchern. Die Folie werde von unten mit rllelem Licht beleuchtet, woru von den Löchern zwei ohärente Kugelwellen usgehen. Die beiden Kugelwellen bilden ein Beugungsmuster, ds wir in einer Linie rllel zur Verbindungschse 6 Ernst Abbe

45 K. 4 Verhren zur Lolisierung von Schllquellen 39 der beiden Löcher betrchten wollen. Ds Mximum nullter Ordnung beindet sich in der Mitte umgeben von den ersten Minim rechts und lins dvon. Der Beugungswinel ϕ der ersten Minim beträgt: [GER93] λ sinϕ d 4.- wobei λ die Wellenlänge des Lichts bezeichnet. Fällt nur ds Licht des ersten Mximums in ds Objetiv eines Mirosos, so nn mn es nicht von dem Licht einer einzelnen Quelle unterscheiden. Abbe schloss drus, dss mindestens ds erste Minimum im Objetiv eingesmmelt werden muss, um eine Unterscheidung zwischen einer oder zwei Quellen mchen zu önnen. Der Objetivdurchmesser muss lso unter einem Sehwinel ϕ erscheinen, wobei ϕ durch 4.- gegeben ist. Ds Aulösungsvermögen dλ eines otischen Artes beträgt lso: d λ λ sinϕ 4.- Im Grenzll eines unendlich großen Objetivs mit dem Sehwinel ϕ π ist der Sinus gleich eins. Der leinste mögliche Objetbstnd d min, der noch ugelöst werden nn, beträgt somit: d min λ 4.-3 Objete die leiner sind ls die Wellenlänge, önnen zwr noch whrgenommen werden, deren Kontur ist jedoch nicht mehr uszumchen. Die Austi unterscheidet sich von der Oti durch die Welleneigenschten: Während Licht ls eletromgnetische Schwingungen ugesst werden nn, wobei die Schwingungsrichtung senrecht zur Ausbreitungsrichtung weist rnsverslwellen, treten Schllwellen lso Longitudinlwellen in Erscheinung. Gsmoleüle werden zu Schwingungen ngeregt und erzeugen so hrmonische Drucschwnungen. Die vorgestellten Überlegungen zum räumlichen Aulösungsvermögen eines otischen Artes bsieren jedoch nur u den grundsätzlichen Eigenschten sich ortlnzender Wellen. Sowohl ür eletromgnetische rnsverslwellen ls uch ür mechnische Longitudinlwellen sind sie gleichermßen gültig. So ist ds ustische Aulösungsvermögen dem otischen Aulösungsvermögen gleichzusetzen. Der wesentliche Unterschied sind die Größenordnungen der Wellenlängen und Frequenzen. Während mn im sichtbren otischen Bereich mit Wellenlängen zwischen 400 nm blu und 700 nm rot rbeitet, tuchen in der Austi Wellenlängen zwischen,5 cm etw 0000Hz und 5 m etw 0 Hz u. Die Lolisierung tierequenter Schllquellen ist demnch nur bedingt möglich 7. Diese tsche ist uch in der echni llgemein bennt und erschwert die Arbeit der Geräuschotimierung. [MAY85], [COX00] Ein Weg zur Verbesserung der Aulösung otischer Geräte ist die Verwendung von hochrequentem Licht. Im Eletronenmiroso 8 nutzt mn die Welleneigenscht der Eletronen: Die mit mehreren V beschleunigten Eletronen hben eine Wellenlänge, die um zwei bis drei Zehnerotenzen leiner ist ls die des sichtbren Lichts, wodurch eine höhere Aulösung erreicht wird [ABC89]. Noch bessere Aulösungen bieten Verhren, die ndere 7 Aus diesem Grund ist uch bei einer Stereo - Musinlge nur ein Subwooer notwendig, dessen Position eine untergeordnete Rolle sielt. 8 Für die Entwiclung des Eletronenmirosos wurde Ernst Rus mit dem Nobelreis ür Physi usgezeichnet.

46 40 K. 4 Verhren zur Lolisierung von Schllquellen Eigenschten des Objetes detetieren. So nn sowohl mit der Rstertunnelmirosoie 9 ls uch mit der Rsterrtmirosoie tomre Aulösung erzielt werden. Aber uch otische Methoden önnen ngeblich Struturen unter dem Beugungslimit ulösen, indem im Nheld des Objetes gemessen wird. Ds Nheld erstrect sich in der Größenordnung einer Wellenlänge um die Quelle herum. Hier önnen Felder utreten, die nicht bgestrhlt werden evneszente Felder, die jedoch durch Einbringen einer Sonde z.b. einer Glsser usgeoelt werden und letztendlich doch sichtbr gemcht werden önnen. Wiederum durch Rsterung der Probe nn mn so eine verbesserte Aulösung ddurch erlngen, dss mn die Hell-Dunel-Eete über der bennten Position der Sonde uträgt [BIN85], [OES99]. Im Bereich der Austi wird ebenlls sehr viel im Nheld gemessen. Wie schon bei der Erläuterung der ustischen Hologrie erwähnt, werden Miroonrrys im Nheld der Quelle ugebut [MAY85], oder es wird mit einer Intensitätssonde im Nheld der Quelle die Intensitätsverteilung ermittelt [COX00]. All diese Methoden schen es jedoch nicht, die räumliche Aulösung wesentlich unter eine Wellenlänge zu drücen. Whrscheinlich liegt der Grund drin, dss schon bei der Entstehung einer ustischen Welle ein Lutdruc erzeugt wird, der sich u die gnze Umgebung uswirt. Wird lol ein Unterdruc erzeugt, so entsteht im gleichen Augenblic n einer nderen Stelle ein Überdruc. Bei einem Lutsrecher ist dies sehr einch einzusehen: Wird vor der Membrn ein Überdruc erzeugt, so entsteht dhinter ein Unterdruc. Deiniert mn den Ort der Schllquelle ls den Ort, n dem die erste Drucschwnung entsteht, so ist in den meisten Fällen der Ort der Schllquelle nur bis u die Größenordnung einer hlben Wellenlänge genu deiniert. Betrchtet mn dzu einen lolen Überdruc, so bezieht dieser die dür notwendigen zusätzlichen Gsmoleüle us der unmittelbren Umgebung. Eine hlbe Wellenlänge weiter entsteht schließlich ein loler Unterdruc etc. Der Ort des ersten lolen Überdrucs muss lso eine räumliche Ausdehnung von der Größenordnung einer viertel bis hlben Wellenlänge hben. 4.3 Quellenlolisierung mittels Schlleldsimultion Eine der Hutugben der Fhrzeugusti besteht in der Auindung, lso in der Lolisierung von Schllquellen. Wie schon in Kitel 3 ngedeutet, ist es uch ür die Simultion von Schlleldern hilreich, wenn die Positionen der Lutsrecher mit den Positionen der eilschllquellen übereinstimmen. Nicht zuletzt us diesem Grund wurde ein Verhren zur Lolisierung der Schllquellen mit dem Ziel entwicelt, eine otimle Lutsrecherositionierung zu erreichen. D die Lutsrecherositionen dnn den Quellenositionen entsrechen, ist dieses Verhren zugleich eine Quellenlolisierung. Nch der Drlegung der grundsätzlichen Idee, wird ds Verhren in einem Prinziversuch getestet. Ds exerimentell bestimmte Aulösungsvermögen wird dem theoretischen Aulösungsvermögen gegenübergestellt und disutiert Prinzi des Verhrens Bei llen bisher vorgestellten echnien zur Quellenortung, sowohl in der Oti ls uch in der Austi, werden Miroone oder llgemein Sonden über ein Objet gerstert. Die Idee der hier vorgestellten Quellenlolisierung beruht hingegen u dem Prinzi der Schlleldsimultion durch Rerodution mittels Beschllungsquellen. Ansttt sich u wenige Beschllungsositionen zu onzentrieren, wird ein gnzes Netz n Positionen vermessen. Dnch werden rechnerisch die Beschllungsositionen usgewählt, die ür die Rerodution 9 Für die Entwiclung des Rstertunnelmirosos wurde Gerd Binnig *947 und Heinrich Rohrer * mit dem Nobelreis ür Physi usgezeichnet.

47 K. 4 Verhren zur Lolisierung von Schllquellen 4 des Betriebsgeräusches m geeignetesten sind. D es sich hierbei um die Positionen in der Nähe der relen Quellen hndeln muss, nn mn so die Quellen lolisieren. Um diesen Schverhlt näher zu erläutern, ommen wir wieder u den Prinziversuch us Kitel 3. Abb. 3.- zurüc. Ds Ziel ist es, den Ort der Betriebsschllquelle zu identiizieren. Eine schlichte Betriebsmessung einer Quelle ergibt olgende Schlldrucegelverteilung Abb. 4.3-: Abb Schlldrucegelverlu einer Quelle ugesltet nch verschiedenen Frequenzbereichen. Augrund der Rumeigenscht nn mn nur im Bereich von 00 Hz bis 300 Hz u die Position der Quelle schließen. Die Quelle beindet sich bei 6,70 m, die Messungen wurden mit dem Aubu des Prinziversuchs us Kitel 3. durchgeührt. Aus der Schlldrucegelverteilung nn mn qusi nicht u die Position der Quelle schließen. Im niederrequenten Bereich ist die Absortion des Schllmessrumes nicht gewährleistet. Erst b etw 75 Hz wiren die Wände bsorbierend, so dss mn ür leinere Frequenzen eine Freieldbedingungen vorindet. Im Bereich b 400 Hz ommen Auslöschungserscheinungen durch die Reletion m Boden zum trgen vgl. K.... Je höher die Frequenz, desto stärer werden die räumlichen Oszilltionen. Eine Ortung der Schllquelle ist mit einchen Mitteln hier nicht mehr möglich. Lediglich im Bereich 00 bis 300 Hz nn mn einigermßen u die Position der Schllquelle schließen. Ot indet mn hingegen noch schlechtere Bedingungen vor, so dss z.b. weitere Reletoren und Absortionsörer z.b. PKWs die reie Schllusbreitung stören. In solchen Fällen lässt sich noch viel schwerer u die Position der Quelle schließen. Die in dieser Arbeit entwicelte Idee wird vorerst in einem eindimensionlen Fll getestet: Entlng einer Linie werden, wie in K. 3. schon beschrieben, Lutsrecherbeschllungen durchgeührt. Dnch wird rechnerisch versucht ds Betriebsschlleld zu reroduzieren, indem die dzu geeigneten Lutsrechernregungen ermittelt werden. Alle zuvor gemessenen Beschllungsositionen sind in der Simultion gleichzeitig tiv und trgen zum simulierten Schlleld bei. Lediglich eine Lutsrecherosition Nr. q wird nicht zur Simultion herngezogen. Ein Fehlerrmeter F,q wird deiniert, der im Wesentlichen die mittlere Dierenz zwischen Betrieb und Simultion drstellt:

48 4 K. 4 Verhren zur Lolisierung von Schllquellen F, q K L Simultion Betrieb,, q L, K 4.3- wobei K die Anzhl der Miroone bezeichnet. Mit L wird der Schlldrucegel bezeichnet, der sich im inohärenten Fll wie olgt berechnet: L Simultion,, q 0 log 0, l l,..., l, l,..., L 0 l 4.3- Der Fehlerrmeter ist nicht nur requenzbhängig, sondern hängt uch von der ehlenden Beschllungsosition q b. Ist die Beschllungsosition q wichtig ür die Simultion, so ist der Fehlerrmeter F,q ür diese Position groß. Unwichtige Positionen sind Positionen, die nicht mit einer Quelle übereinstimmen. Sie hben deshlb einen leinen Fehlerrmeter. Zur Auindung von Quellen muss mn lso die Fehleruntion F,q ür lle Lutsrecherositionen bestimmen. Der Ablu dieses Algorithmus ist im olgenden Schubild schemtisch drgestellt Abb Abbildung 4.3- Schemtischer Ablu der Lolisierung von Schllquellen. Die Betriebsmessung und die Messung der rnseruntionen eines Beschllungsrrys dienen ls Inut ür die Berechnung. Ds Schlleld wird berechnet, wobei immer u eine Beschllungsosition verzichtet wird. Der entstehende Fehler wird der ehlenden Position zugeschrieben und über dieser Beschllungsosition ugetrgen. Ein großer Fehler deutet u die Position der relen Quelle hin.

49 K. 4 Verhren zur Lolisierung von Schllquellen Anwendung im Prinziversuch Mit dem Aubu des Prinziversuchs us Kitel 3. wurde die Position einer Quelle, deren Schlldrucegelverlu in Abb drgestellt ist, lolisiert. Als Quelle wurde ein Lutsrecher u den Rücen gelegt, so dss die Abstrhlrichtung senrecht nch oben z-richtung weist. Aus der Symmetrie des Lutsrechers ist dmit eine Kugelchrteristi der Quelle in der x-y-ebene gewährleistet 0. Die Quelle wurde bei der Position 6,70 m ltziert. Nch der Messung des Betriebsgeräusches wurden insgesmt 6 Lutsrecherositionen entlng einer Linie im Abstnd von 0 cm vermessen. Zur Aunhme des Schlleldes sind 34 Miroone in zwei rllelen Linien im Abstnd von 5 m ltziert. Abbildung Fehlerrmeter ür mehrere Frequenzbereiche, ugetrgen über dem Ort des jeweils ehlenden Lutsrechers q. Je höher die Frequenz, desto genuer ist die Quelle lolisierbr. Zum schnellen Vergleich der Lolisierbreit sind die Frequenzbänder gleich wie in Abb gewählt worden. Im Vergleich zu Abbildung 4.3- erennt mn in Abbildung eine erhebliche Verbesserung der Lolisierbreit der Quelle. Vor llem ür große Frequenzen ist die Position ext bestimmbr. Obwohl die Schllusbreitung hier erheblich von der Freieldbedingung bweicht und mn somit ugrund der Pegelwerte n den Miroonen nicht u den Ort der Quelle schließen nn, gelingt es mit der Lutsrechermethode die Quelle genu zu Orten. Dies liegt drn, dss die rnseruntionen zweiml durchluen werden. Einml im Betrieb und einml bei der Beschllung. Störungen des Übertrgungsverhltens durch Reletionen und Absortionen werden somit uch zweiml durchluen und ommen bei der Auswertung nicht zum rgen. Erzeugt die rele Quelle ein omlexes Schlleld, so nn dieses Schlleld von einer geeigneten Beschllungsosition us wieder reonstruiert werden. Ds Wissen über die Position der Beschllung lieert letztendlich die räumliche Aulösung. 0 Die Abstrhlchrteristi des Lutsrechers ergibt sich us Messungen, die in Kitel 5.5 doumentiert sind. Im Sinne von Abweichungen gegenüber der Schllusbreitung unter Freieldbedingungen bsorbierende Wände und Böden.

50 44 K. 4 Verhren zur Lolisierung von Schllquellen Bestimmung des Aulösungsvermögens Zur exten Bestimmung des Aulösungsvermögens müssen jedoch zwei Quellen im Abstnd d zum Betriebsgeräusch beitrgen. Ds Aulösungsvermögen ist dnn der Wert, n dem die Objete gerde noch getrennt whrgenommen werden. Augrund der Überlegungen im Kitel 4. wird erwrtet, dss mn den Ort der beiden Quellen ür lle Frequenzen die größer sind ls die Grenzrequenz g ulösen nn. Die Grenzrequenz ist genu dnn erreicht, wenn der Abstnd d der Quellen mit der Wellenlänge λ übereinstimmt: c g λ c d Im Prinziversuch wurde die Sitution der beiden Quellen nchgestellt. An zwei Positionen wurde ein Lutsrecher mit weißem Ruschen beuschlgt, während ds Geräusch n llen Miroonen gemessen wurde. Die beiden Lutsrecherositionen wren dbei ext ein Meter voneinnder enternt. Rechnerisch wurden beide Geräusche inohärent ddiert, so dss die Sitution eines Betriebsgeräusches, bestehend us zwei inohärenten eilgeräuschen, nchgestellt wurde. Wieder wurde mit 6 Lutsrecherositionen im Abstnd von 0 cm beschllt. Die Berechnung ermittelte mit dem bennten Algorithmus zu jeder Position den Fehlerrmeter. Dbei wurde ds simulierte Geräusch mit der inohärenten Quotientenmethode otimiert. Mn stect lso schon die Inormtion über die Art des Geräusches in ds System hinein. In Abb ist ür mehrere Frequenzen der Fehlerrmeter über dem Ort des jeweils ehlenden Lutsrechers ugetrgen: Abbildung Fehlerrmeter ür mehrere Frequenzbereiche, ugetrgen über der Position des jeweils ehlenden Lutsrechers. Ds Betriebsgeräusch ist eine inohärente Überlgerung zweier Quellen bei 6,70 m und bei 7,70 m. Die Position der Quellen nn mn ür Frequenzen >0 Hz mit Sicherheit bestimmen. Für Frequenzen leiner ls 30 Hz ist eine Lolisierung der Quellen möglich. Zwischen 30 und 90 Hz nn mn den Ort der Geräuschentstehung eingrenzen, jedoch ist eine Aussge

51 K. 4 Verhren zur Lolisierung von Schllquellen 45 über die Anzhl der Quellen hier noch nicht möglich. Ab etw 0 Hz nn mn mit Sicherheit dvon usgehen, dss es sich hier um zwei räumlich getrennte Quellen hndelt. Bei 0 Hz ht mn eine Wellenlänge von,8 m. Setzt mn den räumlichen Abstnd d der Quellen von einem Meter ins Verhältnis zur Wellenlänge λ, so erhält mn ein Aulösungsvermögen dλ von: dλ 0,36 λ D mn die Grenzrequenz jedoch nur bis u etw ± 5 Hz genu bestimmen nn, beindet sich der Fehler ür die Angbe des Aulösungsvermögens im Bereich von etw ± 0,05 λ. Zur Absicherung der Gültigeit des so ermittelten Auslösungsvermögens wurde der Abstnd der beiden Quellen verdoelt. Die Ergebnisse sind in Abb drgestellt. Die räumliche rennung der beiden Quellen ist hier schon b 60 Hz detetierbr. Zur Aulösung eines verdoelten Abstndes ist lso uch nur die doelte Wellenlänge erorderlich bzw. die hlbe Frequenz. Dieses Ergebnis unterstreicht die Gültigeit des in Gleichung ermittelten Aulösungsvermögens. Abbildung wie Abb , jedoch mit einem Quellenbstnd von m. Die Quellen beinden sich bei 6,70 m und 8,70 m. Ein doelter Abstnd ist schon bei der hlben Frequenz detetierbr. Ds Aulösungsvermögen dλ beträgt uch hier 0,36λ.

52 46 K. 4 Verhren zur Lolisierung von Schllquellen heoretisches Aulösungsvermögen Zur Ermittelung des theoretischen Aulösungsvermögens nch der Abbeschen heorie wird die Formel 4.- verwendet. Aus der Geometrie des Aubus zum Prinziversuch Abb. 3.- errechnet mn zunächst ds Winelmß sinϕ: m 8m tn 5m 5m ϕ sin ϕ sin rctn 0, mit 4.- ergibt sich dnn ds theoretische Aulösungsvermögen dλ zu: d λ, 8 λ Kohärente und inohärente Quellen Bisher sind wir von inohärenten Quellen usgegngen und hben zur Lolisierung den Algorithmus der inohärenten Quotientenmethode K und 3.4. verwendet. Sind die Quellen ohärent zueinnder, so muss mn den entsrechenden ohärenten Algorithmus verwenden. Durch die Möglicheit der Auslöschung bei den ohärenten Verhren ist die Sensibilität bezüglich des Ortes der Quellen nicht so groß wie bei der inohärenten Methode. Vor llem wenn wie hier sehr viele Beschllungslutsrecher verwendet werden, nn mn mit ohärenter Überlgerung ds Betriebsschlleld reroduzieren, ohne dss dbei die Lutsrecherositionen mit den Positionen der Quelle übereinstimmen müssen. In Abb ist ds Ergebnis einer ohärenten Lolisierung zweier ohärenter Quellen drgestellt. Abbildung Zwei ohärente Quellen bei 6,70 m und 7,70 m werden mit der ohärenten Berechnungsmethode lolisiert. Augrund der großen Anzhl der Lutsrecher sielt die Position bei der ohärenten Methode eine untergeordnete Rolle, ws eine Lolisierung der Quelle erschwert. Lediglich bei einer Mittelung über den gnzen Frequenzbereich unten rechts nn mn die beiden Quellen lolisieren.

53 K. 4 Verhren zur Lolisierung von Schllquellen 47 Die Lolisierung zweier ohärenter Quellen ist nur dnn möglich, wenn mn über einen großen Frequenzbereich mitteln nn. Emittieren die Quellen jedoch nur in einem leinen Frequenzbnd, so ist mit dieser Methode eine Lolisierung möglich. Mn müsste sie dhingehend bändern, dss mn nsttt mit L- Lutsrechern nur mit zwei oder drei Lutsrechern versucht ds Betriebsschlleld zu reroduzieren. Dnn müssten ber lle Kombintionen von Beschllungsositionen durchgerechnet werden, ws den Zeituwnd ins Unendliche treiben würde. Wenn mn nicht weiß, ob es sich bei den eilschllquellen um ohärente oder inohärente Quellen hndelt, muss mn beide Berechnungsmethoden usrobieren. Eine ohärente Berechnung von inohärenten Quellen bringt ebenso ein Ergebnis hervor wie die inohärente Berechnung zweier ohärenter Quellen. Selbst bei einer Mittelung über den gnzen Frequenzbereich ist eine Lolisierung möglich: Abb Abbildung Zwei Quellen bei 6,70 m und 7,70 m wurden versucht zu lolisieren. Augetrgen ist der über den gnzen Frequenzbereich gemittelte Fehlerrmeter über der jeweils ehlenden Beschllungsosition. Lins: Hier wurde versucht mit einer ohärenten Berechnung zwei inohärente Quellen zu lolisieren. Rechts: Andersherum sollten hier zwei ohärente Quellen mit einer inohärenten Berechnungsmethode lolisiert werden. In beiden Fällen ist die Lolisierung ehl geschlgen. Wie in Abb zu erennen ist, ührt eine lsche Auswhl der Berechnungsmethode zu einem Ergebnis. Nur die richtige Berechnungsmethode lieert eine Aussge über den Ort und die Anzhl der Quellen. Im Zweielsll müssen eben beide Berechnungsmethoden durchgeührt und die Ergebnisse verglichen werden. Als letztes Entscheidungsmittel nn eine nschließende Simultion mit den usgewählten Lutsrechern dienen. Der Unterschied zwischen Betrieb und Simultion nn sowohl mit der ohärenten ls uch mit der inohärenten Methode ermittelt werden. Nur eine Methode nn mit den wenigen usgewählten Lutsrechern ds richtige Ergebnis lieern. Bei zwei Quellen und 6 Lutsrecherositionen werden 6 Schlleldsimultionsotimierungen durchluen, woür mn je nch Größe des Frequenzbndes ½ - Stunden benötigt. Jede Otimierung benötigt lso etw 5 Minuten. Möchte mn hingegen lle Kombintionen berechnen, so wären L-!,6 0 5 Otimierungen notwendig.

54 48 K. 4 Verhren zur Lolisierung von Schllquellen 4.4 Disussion und Zusmmenssung In diesem Kitel wurde ein völlig neurtiges Verhren zur Lolisierung von Schllquellen vorgestellt. Au der Bsis des in Kitel 3 erörterten Verhrens zur Simultion von Schlleldern werden hier die rnseruntionen eines Arrys von Beschllungslutsrechern vermessen. Mit einer Folge von Schlleldsimultionen ermittelt mn nschließend die wichtigsten Beschllungsositionen. Diese sind dnn identisch mit den relen Betriebsquellen. Zur Bestimmung des Aulösungsvermögens dieses Verhrens wurde ein Prinziversuch durchgeührt. Vergleicht mn ds gemessene Aulösungsvermögen mit dem theoretischen Aulösungsvermögen 4.3-6, welche sich us otischen Überlegungen nch Abbe bleiten lssen, so stellt mn est, dss ds vorgestellte Verhren um etw einen Ftor 3 besser ist ls die theoretische Begrenzung durch ds Beugungslimit nch der Abbeschen heorie. Ds erzielte Aulösungsvermögen von etw einem Drittel der Wellenlänge stimmt mit den Überlegungen zur räumlichen Ausdehnung einer Schllquelle K. 4. überein. Aus dem Schlleld lleine ließe sich ugrund des Beugungslimits eine Verbesserung der Lolisierbreit erreichen. Nur durch die Kenntnis der Beschllungsositionen erzielt mn hier ähnlich wie im otischen Bereich bei llen Rstersondenmirosoen eine verbesserte räumliche Aulösung. Kohärente Quellen lssen sich ugrund der großen Zhl von Beschllungslutsrechern mit diesem Verhren nur bedingt lolisieren. Lediglich bei einer Mittelung über einen großen Frequenzbereich nn eine Lolisierung erolgen. Ist hingegen die Art der Kohärenz nicht bennt, so muss mn sowohl mit einer ohärenten ls uch mit einer inohärenten Simultion eine Lolisierung vornehmen und im Nchhinein die Ergebnisse miteinnder vergleichen. Ein großer Vorteil des Verhrens, vor llem im relen Messbetrieb, ist die Unbhängigeit von den Versuchsbedingungen. Nirgendwo geht die Position oder der Absolutegel der Miroone ein. Sind die Miroone einigermßen sinnvoll im Rum verteilt, so dss ds Schlleld mit seinen Chrteristi uch ugenommen werden nn, nn eine Lolisierung der Quelle stttinden. Ebenso ist es unwichtig, ob die Miroone libriert sind oder nicht. Jeder rnserd wird j zweiml durchluen und ällt bei der Berechnung wieder herus. Lediglich die Position der Beschllungen muss ext tlogisiert werden. Zudem muss gewährleistet sein, dss ds Beschllungsrry den Ort der relen Quellen uch bdect. In Abb sind die wesentlichen Vor- und Nchteile nochmls nebeneinnder gestellt. Vorteile: Räumliche Aulösung unter dem Beugungslimit möglich. Unbhängigeit von Miroonositionen. Unbhängigeit von Miroonlibrierung. Unbhängigeit vom rnserd eine Freieldbedingung notwendig. Nchteil: Kohärente Quellen nur bedingt lolisierbr. Abbildung 4.4- Vor- und Nchteile der Schllquellenlolisierung mittels Schlleldsimultion.

55 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch rnserdnlyse ür ds Außengeräusch Die erste Säule der vorliegenden Arbeit ist die Entwiclung eines rnserdnlyseverhrens ür ds Fhrzeugußengeräusch bsierend u den Überlegungen zur Simultion von Schlleldern. Dzu ist es erst einml notwendig, ds Fhrzeugußengeräusch zu deinieren, den Interessenschwerunt zu setzen und die ür ds Verhren zur Verügung stehenden Einrichtungen zu beschreiben. Im Anschluss n diese Einührung wird die Idee der rnserdnlyse ür ds Außengeräusch ugezeigt. Ds Verhren beinhltet sowohl messtechnische, ls uch berechnungstechnische Frgestellungen, die in den olgenden Unteriteln erörtert werden und die letztendlich zu einem Verhren ühren, dessen Möglicheiten und Ergebnisse in den letzten Unteriteln ugezeigt wird. 5. Ds Fhrzeugußengeräusch Ds Fhrzeugußengeräusch wird meist ls Belästigung whrgenommen. Schon in der Frühzeit des Automobilbus wurden dher vom Gesetzgeber Vorschriten erlssen [SV37], die ds Geräusch limitieren sollen. Mit steigendem Verehrsuommen steigt dennoch die Belstung durch Verehrslärm. Dbei werden die verschiedenen Strßenhrzeuge unterschiedlich belästigend whrgenommen [LAM95],[PAS95],[SV96]. Auch die verschiedenen Betriebszustände bis hin zur unschgemäßen Bedienung z.b. Kvlierstrt werden unterschiedlich störend emunden [VAL95]. Der Gesetzgeber versucht mit Vorschriten die Lärmbelästigung vor llem in den Städten zu limitieren. Dher ist jeder Fhrzeughersteller dzu ngehlten, die entsrechenden Grenzwerte einzuhlten. Fst die omlette Entwiclungsrbeit u dem Gebiet des Fhrzeugußengeräusches oussiert sich demnch u die Einhltung der Grenzwerte. Andere Geräuschsete wie die Psychousti werden hutsächlich ür ds Fhrzeuginnengeräusch untersucht [HIE88] und inden im Außenbereich nur wenig Interesse. In jüngster Vergngenheit jedoch, z.b. beim Ngeln eines Dieselmotors, werden uch sychoustische hemen vermehrt in Betrcht gezogen. 5.. Gesetzesvorschriten Die Gesetzesvorschrit zur Limitierung des Fhrzeugußengeräuschs setzt sich us einem Messverhren und einem Grenzwert zusmmen. Abb. 5.- Gesetzesvorschrit Messvorschrit ISO 36 Grenzwert z.zt. 74 dba Abbildung 5.- Gesetzesvorschrit Messvorschrit Grenzwert. Augrund des steigenden Verehrsuommens einerseits und den Entwiclungen im Fhrzeugbu ndererseits wurde der Grenzwert ür ds Außengeräusch von Krthrzeugen immer weiter bgesent. Während 980 noch 84 dba ür einen Neuwgen zulässig wren, sind heute nur noch 74 dba erlubt. Demnch erzeugt heutzutge ein einziges 0 Jhre ltes Auto soviel Lärm wie 0 Neuwgen zusmmen [GEI98]. Wenn mn jedoch von Pegelwerten sricht, so muss mn immer ein Messverhren ngeben, ds die Aunhme dieser Werte beschreibt.

56 50 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch 5.. Messvorschrit ISO 36 rotz der Viellt der möglichen Betriebszustände eines Krthrzeugs ist es ür den Gesetzgeber notwendig, einerseits ein einches Messverhren vorzuschreiben mit dem vergleichbre und reroduzierbre Ergebnisse ermittelt werden önnen, ndererseits sollten möglichst viele Fcetten des Betriebsgeräusches ersst werden. Diesen grundsätzlichen Widersruch löst mn ddurch u, dss mn ds mximle Geräusch, welches im Stdtverehr vorommt, zu messen versucht. Die Messvorschrit hierzu wurde in der DIN ISO 36 [ISO97], [KEV95] estgelegt. Diese Norm stellt die Messvorschrit dr, nch der ds Geräusch beschleunigter Strßenhrzeuge gemessen werden muss. Abgesehen von diversen Ausnhmen wird die Messung wie olgt durchgeührt Abb. 5.-: Abbildung 5.- Messubu zur Messung des Fhrzeugußengeräuschs gemäß DIN ISO 36. vgl ext Die Messstrece beträgt 0 Meter und ist mit einem ISO Fhrbhnbelg, der sich durch ein geringes Reien-Fhrbhngeräusch uszeichnet, shltiert [SAN9]. Rechts und lins der Fhrbhn steht im Abstnd von 7,5 Metern zur Fhrbhnmitte je ein Miroon in, Metern Höhe. Ds Fhrzeug ährt zunächst mit einer onstnten Geschwindigeit von 50 m/h bis zur Linie AA hern. Sobld die Fhrzeugront die Linie AA überschreitet, beschleunigt der Fhrer mximl voll geönete Drosselle. Diese Volllstbeschleunigung muss so lnge urechterhlten werden, bis der Wgen mit dem Hec die Linie BB überquert ht. Als Messwert gilt der Mximlwert der luteren Fhrbhnseite. Dieses Verhren ührt zu einer reroduzierbren Geräuschentwiclung und misst den höchsten Geräuschegel, welcher mit der Fhrweise in der Stdt vereinbr ist. Mn nn sich hierbei die Sitution einer Konstnthrt in der Stdt von 50 m/h u eine Amelnlge zu, vorstellen. Kurz vor erreichen der Amel schltet diese von grün u gelb. Druhin gibt der Fhrer Vollgs, um ein Wrten vor der Amel zu vermeiden. Die Messung duert mit den hndelsüblichen BMW-Fhrzeugen im Durchschnitt,6 Seunden. Dbei beschleunigen leistungsstre Fhrzeuge u einer Strece von etw 5 Metern von 50 m/h u über 65 m/h.

57 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch Außengeräuschrüstnd Zur Einhltung der ständig sinenden Pegel-Grenzwerte ist ein hoher Entwiclungsuwnd notwendig. Otmls sind nur einige Zehntel db entscheidend, ob ds Fhrzeug zum Strßenverehr zugelssen werden dr oder nicht. Ist ds Fhrzeug zu lut, werden solnge Veränderungen drn vorgenommen, bis ds Geräusch n unter dem Zulssungswert liegt. Diese Arbeit ist jedoch nur möglich, wenn mn über mehrere ge hinweg einheitliche Bedingungen scht, die rei von Störgeräuschen und Witterungseinlüssen sind. Zudem ist es ür Geräuschnlysen ot notwendig, dss ds Fhrzeug einerseits nicht bewegt wird, ndererseits jedoch den durch die ISO 36 vorgeschriebenen Messzylus durchährt. Deshlb bute die F. BMW ls einer der ersten Fhrzeugbuer einen Außengeräuschrüstnd, der ll diese Vorussetzungen scht, die ür eine systemtische Entwiclungsrbeit notwendig ist [EIL88]. Dieses Konzet ist so erolgreich, dss inzwischen st lle Automobilhersteller einen solchen Außengeräuschrüstnd [SKA00] besitzen. Im Außengeräuschrüstnd soll derselbe Messblu wie u der Messstrece nch der DIN ISO 36, lso der beschleunigten Vorbeihrt stttinden. D die Messstrece im reien Feld ern von reletierenden Bebuungen sein soll, muss ein entsrechender Rum mit schllweichen, bsorbierenden Wänden usgestttet sein. Der Boden ist hingegen schllhrt und ht demnch eine reletierende Wirung, ähnlich dem Ashlt der eststrece. In dieser Anordnung sricht mn von einem Semi-Freieldrum. Abb Ds Fhrzeug ist in der Mitte des Rumes est ositioniert und n den nichtngetriebenen Rädern ixiert. Die Antriebsräder beinden sich u einer Rolle, die es erlubt, ds Fhrzeug unter Lst in Betrieb zu nehmen. Dbei wird der Rollwiderstnd von einer Steuerung so eingestellt, dss er den relen Fhrwiderständen des Fhrzeugs entsricht. Die Beschleunigung der Rolle durch ds Fhrzeug ist lso genu gleich der Beschleunigung des Fhrzeugs u der eststrece 3. Unter diesen gleichen Bedingungen erzeugt ds Fhrzeug ds gleiche Geräusch wie u der Strße 4. Zur Aunhme des Vorbeihrtgeräusches müsste nun ein Miroon u jeder Fhrzeugseite im entsrechen Abstnd vorbeigeührt werden. D dies jedoch technisch nur schwer zu relisieren ist, sind neben dem Fhrzeug im Abstnd von ün Metern je 3 Miroone ositioniert. Alle Miroone nehmen ds Geräusch des beschleunigenden Fhrzeugs u. Bei einer Nchuswertung werden dnn zu den entsrechenden Zeiten die Miroone so usgewählt, dss eine Vorbeihrturve entsteht. Die Punte zwischen den Miroonen werden dbei interoliert, so dss die Vorbeihrturve nicht nur us 3 Punten besteht. Abb Die Oberlächengeschwindigeit der Rolle stimmt mit der Geschwindigeit des Fhrzeugs zu jedem Zeitunt überein. 4 Abweichungen ommen durch ds ehlende Rollgeräusch der nichtngetriebenen Räder und ds ehlende Windgeräusch zustnde. Diese Eete sind jedoch unter den Messbedingungen der DIN ISO 36 reltiv lein. Die egelbestimmenden Schllquellen sind uch im Prüstnd tiv.

58 5 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch Abbildung 5.-3: Prinzi der Vorbeihrtsimultion im Außengeräuschrüstnd siehe ext. Ds Signl der 6 Miroone wird über einen Vorverstärer in ds PAK 5 -System, einem Hrd- und Sotwretool zur Messung und Auswertung der Dten, geührt. Hier wird zusmmen mit den Dten der Rolle die Vorbeihrturve erstellt. Mit diesem Prüstnd ist mn lso in der Lge, die beschleunigte Vorbeihrt m ruhenden Fhrzeug zu untersuchen. Ein Hutvorteil ist nun, dss mn einzelne Fhrzeugomonenten ustisch isolieren nn und so u die Geräuschnteile der einzelnen Quellen während der Fhrt schließen nn Geräuschomonentennlyse Ds Fhrgeräusch eines vorbeihrenden Krthrzeugs setzt sich us den Geräuschen verschiedener Einzelschllquellen zusmmen. Fährt ds Fhrzeug u ds Miroon zu, so ist ds Ansuggeräusch oder ds Motorgeräusch egelbestimmend, während bei einem dvonhrenden Fhrzeug hutsächlich die Ausumündung zu hören ist. Ds Mximum der Vorbeihrturve wird meist dnn erreicht, wenn sich ds Fhrzeug in einem leinen Abstnd zum Miroon beindet. D sich hier lle geräuschemittierenden eile in ähnlichem Abstnd zum Miroon beinden, ist es ot schwierig, u die egelbestimmenden Buteile zu schließen. Im Außengeräuschrüstnd ht mn nun die Möglicheit die Vorbeihrt zu messen und dbei einzelne Buteile ustisch zu seln. Eine Geräuschomonentennlyse nn z.b. so erolgen, dss mn zuerst den Motor und die Reien selt. Abb.5.-4 Bei einer Vorbeihrtmessung wird so der Geräuschnteil der Abgsnlge ugenommen. Nimmt mn nun noch ds Gesmtgeräusch im Serienzustnd u, so nn durch Dierenzbildung u die Beiträge der Hutomonenten geschlossen werden. [EIL88] 5 PAK Prüstnds-Austi-Meßsystem von Müller-BBM GmbH Deutschlnd

59 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch 53 Abbildung 5.-4: Komonentennlyse im Außengeräuschrüstnd. Der Motor ist mit einer Motorsel ustisch isoliert. Ds Reiengeräusch ist durch Prüstndsreien Slis weitestgehend eliminiert. Der Boden ist schllhrt, während die Wände mit Keilen schllbsorbierend usgeleidet sind. An der Seite sind einige Vorbeihrtmiroone erennbr. 5. Schlleldsimultion ür ds Fhrzeugußengeräusch Zur Anlyse und Vorusberechnung des Fhrzeugußengeräusches wurde ein Verhren zur Simultion des Schlleldes im Außenbereich des Fhrzeugs entwicelt. Dieses Verhren bsiert u den in Kitel 3 drgelegten Überlegungen zur Simultion von Schlleldern. In diesem Kitel wird diese Entwiclung beschrieben. Nch den grundsätzlichen Gednen über ds Ziel und die Durchührung des Verhrens wird der exerimentelle Aubu sizziert. In den nächsten Unteriteln wird dnn detillierter u ds Verhren eingegngen, wobei sowohl Berechnungsmethoden ls uch exerimentelle Detiluntersuchungen disutiert werden. Die grundlegende Idee wurde zusmmen mit einer ersten Auswertung in [DEM00] veröentlicht. 5.. Motivtion des Verhrens Für jede ustische Entwiclungsrbeit ist es notwendig, die Anteile jeder eilschllquelle m Gesmtgeräusch zu ennen. Möchte mn ds Geräusch einer omlexen Schllquelle reduzieren, so ist es m eetivsten, die lutesten eilschllquellen zu identiizieren und n diesen Mßnhmen einzuleiten. Ds in Kitel 5..4 vorgestellte Verhren der Geräuschomonentennlyse ist die bis heute gängigste Methode zur Bestimmung der Zusmmensetzung des Gesmtgeräusches eines Fhrzeugs. Mittels Messung mit verschiedenen Kselungen werden die Geräusche verschiedener Quellenombintionen ugenommen und

60 54 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch durch energetische Addition oder Subtrtion die Einzelnteile der eilschllquellen bestimmt. Diese Methode ht jedoch mehrere Nchteile, die im Folgenden ugelistet sind:. Ds Fhrzeug wird verändert: Eine Kselung behindert nicht nur die Schllusbreitung, sondern uch den Wärmeustusch mit der Umgebung. Mn nn sich leicht vorstellen, dss es z.b. unter der Motorselung zu einem Wärmestu ommt, der den Betrieb des Motors in irgendeiner Form beeinlusst. Diese Betriebsänderung des Motors wird im weiteren Verlu uch n die Schlldämer weitergegeben, so dss deren Geräusch nicht mehr mit dem ursrünglichen Betriebsgeräusch übereinstimmt.. Die rnseruntionen werden verändert: Eine Kselung verändert die räumlichen Begebenheiten. Die Schllusbereitung eines nicht geselten Buteils wird durch eine mssive Kselung str beeinträchtigt. Stellt mn sich z.b. den Weg des Schlls des Mittelschlldämers n der Mitte des Unterbodens in Richtung der vorderen Vorbeihrtmiroone vor, so stellt die in Abb bgebildete Motorselung eine erheblich Beeinträchtigung der Schllusbreitung dr. Angenommen der Mittelschlldämer wäre ür ds Geräusch vor dem Fhrzeug dominierend, so tritt durch die Kselung eine Geräuschreduzierung u. Diesen Eet würde mn hier jedoch dem Motor nrechnen und somit ein lsches Ergebnis verurschen. 3. Weitere Nchteile: Neben den oben gennnten rinziiellen Fehlern und des Nchteils des enormen Arbeitsuwndes zur vollständigen Chrterisierung des Gesmtgeräusches gibt es noch einige leinere Fehlerquellen. Z.B. ist ds mehrche Messen eines Zustndes qusi nicht möglich. D die Umburbeiten einige Zeit in Ansruch nehmen, wird nicht nur die emertur des Fhrzeugs immer wieder geändert, sondern uch ds Klim im Rum, so dss mn, je länger die Messrozedur duert, ständig ndere Betriebszustände misst. Ds in dieser Arbeit entwicelte Verhren zur Simultion des Außengeräusches ist weitestgehend rei von diesen Fehlerquellen. Die Ziele stimmen hingegen mit der herömmlichen Geräuschomonentennlyse überein: Die Anlyse des Gesmtgeräusches, lso die Bestimmung der Beiträge jeder eilschllquelle zum Gesmtgeräusch eines vorbeihrenden Fhrzeugs. Aubuend u diesen Ergebnissen ist es dnn mittels Pegelddition möglich, ds Gesmtgeräusch eines Fhrzeugs mit bgeänderten eilschllquellen bzuschätzen. Im Folgenden wird die Relisierung dieses Verhrens beschrieben. 5.. Grundidee Bsierend u den Ideen zur Simultion von Schlleldern K. 3 nn mn zur Geräuschomonentennlyse die Beschllungslutsrecher u die Position der eilschllquellen bringen. Vorerst sollen die eilschllquellen bennt sein, lediglich die Zusmmensetzung der Geräuschnteile ist zu nlysieren. Der genue Ort der eilschllquellen wird säter nochmls genuer detetiert. Mit den n den Geräuschquellen ositionierten Lutsrechern versucht mn ds zuvor gemessene Betriebsgeräusch zu reroduzieren. Dnn erzeugt jeder Lutsrecher ds gleiche Schlleld wie seine zu ersetzende rele eilschllquelle. Nun nn mn virtuell einige Lutsrecher bschlten und ds Geräusch der übrigen eilschllquellen bestimmen. Bildlich nn mn lso den Ausu betreiben, ohne den Motor in Betrieb nehmen zu müssen. Im Einzelnen gliedert sich ds Verhren in olgende Schritte:

61 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch 55.Schritt: Messung des Betriebsgeräusches Betrieb, K des Fhrzeugs im Außengeräuschrüstnd. Zur Aunhme des Schlleldes dienen 36 Vorbeihrtmiroone und 48 Nheldmiroone, die in unmittelbrer Nähe zum Fhrzeug ugebut werden Abb Die Nheldmiroone sind sehr sensibel u Geräusche in unmittelbrer Nähe. So nehmen die Miroone n der Fhrzeugront hutsächlich ds Ansug- und Motorgeräusch u, während die Pegel n den Miroonen der Rücseite von der Schlldämermündung dominiert sind. Abbildung 3.- Messung des Schlleldes eines PKWs. Ds Ferneld wird mit den Vorbeihrtmiroonen des Außengeräuschrüstndes gemessen. Ds Nheld wird von 48 Nheldmiroonen um und unter dem Fhrzeug vermessen. Ein Miroon wird ls Reerenzmiroon verwendet. Die Phsenlge jedes Miroons wird bezüglich dieses Reerenzmiroons gemessen..schritt: Messung der rnseruntionen: Die eilschllquellen Motor, Ansugmündung, Schlldämer, Reien und Ausumündung werden ncheinnder durch Lutsrecher ersetzt, bzw. in der Nähe der Quellen wird ein Lutsrecher ltziert. Der Lutsrecher wird mit weißem oder ros Ruschen beuschlgt. Von jeder Lutsrecherosition l us wird die rnseruntion, l ls Quotient us Anregung l n den Beschllungsositionen l...l und resultierendem Schlldruc n den Miroonen...K bestimmt: 5.-, l 5.- l

62 56 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch Als Prmeter ür die Anregung wurde zunächst 6 die Lutsrechermembrnbeschleunigung gemessen. Mn nn uch die Eingngssnnung m Lutsrecher oder m Verstärer nehmen. Bei genuerer Betrchtung sielt der Absolutwert dieser Größe eine Rolle. Aus diesem Grund wird im Folgenden bei der Beschllung l gesetzt, die Anregung ist lso. Die hysilische Größe ist ds Produt us rnseruntion und berechneter Anregung, wie im 3. Schritt deutlich wird. D ällt die Anregung dnn wieder rus und ein Schlldruc bleibt übrig. Hier wird dnn deutlich, dss weder der Wert noch die Einheit der Lutsrechernregung von Bedeutung sind. Es hndelt sich hier nur um einen Hilsrmeter. 3.Schritt: Der dritte Schritt indet m PC sttt. Virtuell betreibt mn nun den Lutsrecher n llen Beschllungsositionen gleichzeitig mit dem Ziel, ds im ersten Schritt gemessene Betriebsgeräusch zu reroduzieren. Die dzu notwendigen Lutsrechernregungen werden mit einem Berechnungslgorithmus ermittelt. Die zur Simultion zur Verügung stehenden Algorithmen wurden bereits im dritten Kitel usührlich erläutert. Die Whl des geeignetsten Algorithmus wird im ncholgenden Unteritel 5.3 erörtert. Für den einchsten Fll der ohärenten Addition der Schllquellen und der Otimierung des Betrgs und der Phse steht die Methode der Pseudoinversen zur Verügung K. 3.. Der schemtische Ablu der Otimierung sei nhnd dieses Beisiels in Abbildung 5.- drgelegt. Abbildung 5.- Schemtische Drstellung der Simultion des Außengeräusches eines Fhrzeugs. Jeder Lutsrecher ersetzt eine eilschllquelle m Fhrzeug. Die Lutsrechernregungen werden so gewählt, dss ds Betriebsgeräusch reroduziert wird. Nun erzeugt jeder Lutsrecher genu ds Schlleld der eilschllquelle, die er ersetzt. Ds simulierte Gesmtgeräusch ist die Summe der Beiträge jeder einzelnen Lutsrecherosition. Diese Summe muss je nch Rechenverhren ohärent oder inohärent gebildet 6 Wie in [DEM00] doumentiert.

63 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch 57 werden. Jeder einzelne Summnd ist ds simulierte Geräusch der jeweiligen eilschllquelle. Im Schem in Abbildung 5.- wird jede eilschllquelle durch eine Lutsrecherosition ersetzt. In einigen Fällen ist es jedoch sinnvoller, mehrere Lutsrecherositionen ür eine eilschllquelle zu verwenden siehe K Dnn müssen ür ds eilgeräusch die entsrechenden Untersummen gebildet werden Exerimenteller Aubu Alle Messungen inden im Außengeräuschrüstnd AGP sttt. Zusätzlich zu den estinstllierten Vorbeihrtmiroonen sind Nheldmiroone ngebrcht Abb Die insgesmt 48 Nheldmiroone sind um und unter dem Fhrzeug ugebut und werden mit einem Vorverstärer verstärt und zusmmen mit den 6 Vorbeihrtmiroonen 7 in einem ddon Gerät zusmmengeührt. D ds PAK-System bei einer großen Dtenlut nicht in Echtzeit rbeiten nn, wird ds dd -on vorgelgert. Dies ist ein Seicher ür ds PAK-System, der eine Vielzhl von Miroondten gleichzeitig unehmen nn. Diese Dten werden dnn nch der Messung nch und nch vom PAK-System bgeruen und verrbeitet. Der Aubu ist schemtisch in Abb drgestellt. Abbildung 5.-3 Schemtischer Messubu zur Simultion von Schlleldern siehe ext. Im Fll der Betriebsmessung wird ds Fhrzeug in Betrieb genommen. Im zweiten Schritt ist ds Fhrzeug bgeschltet und ein Lutsrecher wird ncheinnder n die verschiedenen Beschllungsositionen gebrcht. Der Lutsrecher wird mit weißem Ruschen beuschlgt, 7 Die Vorbeihrtmiroone werden ebenlls mit einem estinstllierten Vorverstärer verstärt. Ein zusätzlicher Aubu ist hier nicht notwendig.

64 58 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch ds von einem Ruschgenertor erzeugt und über einen Verstärer u den Lutsrecher gegeben wird. Der Lutsrecher ht einen Membrndurchmesser von 5 cm. Kleinere Lutsrecher önnen im niederrequenten Bereich nicht genug Leistung bstrhlen, größere Lutsrecher bringt mn m Fhrzeug noch schlechter unter. Ds PAK-System bildet mittels der Fst-Fourier-rnsormtion FF Setren ür jedes Miroon. Der dritte Schritt des Verhrens, lso die Simultion des Schlleldes, indet m PC sttt. Dzu werden die Schlldrucsetren im Universl-File-Formt us der PAK-Welt in die PC-Welt exortiert. Die Schlldrucsetren liegen dnn ls APS 8 - und CPS 9 -Dten vor und werden im PC zu omlexen Setren zusmmengeügt. Für die CPS-Dten muss im PAK ein Reerenznl ngegeben werden. Die Phsenlgen ller Miroone werden u den Reerenznl bezogen Simultionsblu und Auswertungsrogrmme Alle Simultionen und Auswertungen zu dieser Arbeit wurden mit MALAB 30 rogrmmiert. Der erste Schritt ist somit die Konvertierung der im Universlile- Formt vorliegenden APSund CPS-Dteien in ds MALAB-Formt. Dzu werden die Dteien geönet und entsrechend den Stndrds des Universlile Formts usgelesen. Die dbei entstehenden MALAB-Vriblen werden dnn im MALAB-Formt bgeseichert. Im nächsten Schritt werden us den APS-Vriblen und den Phsenwineln der CPS-Dten ϕ CPS gemäß 5.- omlexe Schlldrucsetren zusmmengesetzt: [ cos ϕ isin ϕ ] APS CPS CPS 5.- Ds Betriebsschlleld Betrieb liegt nun in der Form eines omlexen Setrums vor. Anschließend wird us den Beschllungsmessungen u gleiche Weise die rnsermtrix,l erzeugt. Die Simultion des Schlleldes, lso die Berechnung der benötigten Lutsrechernregungen zur Rerodution des gemessenen Betriebsschlleldes, indet in einer Berechnungsroutine sttt. Drin wird ür jede Frequenz ds zu lösende Gleichungssystem ugestellt, die Zieluntion und die entsrechenden rtiellen Ableitungen deiniert und mittels eines Newtonverhrens wird die Zieluntion minimiert vgl. K. 3. Als Ergebnis wird ein Stz von Lutsrechernregungen l sowie ds simulierte Gesmtschlleld Simu usgegeben. Der Dtenluss zum Ablu der gesmten Konvertierung und Berechnung ist in Abb schemtisch drgestellt. Zur Auswertung der Dten wurden verschiedene ools erstellt, die sich im Wesentlichen in zwei Ktegorien einteilen lssen: Die Fhrzeugnsicht und die Vorbeihrtnsicht. In der Fhrzeugnsicht werden die Pegel n llen Miroonen rblich bzw. in Grustuen drgestellt. Zwischen den Miroonen wird mittels eines Frbverlus gemittelt. In Abbildung 5.-5 ist eine Betriebsmessung in der Fhrzeugnsicht drgestellt. 8 APS Auto Power Sectrum Leistungssetrum. Die Wurzel ist eine Besonderheit des PAK-Systems und ist mit der Deinition von APS nicht onorm 9 CPS Cross Power Sectrum Kreuzleistungssetrum re 30 MALAB ist eine mächtige Progrmmierumgebung der Firm he MthWors ür den mthemtischen und nturwissenschtlichen Bereich.

65 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch 59 Abbildung 5.-4 Dtenlussdigrmm zur Schlleldsimultion. vgl. ext Abbildung 5.-5 Fhrzeugnsicht einer Betriebsmessung. An den Knotenstellen des Gitters liegen die Positionen der Miroone. Die Grustuen geben Auschluss über den Schlldrucegel. Die Miroone des Seitengestells vgl. Abb. 3.- sind nch ußen hin ugelt drgestellt. Die Pegel der Vorbeihrtmiroone sind n den Rndstreien zu erennen. Die Fhrtrichtung ist mit einem Peil mriert.

66 60 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch Die Fhrzeugnsicht eignet sich ür schnelle Vergleiche zwischen Betrieb und Simultion. Ausreißer ugrund eines deeten Miroons nn mn hier schnell erennen. Um ds Zusmmensiel der eilschllquellen zu nlysieren, muss mn jedoch mehrere Schllelder gleichzeitig betrchten önnen. Hier eignet sich die Vorbeihrtnsicht Abb Der Schlldrucegel wird über dem Ort des Fhrzeugs ugetrgen. Im Vergleich zur Fhrzeugnsicht betrchtet mn lso eine Seite der Vorbeihrtmiroone. D mn nur 3 Miroone ro Seite gemessen ht, muss zwischen den Miroonositionen gemittelt werden. Der Pegel einer Position wird dbei ls Summe us den beiden nächsten Nchbrmiroonen gebildet. Ds Verhältnis der Abstände zu den Miroonen wird dbei ls Gewicht berücsichtigt Abb Abbildung 5.-6 Vorbeihrtnsicht einer Simultion. Neben der Simultion des Gesmtschlleldes sind uch die Beiträge der eilschllquellen drstellbr. Die Simultion wurde bei einer onstnten Drehzhl mit der inohärenten Quotientenmethode berechnet.

67 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch 6 Abbildung 5.-7 Ermittlung der Schlldrüce ür den Pegel über dem Ort zwischen den Miroonositionen. D nur 3 Miroone entlng der Fhrzeugseiten ugestellt sind, muss zwischen den Positionen gemittelt werden. Dzu werden die Schlldrüce der benchbrten Miroone mit dem jeweiligen Abstnd gewichtet und energetisch gemittelt. 5.3 Disussion geeigneter Berechnungsmethoden Die Disussion der geeignetsten Berechnungsmethode beschränt sich u die Frge, ob die Quellen ohärent oder inohärent sind. Wie bereits im Kitel 3.3 genuestens drgelegt wurde, muss mn dnn ein ohärentes, inohärentes oder teilohärentes Gleichungssystem ustellen. Die Lösung des Gleichungssystems indet idelerweise mit der Quotientenmethode sttt. Die Dierenzenmethode gewichtet die luten Anteile zu sehr und die logrithmische Quotientenmethode erzeugt einen höheren Fehler ls die einche Quotientenmethode. Jedoch ist der Fehler u der db-sl normlverteilt, ws bei der normlen Quotientenmethode nicht der Fll ist. Dennoch sind wir j n einem möglichst geringen Fehler interessiert und verwenden ür dieses Kitel die Quotientenmethode zur Lösung der Gleichungssysteme. Um heruszuinden, ob eine ohärente oder inohärente Berechnungsmethode die bessere ist, nn mn zwei Überlegungen nstellen. Zum einen nn mn die Kohärenz der Nheldgeräusche der eilschllquellen zueinnder messen K. 5.3., zum nderen eine Schlleldsimultion ohärent und inohärent durchühren und diese mit der Messung vergleichen. Mit der richtigen Methode erhält mn dnn ds beste Ergebnis. Diese Vorgehensweise wird im Kitel 5.3. erläutert. Im Kitel werden die Ergebnisse nochmls zusmmengesst Kohärenzbetrchtungen Zwei oder mehr Signle sind dnn ohärent zueinnder, wenn sie in einem uslen Zusmmenhng stehen. Sie müssen lso von derselben Quelle oder von verschiedenen Quellen, jedoch mit einer Anregung mit ester Phsenlge zueinnder, erzeugt werden. Die Kohärenzuntion γ ω ist der Quotient us der Kreuzleistungsdichte S g ω und den Autoorreltionsleistungsdichten S ω und S gg ω zweier Signle t und gt: [KLI88]

68 6 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch γ ω S S g ω ω S ω gg 5.3- Die setrlen Kreuz- und Autoorreltionsleistungsdichten sind die Fouriertrnsormierten, lso die setrlen Leistungsdichten der Kreuz- bzw. Autoorreltionsuntionen Φ g τ, Φ τ und Φ gg τ: S S g ω Φ τ i ωτ g e dτ ω Φ τ i ωτ e dτ Die Korreltionsuntionen Φ g τ, Φ τ und Φ gg τ wiederum sind ds zeitliche Mittel der multilizierten Signle tgtτ, ttτ bzw. gtgtτ. Φ Φ g τ t g t τ lim t g t τ dt τ t t τ lim t t τ dt Bei γ sind die Quellen usl zusmmenhängend. Die Geräusche sind dnn von einer Anregung verurscht worden. Bei γ 0 inden sich eine uslen Übereinstimmungen in den beiden Signlen. Zur Ermittlung der Kohärenzuntion sind mehrere Mittelungen notwendig, ws eine Konstnz des Signls über einen bestimmten Zeitrum vorussetzt. Im Fll des Fhrzeuggeräusches ist dher ein sttionärer Betrieb unbdingbr. Zur Überrüung der Kohärenz der einzelnen eilschllquellen wurden die Miroone, die im Nheld in unmittelbrer Nähe einer Quelle ositioniert sind, miteinnder verglichen. In der Abbildung 5.3- sind die Kohärenzuntionen von Motor zu Ausumündung und von Motor zu Reien drgestellt. Zum Vergleich wurde die Kohärenz nicht nur im Betrieb, sondern uch bei der Beschllung ermittelt. Während die Kohärenzuntion lediglich im tierequenten Bereich u einen uslen Zusmmenhng der Betriebsgeräusche hindeutet, muss mn jedoch eststellen, dss ds Fhrzeuggeräusch weitestgehend inohärent zu sein scheint. Der Zusmmenhng zwischen Reien- und Motorgeräusch ist ähnlich schwch usgerägt wie zwischen Ausu und Motor. Die Beschllungsmessung hingegen zeigt eine gute Kohärenz zwischen den einzelnen Messunten. Abgesehen von einzelnen Frequenzen, bei denen es ugrund loler Auslöschungen zu Fehlinterrettionen ommt, ist hier die Kuslität der Signle lr erennbr. Bevor dieses Ergebnis weiter interretiert wird, wollen wir uns zunächst der zweiten Herngehensweise zuwenden, um nschließend die Ergebnisse im Zusmmenhng disutieren zu önnen.

69 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch 63 Betrieb Beschllung Abbildung 5.3-: Kohärenz zwischen Miroonen m Motor und m Ausu bzw. Motor und Reien. Die Kohärenz wurde sowohl im Betrieb lins ls uch bei der Beschllung rechts ermittelt. Während bei der Beschllung die Signle hutsächlich ohärenten Chrter hben, herrscht im Betrieb qusi ein ohärenter Zusmmenhng. Auch zwischen Reien und Ausugeräusch lssen sich eine Unterschiede im Kohärenzverhlten usmchen Vergleich zwischen Simultion und Komonentennlyse Wie bereits im Kitel 3.5 nhnd eines Prinziversuchs disutiert wurde, lieert eine ohärente Berechnung meist ein u den ersten Blic besseres Ergebnis. Bei genuerer Betrchtung stellt mn jedoch est, dss ds Betriebsschlleld lediglich n den einzelnen Messunten richtig reroduziert wurde, dzwischen ber Fehler utreten önnen. Die Frgestellung des vorliegenden Problems ist jedoch eine etws ndere. Hier sind die Beschllungsositionen bereits n den Orten der eilschllquellen ngebrcht und es stellt sich die Frge, ob ds berechnete Geräusch des Beschllungslutsrechers ttsächlich dem Geräusch der eilschllquelle entsricht. Dzu wurde zunächst eine Schlleldsimultion wie K. 5. m Gesmthrzeug durchgeührt. Die Simultion erolgte einerseits mit der ohärenten und ndererseits mit der inohärenten Quotientenmethode Abbildung 5.3- oben. Anschließend wurde eine Geräuschomonentennlyse des Fhrzeugs mit der onventionellen Kselungsmethode K durchgeührt. Zum Vergleich mit diesen Messungen wurden die entsrechenden eilgeräusche berechnet. Dzu wurden die Lutsrechernregungen us der Gesmthrzeugsimultion beibehlten, jedoch die Summnden des simulierten Gesmtgeräusches weggelssen, die bei der Komonentennlyse mit einer Kselung versehen wurden. Betrchtet mn z.b. nur ds Geräusch der Schlldämeroberläche, so summiert mn nur die entsrechenden Lutsrecher ür Nchschlldämer NSD, Mittelschldämer MSD und Ktlystor KA u. Dies geschieht je nch Rechenmethode ohärent oder inohärent

70 64 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch Kohärente Berechnung Inohärente Berechnung Abbildung 5.3-: Schlleldsimultion m Gesmthrzeug oben mit ohärenter lins und inohärenter rechts Berechnung. Mitte und unten: Vergleich der simulierten und berechneten eilgeräusche ür die Schlldämeroberläche und ds Gesmthrzeug mit eliminiertem Schlldämermündungsgeräusch. Die Pegel sind über den Vorbeihrtmiroonen ugetrgen. Die linen eilbilder zeigen die line Fhrzeugseite und die rechten die rechte Fhrzeugseite. Im sttionären Betrieb entsricht diese Drstellung einer etws gestuchten Vorbeihrtnsicht. Für diese Art der Auswertung ist eine Drstellung über dem genuen Ort der Vorbeihrt nicht erorderlich. Auswertung vgl. ext Schlldämeroberläche, NSD NSD, MSD MSD, KA KA 5.3-6

71 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch 65 Schlldämeroberläche, NSD NSD, MSD MSD, KA Ds so erhltene reduzierte Gesmtgeräusch vergleicht mn dnn mit dem gemessenen Geräusch. In Abbildung 5.3- Mitte und unten sind beisielht die berechneten eilgeräusche ür die Schlldämeroberläche und ür ds Fhrzeuggeräusch mit reduziertem Schlldämermündungsgeräusch ugezeigt. Dzu sind die entsrechenden Messergebnisse drgestellt. Zu bechten ist, dss die Messungen die bennten systemtischen Fehler der onventionellen Komonentennlyse beinhlten vgl. K. 5.. Ds Gesmtgeräusch lässt sich mit der ohärenten Berechnungsmethode besser reroduzieren. Vor llem die lolen Pegelminim önnen im inohärenten Fll nicht nchgebildet werden. Diese Einbrüche ommen jedoch durch die Rumeinlüsse zustnde. Au der Messstrece im reien Feld nn mn solch einen Pegelverlu nicht beobchten. Während ds Gesmtgeräusch von der ohärenten Methode besser reroduziert wird, zeigt sich jedoch in den eilgeräuschen, dss ds Geräusch der einzelnen Beschllungslutsrecher nicht mit dem relen Geräusch der eilschllquelle übereinstimmt. Die inohärente Berechnung hingegen lieert hier die besseren Ergebnisse. Die Abweichung zwischen Betrieb und Simultion ist bei der inohärenten Berechnung in llen Fällen etw gleich groß Ergebnis KA Obwohl mn beim Fhrzeug im ersten Anstz von einem uslen Zusmmenhng der Geräuschquellen usgeht, ist ds Ergebnis eindeutig ein nderes: Alle eilschllquellen sind weitestgehend inohärent zueinnder. Neben den beiden vorgestellten Methoden dect sich dies mit rtischen Erhrungen: ds Fhrgeräusch ist uch im sttionären Betrieb sehr insttionär. Kleinste Schwnungen der Motordrehzhl, wie sie selbst bei der Konstnthrt utreten [BUS95], und ndere, ähnlich schwnende Prmetern zerstören die Sttionrität der Geräuschquelle, ws die Kohärenz zwischen den einzelnen eilschllquellen zerstört. Vor llem Motor und Ausu müssten in der idelisierenden heorie ohärente Geräusche lieern, während ds Reiengeräusch hingegen sowieso nur ein inohärentes Zischen verurscht. Die Kohärenzbetrchtungen zeigen jedoch, dss in der Prxis beide Geräusche tisch unbhängig vom Motorgeräusch 3 sind. D es demnch eine ohärenten Quellen gibt, ist uch die Anwendung der teilohärenten Berechnung nicht in Betrcht zu ziehen. Für die Simultion von Schlleldern im Außenbereich von Fhrzeugen eignet sich lso m besten die inohärente Quotientenmethode. vgl. K und Wenn gesgt wird, dss z.b. ds Reiengeräusch unbhängig vom Motorgeräusch ist, dnn meint mn dmit die Inohärenz der Setren beider Geräusche. Eine Kusle Abhängigeit besteht unbhängig dvon drin, dss der Reien sein Geräusch erst dnn bstrhlt, wenn sich der Reien dreht. Dies hängt wiederum usl vom Motor, dem eingelegten Gng und der Stellung der Kulung b.

72 66 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch 5.4 Simultion einzelner Schllquellen Nchdem die Idee des Verhrens zur Simultion des Fhrzeugußengeräusches drgestellt K. 5. und eine geeignete Berechnungsmethode us den theoretischen Ansätzen usgewählt wurde, werden in den nächsten drei Kiteln 5.4, 5.5 und 5.6 die geeignetsten Beschllungsositionen ermittelt. Dzu werden unterschiedliche Methoden verwendet. Zunächst wird versucht, die eilschllquellen einzeln zu betreiben, um ds Schlleld jeder Quelle richtig zu simulieren. Insbesondere stellt sich die Frge nch der richtigen Position und der richtigen Anzhl der Beschllungsorte ür die jeweilige Komonente. In diesem Kitel werden zwei dominierende Schllquellen, nämlich die Schlldämermündung und die Reien untersucht. Die hier gewonnenen Erenntnisse setzt mn säter im Gesmthrzeug zusmmen und nn so mit den otimlen Beschllungsositionen ds Schlleld des Gesmthrzeugs simulieren K Mündungsgeräuschuntersuchungen Neben dem Motor, dessen Geräusch in Kitel 5.5 gesondert untersucht wird, ist die Schlldämermündung eine eilschllquelle, die in der Regel einen erheblichen Beitrg zum Gesmtgeräusch lieert. Die Schlldämer selbst, lso die Nch- und Mittelschlldämer, sind heutzutge ugrund modernster Entwiclungsmethoden z.b. [SAP9],[HÜS00] so leise, dss sie um noch zum Gesmtgeräusch beitrgen. Die Schlldämermündung hingegen ist ein oenes System. Mn nn eine Kselungen um die Mündung buen, denn dnn nn ds Abgs nicht mehr us der Anlge ustreten. In diesem Versuch soll die otimle Lutsrecherosition zur Simultion des Mündungsgeräusches ermittelt werden. Dzu wurde die Mündung vom Fhrzeug mit Verlängerungsschläuchen räumlich enternt. Um die räumlich serierte Mündung wurden im einem Kreis 8 Miroone ugestellt um die Abstrhlchrteristi zu messen Abb Ds Fhrzeug wurde hingegen ustisch isoliert, so dss es einen störenden Einluss u die Messung ht. Ds Mündungsgeräusch ist in diesem Aubu zwr etws verändert, wichtig ist ber die Abstrhlchrteristi, die nur von der Geometrie der Mündung selbst bhängt. Abbildung 5.4- Messung der Abstrhlchrteristi der Schlldämermündung. 8 Miroone sind in einem Kreis mit Rdius,5 m ugebut. Die Geräuschquelle beindet sich genu im Zentrum dieses Kreises.

73 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch 67 Zur Ermittlung der geeignetsten Beschllungsosition zur Simultion des Mündungsschlleldes wendet mn ds Verhren zur Lolisierung von Schllquellen K. 4 n. Dzu wird ein gednliches Netz von Beschllungsositionen um den Ort der Mündung gelegt. Von jeder Position us wird die rnseruntion zu llen Miroonen bestimmt. Außerdem wird der Lutsrecher in verschiedenen Positionen gehltert: Einml liegt die Membrn in der Ebene des Kreises und einml senrecht dzu, wobei die Normle der Lutsrechermembrn in die Richtung des Gsustritts der Mündung wies. Der Rechenlgorithmus berechnet nschließend die Wichtigeit jeder Lutsrecherosition, in dem viele Mle versucht wird, ds Betriebsschlleld zu reroduzieren. Bei jeder Berechnung verzichtet mn u eine Lutsrecherosition. Ist ds Simultionsergebnis gut, lso der Fehler lein, so ist die ehlende Position unwichtig, ist sie hingegen schlecht, so hndelt es sich bei der ehlenden Beschllungsosition um eine wichtige Position. Im vorliegenden Fll wurden 30 Beschllungsositionen gemessen. In der Abbildung 5.4- ist der Fehlerrmeter ür jede Beschllungsosition drgestellt. Abbildung 5.4-: Fehlerrmeter bei der Lutsrecheruswhl nch Kitel 4. Die Beschllungsosition Nr. 30 weist den höchsten Fehlerwert u und ist somit die wichtigste Beschllungsosition zur Simultion des Mündungsgeräusches. Hier beindet sich der Lutsrecher genu n der Position der Mündung. Seine Abstrhlrichtung, lso die Flächennormle der Membrn, weist dbei senrecht nch oben. Die geeignetste Beschllungsosition ist die, bei der der Lutsrecher u dem Rücen liegend, senrecht zur Fläche des Miroonreises nch oben bstrhlt. In dieser Position ist der Lutsrecher symmetrisch bezüglich der Miroonebene und ht somit eine ugelörmige Abstrhlchrteristi. Ds Mündungsgeräusch weist ebenlls eine sehr schöne ugelsymmetrische Abstrhlchrteristi u, so dss mn mit der ermittelten Lutsrecherosition diese Chrteristi m besten nchbilden nn Abb Der Gsustritt n der Schlldämermündung ht zwr eine gerichtete Chrteristi, wie in Abb ngedeutet wurde, die Ausbreitung der Schllwelle hingegen nicht. Die Mündung ist eine Puntschllquelle, ds Geräusch entsteht inolge von Drucänderungen und Strömungsvorgängen und wird genu n der Austrittsönung erzeugt [PEI93]. Eine Abweichung von der Kugelchrteristi, lso eine Diol- oder Qudruolchrteristi erordert hingegen eine räumlich usgedehnte Schllquelle, bei der zwei ohärente eilquellen durch Intererenz die Richtungs-

74 68 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch chrteristi erzeugen oder buliche Schllbündelungsmßnhmen wie z.b. bei der romete oder dem Megon. Abbildung 5.4-3: Gemessener und simulierter Schlldrucegel des Schlldämermündungsgeräusches mit dem Aubu us Abbildung Ds Betriebsschlleld ht eine Kugelchrteristi, ws mit der geeigneten Beschllungsosition uch reonstruiert werden nn Reienuntersuchungen Eine weitere wichtige eilschllquelle ist ds Reiengeräusch. Üblicherweise wird dies bei Messungen im Prüstnd eliminiert, indem mn roillose Reien, sog. Slis, uzieht. Die nichtngetriebenen Reien leisten nur einen sehr geringen Beitrg zum Gesmtegel und sind ohnehin bei Prüstndsmessungen est montiert, so dss dieses Geräusch sowieso wegällt. rotz lledem wird ds Reien-Fhrbhngeräusch immer wichtiger, denn die Geräusche ller nderen Komonenten wie Motor und Abgsnlge ht mn in den letzten Jhren so weit reduzieren önnen, dss ds Reien-Fhrbhngeräusch in nher Zuunt eine dominnte Rolle einnehmen wird. Bei Fhrten mit wenig Lst, z.b. bei onstnt 50 m/h in der Stdt, ist ds Reiengeräusch heute schon egelbestimmend [PUR99]. Viele Forschungsgruen beschätigen sich deshlb mit dem Reien-Fhrbhngeräusch und versuchen die Schllentstehung m Reien genu zu verstehen und zu simulieren [GUI00], [DES00]. Dher möchte mn uch ds Reiengeräusch in die Simultion des Gesmtgeräusches mit einbeziehen, um den Anteil m Gesmtgeräusch determinieren zu önnen. Anders ls im vorherigen Kitel 5.4. nn mn den Reien nur mit erheblichen bulichen Mßnhmen vom Fhrzeug getrennt untersuchen. Der Reien muss lso m Fhrzeug montiert bleiben, dmit der Antrieb gewährleistet ist. Dmit ds Fhrzeuggeräusch eine Messehler erzeugt, werden z.b. sezielle Anhänger onziiert, die ein Eigengeräusch roduzieren [VER95]. Unter Lst nn mn ds Reiengeräusch so jedoch nicht untersuchen, weshlb in der vorliegenden Arbeit ein sezielles Reiendrehmomenthrzeug verwendet wurde, ds

75 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch 69 seziell bei BMW ür Reienmessungen ngeertigt wurde. Bis u den Reien sind bei diesem Fhrzeug lle Geräuschquellen ustisch so gut isoliert, dss ds Reiengeräusch mindestens 0-0 db über dem restlichen Geräuschegel liegt. Eine weitere Eigenscht dieses Fhrzeugs ist die Drehmomentbeschränung. Der leistungsstre Motor nn beliebig gedrosselt werden, so dss lle schwächeren Motorvrinten dmit simuliert werden önnen. Von dieser Funtion wird im Kitel Gebruch gemcht. Um den Reien herum wurden in einem Hlbreis mit Rdius m zehn Miroone in der Höhe von 5 cm ugestellt Abb Wegen der Anwesenheit des Fhrzeugs und der dmit verbundenen Symmetriebrechung des Rumes und den ehlenden Miroonen u der Fhrzeugseite, ht die Messung nicht mehr den Ansruch, die Abstrhlchrteristi uzunehmen. Mit diesem Aubu nn mn nur noch einen chrteristischen Schlleldverlu messen, der ber im weiteren Verlu der Arbeit dennoch ls Abstrhlchrteristi bezeichnet wird. Ds Ziel ist j nicht die ttsächliche Abstrhlchrteristi zu messen, vielmehr will mn die richtige Position der Beschllungslutsrecher ermitteln. Dzu wurde wieder, nch dem Verhren von Kitel 4 ein Netz von Beschllungsositionen um den Reien herum gebildet. Der Lutsrecher wurde sowohl stehend 3 ls uch liegend 33 betrieben. Abbildung 5.4-4: Messubu zur Messung der Abstrhlchrteristi des Reiens. Vgl. ext Augrund der omlexen Abstrhlchrteristi des Reiens ist es nicht möglich, ds Reiengeräusch mit nur einem Lutsrecher nchzubilden. Vor llem im Einlu und im Auslu rut die Geometrie des Reiens einen rometeneet [KLI88] hervor, der zwei Abstrhleulen, eine nch vorne und eine nch hinten erzeugt Abb Ds Ergebnis der Berechnung der geeignetsten Lutsrecherosition sind dher die Positionen, bei denen der Lutsrecher vor dem Reien stehend nch vorne weist und hinter dem Reien stehend nch hinten weist. Mit diesen Positionen erhält mn ein reltiv gutes Simultionsergebnis Abb Stehend Membrn senrecht zum Boden vom Reien bweisend. 33 Liegend Membrn rllel zum Boden, Lutsrecher weist nch oben.

76 70 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch Abbildung 5.4-5: Betrieb und Simultion des Reiengeräusches gemessen mit dem Versuchsubu us Abb bei 50 m/h Volllst. Lins ist der Schlldruc ugetrgen, rechts der Schlldrucegel in db Weitere Untersuchungen zum Reien-Fhrbhngeräusch Je nch Betriebszustnd verändert sich ds Reiengeräusch. Die richtige Whl der Position der Beschllungslutsrecher ist jedoch nicht von der Geräuschintensität bhängig, sondern von der Abstrhlchrteristi der Quelle. Die Quelle und ds Lutsrecherensemble müssen eine einigermßen identische Abstrhlchrteristi uweisen, dmit ds Schlleld simuliert werden nn. Zur Überrüung der Schlleldchrteristi bei unterschiedlichen Fhrzuständen wurden olgende Prmeter verändert: Verschiedene Geschwindigeiten bei gleichem Drehmoment. b Verschiedene Drehmomente bei gleicher Geschwindigeit. c Wsser u der Fhrbhn. Bei ll diesen Messungen stellte sich herus, dss die beiden Abstrhleulen nch vorne und nch hinten in jedem Fhrzustnd utreten. Lediglich die Absolutegel ändern sich bei verändertem Fhrzustnd. Dies wird jedoch in der Berechnung der geeigneten Lutsrechernregungen berücsichtigt. Die Beschllungsositionen sind lso ür jeden Betriebszustnd gleich zu wählen. 5.5 Verhren zur Simultion des Motorgeräusches Der Motor ist vor llem bei sehr leistungsstren Fhrzeugen die dominnteste Geräuschquelle. Die hohe Geräuschbelstung bei Lstrtwgen rührt dher st usschließlich vom Motor [SHI80]. Zur Verbesserung der Sitution ht die Euroäische Union schon im Dezember 99 ein Forschungsrojet zum hem New Pss-by Noise Otimiztion Methods or Quiet nd Economicl Hevy Rod Vehicles urz PIANO [PIA95] ugelegt, mit dem Ziel, neue Methoden zur Anlyse und letztlich zur Reduzierung der Geräuschbelstung durch LKWs zu erorschen. Alle beteiligten Entwiclungsrtner hben sich bei ihren Forschungen u ds Motorgeräusch oussiert. Dbei wurde die Methode der ustischen Hologrie [MAY85] u ds Fhrzeug ngewendet und weiterentwicelt

77 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch 7 [SAK93]. Die ür lle Methoden notwendigen rnseruntionen wurden meistens über ds Reziroitätsrinzi [MAN96], [VER96] gemessen, während ndere versuchten, sie theoretisch zu ermitteln [HAS85]. Eine Grue versuchte den Motor mit einem Lutsrecher nchzubuen, um so die rnseruntion von jeder Motorseite in den Außenbereich des Fhrzeugs zu ermitteln [NIS95]. Zur Ermittlung des Gesmtgeräusches benötigt mn neben den rnseruntionen immer noch die ttsächliche Schllbstrhlung des Motors. Diese wurde von den meisten Gruen über eine Arrymessung m Motor ermittelt. Die nschließende Modellrechnung vieler geräuschverurschender Monoole m Motor ergibt die lole Schllleistung des Motors [AUG96], [MAR96]. Au der theoretischen Seite versuchte mn die Mechnismen des Motors orml zu verstehen und entwicelte ein Modell zur Berechnung von Leistung, Verbruch und ustischer Schllleistung [SIL94]. Nicht nur in der heorie zeigt sich ber ds Problem, dss Verbesserungen einer Eigenscht mit einer Verschlechterung einer nderen Eigenscht des Motors einhergehen: Verbesserungen der Leistung gehen häuig einher mit negtiven Auswirungen u die Austi. Um in jedem Entwiclungsschritt des Motors eine schnelle Abschätzung des resultierenden Vorbeihrtgeräusches mchen zu önnen, wurde ubuend u dem vorgestellten rnserdnlyseverhren mittels Schlleldsimultion ein detillierteres Verhren ür ds Motorgeräusch entwicelt. Dbei wurde ein Lutsrechermotor 34 entwicelt, der die Form eines Motors besitzt und nstelle dessen in ds Fhrzeug eingebut werden nn. An jeder Seite dieses Kunstmotors sind Lutsrecher eingelssen, so dss die rnseruntionen jeder Motorseite zu den Nh- und Ferneldmiroonen gemessen werden önnen. In der nschließenden Simultion nn dnn qusi jede Motorseite einzeln betrieben werden. Somit nn mn die Auswirungen jeder Motorseite u ds Vorbeihrtgeräusch des Motors ermitteln. Andersherum nn mn us dem Vorbeihrtgeräusch des eingebuten Motors u die Anteile jeder Motorseite zum Gesmtgeräusch zurücrechnen. Ds Verhren wurde n Motorvrinten durchgeührt: Ein Motorbloc eines Reihensechszylinders wurde mit seinem Pendnt einem,5l-dieselmotors verglichen. Sowohl der Kunstmotor ls uch der richtige Motor wurden dbei in ein BMW-Fhrzeug der 5er Reihe montiert und vermessen. Der zweite Versuch nd mit einem V8-Zylinder Motor sttt, der in einem Fhrzeug der 7er Reihe verbut wurde und mit dem entsrechenden Benzinermotor verglichen wurde Abb Abbildung 5.5-: Rechts: Reihensechszylinder Motorbloc mit je einem Lutsrecher ro Seite. Immer nur ein Lutsrecher wurde bei der Beschllung geönet, dmit ds Geräusch nicht durch ndere Membrne ustreten nn. Lins: Motorbloc eines V8- Motors mit mehreren Lutsrechern u jeder Motorseite versehen. Die Lutsrecher sind hier intern entoelt Decel nicht notwendig. 34 Der Lutsrechermotor wird im Folgenden uch ls Kunstmotor bezeichnet.

78 7 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch Zur Überrüung der Richtigeit des Verhrens ist es notwendig, ds simulierte Ergebnis im Exeriment zu veriizieren. Dzu wurde olgender Mess- und Auswertezylus durchluen, dessen einzelne Schritte in den ncholgenden Unteriteln genuer beschrieben werden Abb.5.5-: Abbildung 5.5-: Der Motor wird zuerst im Motorrüstnd gemessen. Dnch werden die rnseruntionen jeder Seite des Kunstmotors im Motorrüstnd gemessen. Nun wird eine rnserdnlyse PA des Motors im Motorrüstnd berechnet, der Kunstmotor wird dbei virtuell so betrieben wie der richtige Motor. K Nun wird der Kunstmotor in ein Fhrzeug verbut und die rnseruntionen werden im Außengeräuschrüstnd AGP gemessen. Mit den in Kitel 5.5. berechneten Anregungen wird ds Vorbeihrtgeräusch des Motors berechnet K Zur Kontrolle der Simultion wird ds Fhrzeug mit dem richtigen Motor im AGP gemessen K Mit den gemessenen Dten nn mn uch ndersherum verhren: Aus den gemessenen AGP-Dten wird eine PA berechnet. Ds Ergebnis ist der Beitrg jeder Motorseite zum Motor-Vorbeihrtgeräusch K Mit den Geräuschen der einzelnen Motorseiten und den in K gemessenen Motorrüstnds-rnseruntionen nn mn nun eine Berechnung der Betriebsdten des richtigen Motors u dem Motorrüstnd durchühren K Diese nn mn dnn wieder mit der entsrechenden Messung vergleichen K

79 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch rnserdnlyse im Motorrüstnd Zur Entwiclung eines Motors ist es rtisch, den Motor möglichst lleine, lso ohne Krosserie, Fhrwer, etc., betreiben zu önnen. Um diese Arbeitsbedingungen zu relisieren, ht mn Motorrüstände entwicelt Abb , die ein Betreiben des Motors unter Lst ermöglichen. In diesen Prüständen werden u.. die ustischen Eigenschten des zu entwicelnden Motors ontrolliert. Bei der Entwiclung von omlexen Mschinen, wie Krthrzeugen sind sehr viele Ingenieure und echnier m Wer. Dmit ds Zusmmensiel ller Fchbteilungen möglichst reibungslos untioniert, sind Stndrtmessvorschriten erlssen worden. Die Messvorschrit des Motorgeräusches im Motorrüstnd sieht ein Miroon ro Motorseite in einem Abstnd von einem Meter vor. Ausgenommen ist hierbei die Hinterseite des Motors, denn dort sitzt ds Getriebe, welches die Messergebnisse n dieser Stelle nur verälschen würde. Im Folgenden ist unter dem Begri Messung im Motorrüstnd immer die Aunhme ustischer Schlldrucsetren n den ün Stndrdmiroonen zu verstehen. Abb : Motorrüstnd mit schllbsorbierenden Wänden. Ein Motor wird ustisch vermessen. Dzu sind ün Stndrdositionen vorgesehen..schritt: Im ersten Schritt wird der Originlmotor im Motorrüstnd unter Volllst 35 bei verschiedenen Drehzhlen gemessen. Üblicherweise mcht mn einen sogennnten Volllst- Hochlu, d.h. jede Drehzhl wird ür eine urze Zeit lng onstnt gehlten qusionstnt. Augenommen werden die Schlldrucsetren jedes Stndrdmiroons 36 : Betrieb, MPSt 5.5-.Schritt: Der Kunstmotor wird im Motorrüstnd n die Stelle des Originlmotors gebrcht. Die Positionen der Stndrdmiroone bleiben dbei erhlten. Mit weißem Ruschen werden Beschllung nun ncheinnder die Lutsrecher jeder Seite ngeregt 37. Gebildet wird die Beschllung rnseruntion ls Quotient us den resultierenden Schlldrücen und den Anregungen: Beschllung MPSt, l Beschllung Unter Volllst läut der Motor mit mximler Leistung bei einer bestimmten Drehzhl. Der Motor wird mit Vollgs betrieben, die Antriebswelle wird so str gebremst, dss sich eine onstnte Drehzhl einstellt. 36 Miroone n den Motorseiten..5, MPSt Motorrüstnd, Frequenz 37 Motorseite l..5 l l

80 74 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch Beschllung Als Prmeter ür die Anregung der Lutsrecher l nn z.b. die Membrnbeschleunigung, die Snnung m Lutsrecher oder der Schlldruc im Nheld des Lutsrechers ugezeichnet werden. D, wie gesgt, dieser Prmeter ber einerlei hysilische Aussgert und bei der olgenden rnserdberechnung sowieso wieder herusgeürzt wird, nn mn ihn ohne Bedenen zu eins setzen. Die rnseruntion wird immer mit einer berechneten Anregung multiliziert, so dss mn unbhängig von der Whl des Anregungsrmeters im Produt die Dimension Schlldruc erhält. siehe 3.Schritt 3.Schritt: Im dritten Schritt wird wie immer versucht, ds im ersten Schritt gemessene Betriebsgeräusch rechnerisch zu reroduzieren. Die hierür notwendigen Membrnbeschleunigungen l werden über olgende Zieluntion der Quotientenmethode berechnet: MPSt z MPSt Betrieb, MPSt..5,,..., wobei die Geräusche der einzelnen Motorseiten im Prinzi sowohl inohärent ls uch ohärent ddiert werden önnen. Die Stndrdmiroone stehen jedoch so nh n den einzelnen Motorseiten, dss jedes Miroon qusi nur ds Geräusch der ihm zugewndten Seite registriert. D Kohärenzeete nur bei nnähernd gleichluten Geräuschquellen einen Einluss u ds Gesmtgeräusch hben, sind sie hier unbedeutend. Bei der gleichen Anzhl von Miroonen wie Lutsrecher jedoch nn es zu Arteten bei ohärenten Berechnungen ommen. Es gibt hier zwr immer eine exte Lösung des lineren Gleichungssystems, ber wenn bei einer Frequenz ein leiner Messehler ugetreten ist, wird uch dieser ext reroduziert. Bei den inohärenten Methoden wird dieser leine Messehler ls Abweichung zetiert, denn die Nchbildung des Messehlers würde unweigerlich einen erhöhten Fehler n llen nderen Miroonen erzeugen. Aus diesen Gründen ist eine inohärente Berechnung hier m sinnvollsten. Ds simulierte Gesmtgeräusch wird lso wie olgt ls Summe us den eilgeräuschen der einzelnen Motorseiten gebildet: Simu l..5 l l Ergebnis: D sich zwischen Quelle und Emänger eine bsorbierenden oder reletierenden eile beinden und n den Wänden eine Schllwellen reletiert werden, sind die rnseruntionen mit einer sehr hohen Kohärenz messbr. Zudem hndelt es sich hier um eine idele Betriebsmessung, denn jedes Miroon misst ds Geräusch einer einzigen Quelle. Dher ist es nicht verwunderlich, dss in der Simultion st ext ds Betriebsgeräusch reroduziert wird. Abb Virtuell nn mn lso den Kunstmotor u dem Motorrüstnd ustisch genu so betreiben wie den richtigen Motor.

81 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch 75 Abb : Schemtische Vorgehensweise bei der Simultion des Motorgeräusches u dem Motorrüstnd: Nch der Messung des Betriebsgeräusches rechts oben und der Lutsrecher-rnseruntionen lins oben errechnet mn die Lutsrechernregungen, die notwendig wären, um den Kunstmotor mit dem richtigen Motor ustisch bzugleichen. Betreibt mn den Kunstmotor virtuell mit diesen Anregungen, so lingt er wie sein reles Pendnt. Im Bild rechts unten sind die Setren der Simultion und des Betriebs ür ein Miroon drgestellt Simultion des Motorgeräusches m Gesmthrzeug Im vorngegngenen Kitel ist es gelungen, den Kunstmotor ustisch so zu betreiben wie den Originlmotor. Im nächsten Schritt wird der Kunstmotor in ein Fhrzeug eingebut. Betreibt mn nun den Kunstmotor virtuell mit den zuvor ermittelten Anregungen, so nn mn ds reine Motorgeräusch eines vorbeihrenden Fhrzeugs ext ermitteln. Drüber hinus nn mn ds Gesmtmotorgeräusch des vorbeihrenden Motors nch einzelnen Motorseiten uslten. Ds simulierte Geräusch ist j die Summe der eilgeräusche jeder einzelnen Motorseite. Jeder Summnd reräsentiert somit ds Geräusch einer Motorseite. Um ds Motor-Vorbeihrtgeräusch zu berechnen, müssen zuerst die rnseruntionen AGP, l des verbuten Kunstmotors zu den Vorbeihrtmiroonen im Außengeräuschrüstnd AGP ermittelt werden. Dbei geht mn wie im Schritt des vorngegngenen Kitels vor, jedoch mit verbutem Kunstmotor. Für sätere Zwece wurden uch die Nheldmiroone instlliert und die entsrechenden rnseruntionen gemessen. In Abbildung ist der Prozessblu sizziert und ein Ergebnis ugezeigt.

82 76 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch Abbildung 5.5-5:Die rnseruntionen des verbuten Kunstmotors werden im AGP gemessen. Dbei werden die Lutsrecher des Kunstmotors mit denselben Ruschnregungen beuschlg, wie bei den Messungen im Motorrüstnd. Mit den errechneten Lutsrechernregungen der PA im Motorrüstnd und den im AGP gemessenen rnseruntionen wird ein Vorbeihrtgeräusch im AGP simuliert, ds nch den Beiträgen jeder einzelnen Motorseite ugeschlüsselt werden nn unten rechts. Ergebnis: Die Ergebnisse der Schlleldsimultion sind relistisch. Betrchten wir dzu die Vorbeihrtnsicht Abb unten rechts: Ds Gesmtgeräusch zeigt ein Mximum bei Metern. Dies entsricht genu der Fhrzeugosition, bei der der Abstnd zwischen Motor und Messmiroon miniml ist 38. Außerdem ist zu bemeren, dss die Motoroberseite m wenigsten zum Vorbeihrtgeräusch beiträgt, die Unterseite hingegen m meisten. Als Otimierungsmßnhme önnte mn demnch die Geräuschdämmung in der Nähe der Motoroberseite einsren bzw. n der Motorunterseite verstären. 38 Die Messstrece ist 0 Meter lng. Bei der Fhrzeugosition 0 Meter ist die vordere Stoßstnge des Fhrzeugs m Anng der Messstrece. Bei 0 Metern ist die Stoßstnge u der Höhe des Messmiroons. D der Motor etw ein Meter hinter der vorderen Stoßstnge ngebrcht ist, ist der Motor nch el Metern Fhrt u der Höhe des Messmiroons und somit diesem m nächsten.

83 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch Kontrollmessung zur Überrüung der Simultion Die Vorgehensweise der Motorsimultion ist sehr einleuchtend, so dss mn sich mit dem errechneten Ergebnis schon zurieden geben önnte. Dennoch wurde in der vorliegenden Arbeit nicht dru verzichtet, ds Berechnungsergebnis in einem Versuch zu veriizieren. Dzu wurde der Originlmotor im Fhrzeug verbut und ds Betriebsgeräusch des verbuten Motors gemessen. Um nur ds Motorgeräusch zu messen, ist es notwendig, lle nderen Schllquellen des Fhrzeugs so gut wie möglich bzudämmen. Dzu wurden die Gswechselnteile 39 über otlschlldämer in den Boden bgeührt. Um ds Reiengeräusch zu eliminieren wurden zwei Messungen durchgeührt: Die erste Messung wurde mit dem Motor und dem dbei utretenden Reiengeräusch gemcht, bei der zweiten Messung wurde ein sogennntes Drehmomenthrzeug verwendet. Ds Drehmomenthrzeug wurde entwicelt um Reiengeräusche zu messen. Die Gswechselgeräusche sind über otlschlldämer im Innenrum des Fhrzeugs qusi vollständig eliminiert. Der Motor ist in einer otlsel eingebut, so dss ds Motorgeräusch ebenso nicht hörbr ist. Ds Reiengeräusch ist somit ds dominnte Geräusch des Fhrzeugs. Um ds Reiengeräusch unter jeder Lst messen zu önnen, ist ein sehr leistungsstrer Motor im Fhrzeug verbut, der u ds gewünschte Messdrehmoment drosselbr ist. Mit diesem Fhrzeug wurde lso ds Reiengeräusch ugenommen und vom zuvor ugenommenem Motor- lus Reiengeräusch bgezogen. Die Dierenz ist dnn ds gesuchte Motorgeräusch des verbuten Originlmotors. Auch hier zeigt sich wieder, dss die Messung von eilgeräuschen ein sehr umständliches und omliziertes Unterngen ist. Neben der großen Zhl von Messehlern, die bei den notwendigen Umbuten utreten önnen, ist ein erheblicher exerimenteller Auwnd notwendig. Eine Berechnung der Geräusche nn hier eine wesentliche Verbesserung herbeiühren. In der Abbildung ist ds Messrinzi und der Vergleich von berechnetem und simuliertem Gesmtgeräusch ugezeigt. Ergebnis: Betriebsmessung und Gesmteldsimultion lieern nnähernd dieselben Ergebnisse. In der Schlleldverteilungsnsicht des Nh- und Ferneldes Abb unten lins erennt mn Unterschiede im Bereich von ± db. Stellenweise nn die Simultion uch 3-4 db von der Betriebsmessung bweichen. In der Vorbeihrtnsicht Abb unten rechts ist dies in gleicher Weise erennbr. Ds Mximum der gemessenen Kurve liegt dbei etws hinter dem Mximum der Simultion. Dies lässt einen Messehler bei der Betriebsmessung vermuten. Denn hinter dem Motor gibt es oensichtlich noch Quellen, die zum Gesmtgeräusch einen nicht unwesentlichen Beitrg leisten. Im Verdcht steht hier ds sog. Hosenrohr. Es hndelt sich hierbei um ds erste eilstüc der Abgsnlge nch dem Motor. Über dieses zweiml gerümmte Rohr wird ds Abgs in den Boden zum otlschlldämer geleitet. Hier entstehen eventuell lute Geräusche, die nicht sinnvoll bgedämmt werden önnen. 39 Gswechselgeräusche sind Geräusche die durch Ansug- und Abgsnlge verurscht werden. Der Motor sugt Gs Lut durch die Ansugnlge n und stößt sie wieder ls Abgs über die Abgsnlge us. Diesen Gsustusch des Motors mit seiner Umgebung nennt mn Gswechsel.

84 78 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch Abb : Der verbute Motor wird im AGP gemessen. Ds gemessene Schlleld wird mit dem simulierten Schlleld us K verglichen. Oben: Schemtischer Versuchsubu Unten lins: Nh- und Ferneldnsicht des Schlleldes. Drgestellt ist die Pegeldierenz us Betrieb und Simultion. Unten rechts: Vorbeihrtnsicht des simulierten und des gemessenen Schlleldes Zusmmenssung: Vom Motorrüstnd zur Vorbeihrt In den ersten drei Unteriteln wurde ein Verhren beschrieben, welches ds Vorbeihrtgeräusch eines Motors vorusberechnet. Dzu wird der Motor unverbut im Motorrüstnd gemessen. Nch der einmligen Messung der Kunstmotortrnseruntionen im Motor- und im Außengeräuschrüstnd nn mn dnn ds Vorbeihrtgeräusch berechnen Abb Ds Verhren ist mittels einer Betriebsmessung im AGP überrüt worden. Die Genuigeit beträgt ± db. Ein wichtiges Ergebnis ür die Schlleldsimultion m Gesmthrzeug ist die Wichtigeit der unteren und vorderen Motorseite. Sie trgen hutsächlich zum Vorbeihrtgeräusch bei, während die Oberseite des Motors nicht relevnt ist. Wenn mn einen Kunstmotor zur Verügung ht, dnn sollte mn zumindest n der Unterseite und n der Vorderseite des Motors Lutsrecherositionen vorsehen.

85 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch 79 Abb : Schemtischer Ablu der Vorbeihrtsimultion ür ds Motorgeräusch. Aus dem Betriebsgeräusch des Motors im Motorrüstnd nn ds Vorbeihrtgeräusch im AGP berechnet werden. Zuvor muss mn die rnseruntionen des Lutsrechermotors sowohl im Motorrüstnd ls uch im Außengeräuschrüstnd ermitteln. Die rnseruntionen sind ber unbhängig vom Motorgeräusch, so dss mn sie nur einml messen muss rnserdnlyse im Außengeräuschrüstnd Ds oben beschriebene Verhren nn uch ndersherum durchgeührt werden. Mn ht z.b. eine Vorbeihrt gemessen, oder es liegt eine Vorgbe der Vorbeihrtmesswerte vor und mn möchte drus einen Sollmesswert der ustischen Lst des Motors im Motorrüstnd berechnen. Die Messungen, die ür solch eine Umehrung des Verhrens notwendig sind, sind schon lle durchgeührt und müssen nur neu interretiert werden. Die Berechnungen verluen hingegen nders: die gesuchten Lutsrechernregungen werden nicht mit Messungen im Motorrüstnd, sondern mit Messungen im Außengeräuschrüstnd ermittelt. Mn misst lso in einem ersten Schritt ds Betriebsgeräusch im AGP siehe K Betrieb, AGP Die rnseruntionen werden ebenlls im AGP mit dem verbuten Kunstmotor ermittelt. K Beschllung AGP, l Beschllung Nun wird die übliche rnserdnlyse durchgeührt: der verbute Kunstmotor soll im AGP virtuell so lingen wie der verbute Originlmotor. Dzu müssen wieder die Lutsrechernregungen l usgerechnet werden. Dies geschieht über die Minimierung AGP der Zieluntion der inohärenten Quotientenmethode vgl. K. 3: l AGP z,,..., L Betrieb, AGP Als erster est nn ds simulierte Gesmtgeräusch wieder mit dem gemessenen Betriebsgeräusch verglichen werden. Die Dierenz ist ein Mß ür die Güte der Simultion.

86 80 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch Abb : rnserdnlyse im Außengeräuschrüstnd: Aus der Betriebsmessung des verbuten Motors und der Messung der rnseruntionen des verbuten Kunstmotors, nn mn die zur Schlleldsimultion notwendigen Anregungen errechnen. Ds mit diesen berechneten Anregungen entstehende virtuelle Schlleld Simultion erhält mn us der Summe der Beiträge jeder einzelnen Motorseite. Zum Vergleich ist ds gemessene Gesmtschlleld zusätzlich eingezeichnet Betrieb. Ergebnis: Ds gemessene Schlleld nn bis u ± db genu simuliert werden. Dies ist im Vergleich zur Vorbeihrtsimultion mit Motorrüstndsotimierung K ein besseres Ergebnis. Wenn mn dvon usgeht, dss neben dem Motor und dem orrigierten Reiengeräusch noch weitere Geräuschquellen vorhnden sind, die nicht gnz eliminiert werden onnten, so wird in dieser Berechnung versucht, diese Geräusche ebenlls mit den Motorlutsrechern zu simulieren. Ds dies nicht gnz gelingt, zeigt sich in der Dierenz der gemessenen und simulierten Kurve. Allerdings gelingt dies besser ls bei der Motorrüstndsotimierung, bei der nur ds Geräusch des Motors reroduziert wird. Zusätzliche Geräusche des Gesmthrzeugs trgen voll zum Unterschied zwischen Betrieb und Simultion bei. Weiterhin ist ullend, dss die Motoroberseite hier ähnlich viel zum Gesmtgeräusch beiträgt wie die restlichen Motorseiten. Dies ist ddurch zu erlären, dss die Motoroberseite hutsächlich nch oben bstrhlt. Oberhlb des Fhrzeugs sind jedoch eine Miroone ngebrcht, so dss sich hier in der Simultion ein höherer Pegel einstellen nn, ohne dss dbei ein zusätzlicher Fehler entsteht. Erst wenn ds Gesmtschlleld ngehoben wird, wird der Lutsrecher heruntergeregelt. Dieses Artet zeigt sich vor llem in der olgenden Motorrüstndssimultion.

87 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch Simultion des Motorgeräusches im Motorrüstnd Im vorngegngenen Unteritel wurde die rnserdnlyse im AGP beschrieben. Dbei AGP wurden die Lutsrechernregungen l berechnet, die notwendig sind, um ds Gesmtschlleld des verbuten Motors zu simulieren. Weiterhin wurden im Kitel 5.5. die Lutsrechertrnseruntionen des Kunstmotors im Motorrüstnd gemessen. Multiliziert mn nun die Lutsrechernregungen mit diesen rnseruntionen, so erhält mn ds simulierte Gesmtgeräusch des Motors im Motorrüstnd: MPSt l MPSt, l Simu l Jeder einzelne Summnd stellt dbei wieder den Beitrg der entsrechenden Motorseite zum Gesmtgeräusch dr Vergleich mit Kontrollmessung Ds Ziel einer Simultion ist es, die Messung in irgendeiner Weise überlüssig werden zu lssen. Im Entstehungsrozess eines Verhrens ist es jedoch notwendig, die berechneten Ergebnisse zu überrüen. Im vorliegenden Fll ist dies mit besonders wenig Auwnd verbunden, denn die Messung im Motorrüstnd wurde j schon ür die Vorbeihrtsimultion im ersten eil durchgeührt vgl. K Abb : Simultion und Messung im Motorrüstnd. Die Simultion bsiert u gemessenen Betriebsdten des verbuten Originlmotors im Außengeräuschrüstnd. Drgestellt sind die erzsetren der Stndrdmiroone ür jede Motorseite vorne, oben, rechts, lins, unten im Motorrüstnd. Alle Digrmme sind gleich sliert.

88 8 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch Ergebnis: Ds Motorgeräusch wird im Allgemeinen gut simuliert. Einzelne Ausreißer bei den Betriebsmessungen önnen llerdings in der Simultion nicht nchvollzogen werden. Eine rinziielle Abweichung indet jedoch n der Motoroberseite sttt. Wie schon im vorhergehenden Unteritel disutiert, strhlt ds Geräusch der Motoroberseite im AGP nch oben b. Hier sind jedoch eine Miroone vorgesehen, so dss sich hier ein beliebiges Schlleld einstellen nn. Zum Feintunen wird im Algorithmus uch diese Motorseite dzu verwendet, ds Gesmtschlleld zu reroduzieren. Deshlb wird diese Seite so weit mit ngehoben, dss sie uch einen nichtverschwindenden Anteil zum Gesmtgeräusch beiträgt. In der Konsequenz wird ds Geräusch der Motoroberseite dnn zu lut simuliert Zusmmenssung: Von der Vorbeihrt in den Motorrüstnd In den ersten drei Unteriteln wurde ein Verhren zur Vorusberechnung des Vorbeihrtgeräusches eines verbuten Motors beschrieben. Dbei wird der Motor lediglich u dem Motorrüstnd betrieben und muss nicht in ds Fhrzeug verbut werden. Im zweiten eil b K wurde ds umgeehrte Verhren vorgestellt. Hier wird der verbute Motor im Außengeräuschrüstnd gemessen. Die Vorusberechnung erhebt dbei den Ansruch, ds Geräusch des unverbuten Motors u dem Motorrüstnd vorhersgen zu önnen. Dzu sind, wie im ersten eil, nur einmlig die rnseruntionen mittels eines Kunstmotors in beiden Prüständen zu ermitteln. Säter wird nur noch ds Betriebsgeräusch ugenommen, um die Simultion durchühren zu önnen. Abb Abb : Schemtischer Ablu der Motorgeräuschsimultion ür den Motorrüstnd. Ds Betriebsgeräusch und die Kunstmotortrnseruntionen werden im AGP gemessen. Die rnserdberechnung versucht ds Betriebsschlleld virtuell zu reroduzieren und errechnet die dzu notwendigen Lutsrechernregungen. Multiliziert mn diese Lutsrechernregungen mit den im Motorrüstnd gemessenen Kunstmotortrnseruntionen, so erhält mn ein simuliertes Motorgeräusch im Motorrüstnd.

89 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch Schllquellenortung m Gesmthrzeug Nchdem m Reien, m Schlldämer K. 5.4 und m Motor K. 5.5 jeweils die otimlen Beschllungsositionen geunden worden sind, wird in diesem Unteritel ds Gesmthrzeug mit der Methode zur Schllquellenlolisierung K. 4 untersucht. Ds Ziel dieser Untersuchung ist neben der Auindung der einzelnen Schllquellen, die Bestimmung einer otimlen Lutsrecheronigurtion zur Simultion des Gesmtschlleldes eines Fhrzeugs. Dbei sollten sich die Ergebnisse der gerde gennnten eilschllquellenuntersuchungen reroduzieren lssen. Nicht zuletzt ist die Anwendung der Schllquellenlolisierung u eine omlexe Schllquelle, wie die des Gesmthrzeugs, ein letzter est des Lolisierungsverhrens. Der Versuchsubu ist identisch mit dem exerimentellen Aubu zur Simultion von Schlleldern m Fhrzeug K. 5.. Der Verhrensblu ist hingegen etws umngreicher: Nch der Messung des Betriebsgeräusches im ersten Schritt werden Beschllungen durchgeührt. Dzu wird - ähnlich wie im Kitel ein virtuelles Netz von Beschllungsositionen m und unter dem Fhrzeug gestrict. Von jeder Beschllungsosition us wird die rnseruntion zu llen Miroonen gemessen. Im dritten Schritt wird, wie in Kitel 4 usührlich beschrieben, rechnerisch versucht ds gemessene Betriebsgeräusch zu reroduzieren. Dbei berechnet mn ür jede Lutsrecherosition die notwendige Anregung. Lediglich eine Position wird nicht zur Rerodution herngezogen. Aus dem Unterschied zwischen gemessenem und simuliertem Betriebsgeräusch wird ein Fehlerrmeter berechnet. Dies wird ür jede Lutsrecherosition wiederholt. Positionen mit großem Fehler sind wichtige Positionen zur Rerodution des Schlleldes. Folglich beinden sich n diesen Stellen die relen Schllquellen des Fhrzeugs. Weiterhin werden mnche Positionen, wie z.b. m Reien und n der Mündung vgl. K. 5.4, mit verschiedenen Lutsrecherusrichtungen beschllt. Die Ausrichtung, die den größeren Fehlerrmeter uweist, ht somit die ähnlichste Abstrhlchrteristi wie die rele Quelle und ist deshlb die geeignetste Beschllungsosition. In der vorliegenden Arbeit wurde n zwei unterschiedlichen BMW-Fhrzeugen dieses Verhren durchgeührt. Es wurden im Abstnd von 30 cm insgesmt 7 Beschllungsositionen vermessen. Neben den Positionen unter dem Fhrzeug wurden Sonderositionen n den beiden ngetriebenen Reien wie in K. 5.4., der Ausumündung wie K und n der Niere 40, vorgenommen. In Abbildung 5.6- ist ds Beschllungsnetz m Fhrzeugunterboden sizziert. Drin eingetrgen sind die Beschllungsositionen, die mit dem Lolisierungsverhren ermittelt wurden. 40 Die Niere ist eine Önung n der Fhrzeugront, dmit die Lutzuuhr zur Kühlung des Motors gewährleistet ist. Sie ist bei llen Krthrzeugen vorhnden, bei den BMW-Fhrzeugen ist sie jedoch in der Form einer Niere gestltet.

90 84 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch Abbildung 5.6- Netz von Beschllungsositionen unter dem Fhrzeug. Nicht eingezeichnet sind die Positionen n der Niere und weitere Sonderositionen m Reien und n der Schlldämermündung. Mit einem Kreis mriert sind die wichtigen Positionen zur Simultion des Gesmtschlleldes des Fhrzeugs. vgl. ext. Die Positionen entsrechen genu den Stellen, n denen die relen Schllquellen vermutet werden. Weiterhin erennt mn deutlich, dss ds Motorgeräusch n den Seiten der Kselung m Boden des Motors ustritt. Mit dem Ergebnis us Kitel 5.5, dss die Unterseite des Motorblocs m stärsten zum Gesmtmotorgeräusch beiträgt, nn mn somit die Motoromonente mit den Lutsrechern m Boden entlng der Kselönung simulieren. Dmit nn u einen uwendigen Einbu der Lutsrecher in den Motorrum verzichtet und ddurch ostbre Zeit gesrt werden. Wiederum bestätigt werden uch die Ergebnisse der Einzelquellenuntersuchung in Kitel 5.4. Die "stehenden" Lutsrecherositionen vor und hinter dem Reien sind wichtig ür die Schlleldsimultion, genuso wie die "liegende" Position n der Schlldämermündung. Mit diesem Ergebnis ht mn nochmls die Gültigeit des Verhrens zur Lolisierung von Schllquellen eindrucsvoll unter Beweis gestellt. Dmit sind nun die richtigen Lutsrecherositionen ür ds Verhren zur Simultion von Schlleldern im Außenbereich von Fhrzeugen geunden. In den nächsten beiden Kiteln wird ds Verhren mit diesen Positionen berechnet und nlysiert.

91 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch Schlleldsimultion m Gesmthrzeug Nchdem ds Verhren zur Simultion des Gesmthrzeugs beschrieben K. 5., die geeignetste Berechnungsmethode K. 5.3 und die dür günstigsten Beschllungsositionen K geunden worden sind, wird in diesem Unteritel die Simultion des Schlleldes des Gesmthrzeugs nch der errbeiteten Methode durchgeührt. Dzu wurden mehrere Fhrzeuge in diversen Betriebszuständen vermessen und simuliert. In Abbildung 5.7- ist ds Messergebnis des Betriebsschlleldes und des simulierten Schlleldes in der Fhrzeugnsicht vgl. K drgestellt. Mn erennt, dss ds Gesmtschlleld sehr gut reroduziert werden nn. Abbildung 5.7-: Fhrzeugnsicht des Gesmtschlleldes vgl. K Lins Betriebsmessung im. Gng bei 50 m/h Volllst. Rechts ist ds zugehörige simulierte Gesmtgeräusch drgestellt. Vgl. ext Die Simultion des Gesmtgeräusches lieert noch eine neue Erenntnis über ds Schlleld des Fhrzeugs, d die Messung sowieso durchgeührt werden muss. Ds simulierte Gesmtschlleld wird us der Summe der einzelnen Beschllungsositionen berechnet. Ds Interessnte n der Simultion ist demnch der Beitrg jedes einzelnen Summnden, lso jeder eilschllquelle. Stellt mn nur einen Summnden, z.b. ds Geräusch des Lutsrechers n der Schlldämermündung dr, so wird dmit der Zustnd eines Fhrzeuges im Betrieb drgestellt, bei dem ußer dem Mündungsgeräusch lle nderen Geräusche bgeschltet sind. Um dies in der Relität zu messen wären enorme Schlldämmungen um ds Fhrzeug herum uzubuen, die jedoch ds rnserverhlten und die Betriebszustände so weit verändern würden, dss die Messung mit dem relen Schlleld der Mündung nichts mehr zu tun hätte. Abbildung 5.7- zeigt ds Schlleld des Mündungsgeräusches. Im Vergleich zum Gesmtschlleld ist deutlich die hohe Geräuschbelstung m Hec des Fhrzeugs zu erennen.

92 86 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch Abbildung 5.7-: Fhrzeugnsicht des simulierten Schlleldes der Schlldämermündung. Es hndelt sich hier um den gleichen Betriebzustnd wie in Abbildung Wesentlich übersichtlicher und uschlussreicher ist die Vorbeihrtdrstellung vgl. K Hier önnen lle Geräuschomonenten in einer Abbildung drgestellt werden. Die Pegel der einzelnen Geräuschquellen sind ebenlls besser bewertbr. In Abbildung ist die Auswertung der obigen Schlleldsimultion in der Vorbeihrtdrstellung bgebildet. Abbildung 5.7-3: Vorbeihrtdrstellung des gemessenen und des simulierten Schlleldes in db über der Position des Fhrzeugs in m. Drgestellt ist die line und die rechte Fhrzeugseite. Nicht nur ds Gesmtgeräusch, uch die simulierten eilschllquellen sind in der Abbildung drgestellt.

93 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch 87 Ergebnis: Ds Geräusch der Abgsmündung ist egelbestimmend ür diesen Betriebsunt. Die Reien wurden im Prüstnd durch leise Prüstndsreien ersetzt und trgen deshlb um zum Gesmtgeräusch bei. Die Simultion des Gesmtschlleldes untioniert sehr gut. Die Abweichung der Simultion vom gemessenen Betriebsegel beträgt etw -3 db. Im nächsten Unteritel wird eine Vorusberechnung des Gesmthrzeugs mit veränderten Komonenten vorgenommen. D diese Vorusberechnung mit Messungen verglichen werden, wird dbei die Richtigeit der simulierten eilschllquellen überrüt. 5.8 Vorusberechnung von veränderten Schlleldern Ds Ziel der Simultion des Gesmtschlleldes m Fhrzeug ist die Bestimmung der Geräuschnteile jeder eilschllquelle m Gesmtgeräusch, lso die Ersetzung des Verhrens der Komonentennlyse K Ist der Geräuschnteil schließlich bennt, so nn mn ds Geräusch einzelner eilschllquellen virtuell verändern und die Auswirung u ds Gesmtgeräusch berechnen. Dmit nn ds Fhrgeräusch eines neu zu entwicelnden Fhrzeugs vorhergesgt werden, sobld mn die Abänderungen vom Serienstnd beschließt. Dieser Aset ist ür die industrielle Fertigung von Fhrzeugen sehr wichtig, denn die Entwiclungszylen eines Fhrzeugs werden immer ürzer. D.h. die Zeit, die mit Entwiclungsrbeiten n einem Vorserienhrzeug verbrcht werden nn, soll immer weiter verürzt werden, um eine veränderte Nchrge m Mrt so schnell wie möglich beriedigen zu önnen. Zur Erreichung dieses Ziels ist es unerlässlich, ds Fhrzeug so weit wie möglich voruszuberechnen, so dss der erste gebute Prototy schon weitestgehend dem inlen Serienhrzeug entsricht. Ein Schritt u dem Weg zur Erreichung dieses Ziels wird in diesem Kitel demonstriert. Dzu wurde olgender Versuchsblu durchluen:. Ein Fhrzeug wurde in einem Grundzustnd gemessen und ds Schlleld simuliert. Dbei sind die Beiträge der eilschllquellen bestimmt worden. Diese Vorgehensweise wurde schon usührlich besrochen. Ein Ergebnis ist z.b. im vorherigen Kitel 5.7 drgestellt.. Im nächsten Schritt wurde ds Fhrzeug bulich verändert. Zum einen wurde ds Schlldämermündungsgeräusch mit einem Dämer leiser gemcht, zum nderen wurde in den Ktlystor, einem Buteil der Abgsnlge, ein 8 mm breites Loch gebohrt. An einem Miroon in unmittelbrer Nähe des veränderten Buteils wurde der Schlldrucunterschied bezüglich dem Grundzustnd gemessen: Betrieb, Änderung Betrieb Buteilmiro Buteilmi ro Betrieb, Grundzst Buteilmiro 5.8- Bei den Miroonen in der Nähe des Buteils ist ds Buteil selbst egelbestimmend. Hier nimmt mn qusi ds Geräusch des Buteils im Nheld u. Die Berechnung des simulierten Schlldrucs n diesem Miroon reduziert sich lso u einen Summnden: Simu Buteilmiro Buteilmiro, ButeilLS ButeilLS 5.8- oder ugelöst nch der Lutsrechernregung: 5.8-3

94 88 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch ButeilLS Simu Buteilmiro Buteilmiro, ButeilLS Der Schlldrucunterschied n diesen gemessenen Punten entsricht der Inormtion über ds ustische Verhlten eines neuentwicelten Buteils, ds bei einer Zulieerirm ür ds neu zu entwicelnde Fhrzeug onstruiert wurde. Die Positionen der buteilnhen Nheldmiroone stimmen mit den Stndrdmessunten überein. Somit önnen Messergebnisse mit nderen Entwiclungsbteilungen oder Zulieerirmen usgetuscht werden. 3. Nun wird ds Gesmtschlleld des veränderten Fhrzeugs berechnet. Dzu wird die Anregung Buteil des Lutsrechers, der n der Position des veränderten Buteils ositioniert ist, mit dem Schlldrucunterschied multiliziert. Drus ergibt sich dnn die Lutsrechernregung Änderung ButeilLS zur Simultion des veränderten Buteils: Änderung ButeilLS Änderung Buteilmiro Buteilmiro, ButeilLS Grundzst Änderung Buteilmiro Buteilmiro Grundzst Buteilmiro, ButeilLS Buteilmiro Grundzst ButeilLS Betrieb Buteil Ds simulierte Gesmtgeräusch wird dnn wie im Grundzustnd berechnet, jedoch mit dem Unterschied, dss die rnseruntion des Lutsrechers des veränderten Buteils mit der neuen Anregung Änderung ButeilLS multiliziert wird. Für lle Miroone...K gilt dnn: neu Änderung,, ButeilLS ButeilLS, ButeilLS ButeilLS, L L 4. Zur Überrüung des simulierten Ergebnisses wurde ds Gesmtschlleld mit dem veränderten Buteil im Betrieb gemessen und mit dem Simultionsergebnis verglichen. Diese Messung wurde im Prinzi schon unter Punt erledigt, denn hier wurde nicht nur m buteilnhen Miroon, sondern n llen Miroonen gemessen. Nur gednlich sollte mn diese beiden Dinge trennen. Ncholgend sind die Ergebnisse der beiden Untersuchungen drgestellt

95 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch Gesmthrzeug mit verändertem Mündungsgeräusch In Abbildung 5.8- ist ds Betriebsgeräusch im Grundzustnd in der Vorbeihrtnsicht ugetrgen. Im gleichen Digrmm ist ds Ergebnis der Schlleldsimultion eingetrgen. Die Simultion des Gesmtschlleldes unterscheidet sich dbei vom Betriebsgeräusch um ± -3 db. Die Beiträge der eilschllquellen sind ebenlls simulierte Größen. Aullend ist in dieser Messung die Dominnz des Ausumündungsgeräusches. Abbildung 5.8- Schlleldsimultion im.gng bei 50 m/h bei einem BMW-Fhrzeug der 3er Klsse. Drgestellt ist die Vorbeihrtnsicht u der rechten und linen Fhrzeugseite. Vgl. ext Ds Geräusch der Ausumündung wurde nschließend mit einer schlldämenden Abührung vom Fhrzeug weggeleitet. Ddurch onnte dieses eilgeräusch erheblich reduziert bzw. in ndere Räumlicheiten verlgert werden. Pegelbestimmend ist nun ds Motorgeräusch. Gemäß Punt zwei und drei erolgte die Berechnung des bgeänderten Gesmtgeräusches. Außer der Mündung und dem Gesmtegel hben lt lle nderen Komonenten ihr Geräusch gegenüber dem Grundzustnd beibehlten vgl. Abb mit Abb Als Überrüung der Berechnung wurde, wie im Punt vier 4 beschrieben, ds simulierte Gesmtgeräusch mit dem gemessenen Gesmtgeräusch des umgebuten Fhrzeugs verglichen. Abb. 5.8-

96 90 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch Abbildung 5.8- Vorbeihrtnsicht des simulierten Geräusches mit llen eilschllquellen und des gemessenen Betriebsgeräusches. Die Simultion ist hier eine Vorusberechnung und bsiert u dem Grundzustnd. Ds gemessene Betriebsgeräusch ist dbei nur zum Beweis der Gültigeit der Vorusberechnung ugetrgen. Ergebnis: Ds simulierte Gesmtgeräusch weist in der Vorusberechnung uch eine größeren Abweichungen u ls im Grundzustnd. Mn nn lso dvon usgehen, dss nicht nur die eilschllquellennlyse in Abb richtig ist, sondern uch die Vorusberechnung des bulich veränderten Zustndes Gesmthrzeug mit verändertem Ktlystorgeräusch Ein zweiter Versuch einer Vorusberechnung soll n der bulichen Veränderung des Ktlystors, lso eines eils des Abgsstrngs unter dem Fhrzeug, vorgenommen werden. Ein Loch mit dem Durchmesser von 8 mm wurde in die Anlge gebohrt und so ds Geräusch des Buteils erheblich verstärt. Ddurch wurde ds Geräusch dieses Buteils neben dem Motorgeräusch zur egelbestimmenden eilschllquelle Abb Ds Mündungsgeräusch wurde in diesem Versuch weiterhin bgedämmt. Mn stelle sich nun die Sitution vor, dss in der neu zu entwicelnden Serie ein verbesserter Ktlystor eingebut werden soll. Dieser ist beim Ktlystorzulieerer schon entwicelt und weist im Nheld m Stndrdmessunt den veränderten Schlldrucegel u, den wir n unserem entsrechenden Nheldmiroon im Zustnd des geschlossenen Lochs messen. Drus lässt sich ein Gesmtschlleld simulieren, ds in Abbildung zur Überrüung der Richtigeit der Simultion mit der entsrechenden Betriebsmessung verglichen ist.

97 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch 9 Abbildung Betriebsmessung und Geräuschsimultion m selben Fhrzeug im selben Fhrzylus und Buzustnd wie in Abb jedoch mit Loch im Ktlystor. Abbildung gemessenes und simuliertes Geräusch des Fhrzeugs mit leisem Ktlystorbuteil ohne Loch. Die Simultion beruht u den Messdten us Abbildung und entsricht einer Vorusberechnung. Ds Betriebsgeräusch ist hier nur zur Kontrolle mit ugenommen worden.

98 9 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch Nch der Verbesserung des Geräusches des Ktlystors, lso hier der Abdichtung des gebohrten Lochs, sielt diese eilschllquelle eine untergeordnete Rolle im Gesmtgeräuschonzert. Ergebnis: Wie bei der Vorusberechnung des veränderten Mündungsgeräusches wird der Unterschied zwischen Betrieb und Simultion des Gesmtgeräusches nicht größer und liegt weiterhin bei ± -3 db. Somit nn mn nicht nur von der Richtigeit der Vorusberechnung des Gesmtgeräusches usgehen, sondern uch von der Korretheit der eilgeräusche, die ds Ergebnis der Geräuschsimultion sind. Sowohl in K ls uch in K wurde die Vorusberechnung n zunächst dominierenden Geräuschquellen demonstriert, die nschließend mit einer Mßnhme leiser gemcht wurden. Diese Mßnhme wurde erolgreich vorusberechnet und nchgemessen. Schwieriger wird es hingegen, wenn mn ndersherum verährt, lso eine leise, nicht dominierende Geräuschquelle ls Grundzustnd betrchtet und diese dnn bulich so weit verschlechtert, dss sie letztendlich zu einer dominierenden Geräuschquelle wird. Um diesen Fll zu überrüen wurde die Vorusberechnung ür den Fll des veränderten Ktlystors ndersherum durchgeührt: Als Grundzustnd wurde lso der leisere Fll ohne Loch im Ktlystor betrchtet und mit der Schlleldsimultion nlysiert. Ds Geräusch des Ktlystors nimmt dbei eine untergeordnete Rolle ein vgl. Abb Anschließend wurde ds Gesmtgeräusch mit dem Loch vorusberechnet und mit der Messung des entsrechenden Serienbuzustndes des Gesmthrzeugs verglichen. Ds Ergebnis ist in Abb zu sehen. Abbildung Vorusberechnung und überrüende Messung des Gesmtgeräuschs eines Fhrzeugs mit Loch im Ktlystor. Grundzustnd und somit Grundlge der Berechnung wr ds Gesmtgeräusch des leiseren Buzustnds. Vgl. ext

99 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch 93 Die Abweichung des vorusberechneten und des gemessenen Gesmtgeräusches liegt nun bei 5-7 db. Drus nn mn den Schluss ziehen, dss hutsächlich die dominierenden Quellen richtig berechnet und vorusberechnet werden önnen, während die untergeordneten eilschllquellen, lso die, die st nichts zum Gesmtgeräusch beitrgen, nicht richtig bewertet werden. Dies liegt in der Ntur der Schlleldsimultion: Es wird versucht ds Gesmtgeräusch zu reroduzieren. Dzu ist ds Geräusch der eilschllquellen wichtig, die in erheblichem Mße zum Gesmtgeräusch beitrgen. An st llen Miroonen wird lso ds Geräusch der luten Quellen ugenommen, während ds der leisen Quellen n wenigen oder einen Miroonunten egelbestimmend ist. Somit sind diese Quellen im Gesmtgleichungssystem unterreräsentiert und werden dbei mit größeren Fehlern berechnet. Zudem ist ds Buteil m Buteilmiroon nicht egelbestimmend, so dss die Annhme in Gleichung 5.8- eine Gültigeit ht. 5.9 Leistungsbeurteilung und Fehlerdisussion Der Fehler im Verhren zur Simultion von Schlleldern im Außenbereich von Fhrzeugen ist leicht bzuschätzen, d mn die Simultion des Gesmtschlleldes stets mit der Betriebsmessung vergleichen nn. Die Dierenz beider Pegel ist ein Mß ür die Güte der Simultion. Diese ist vor llem in der Vorbeihrtdrstellung immer leicht zu erennen Abb Diese Abweichung beträgt etw -3 db und ist uch setrl nicht wesentlich höher Abb Abbildung 5.9- Setrle Abweichung zwischen Betrieb und Simultion in db gemittelt über lle Vorbeihrtmiroone. Die Abweichung wurde mit den Dten us Abbildung berechnet. Lins der gnze Frequenzbereich, rechts bis 400 Hz ugezoomt. Im niederrequenten Bereich wirt der Messrum nicht mehr ls Semireieldrum. Die bsorbierende Eigenscht der Wände setzt erst zwischen 40 und 80 Hz ein, so dss lle Werte im Frequenzbereich drunter rinziiell nicht verwertbr sind Vgl. K Die Fehler der simulierten eilgeräusche sind wesentlich schwerer zu bestimmen. Zum einen sieht ds Verhren eine eilgeräuschbestimmung vor, zum nderen ist diese exerimentelle Bestimmung selbst mit Fehlern behtet vgl. K. 5., so dss eine Entscheidung, welches nun der richtige Wert ist, sehr schwierig wäre. Im Kitel 5.8 jedoch wurde ds Gesmtgeräusch eines veränderten Buzustndes vorusberechnet und mit der entsrechenden Messung verglichen. D hier nur eine Quelle bulich verändert wurde und ds Gesmtergebnis der Simultion wieder mit der Messung übereinstimmte, ist bewiesen, dss

100 94 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch zumindest die Hutschllquellen ebenlls bis u den Fehler von ±-3 db richtig simuliert werden. Hndelt es sich jedoch um eilschllquellen mit geringem Beitrg zum Gesmtgeräusch, so nn sich der Fehler uch deutlich drüber beinden, wie in K drgelegt wurde. Ds Verhren zur Simultion von Schlleldern ist ein exerimentell-rechnerisches Verhren, wobei Fehlerquellen sowohl im exerimentellen ls uch im rechnerischen eil utreten önnen. Mit den heutigen leistungsstren Rechnern und einer Rechengenuigeit von sehr vielen Dezimlstellen sielen Rundungsehler im ustischen Bereich eine wesentliche Rolle. Die einzig denbre Fehlerquelle in der Simultion ist dher ls systemtischer Fehler in den Berechnungslgorithmen zu suchen. Die grundlegenden Gednen zur Berechung einer Schlleldsimultion und die Absicherung der Überlegungen in einem Prinziversuch, wie es in Kitel 3 geschehen ist, schließen jedoch eine solche Fehlerquelle us. Neben Messehlern, die vor llem durch die Insttionrität des Fhrzeugs im Betrieb verurscht werden, liegt ein Fehler im Bereich der Beschllung n den eilschllquellen. Mn möchte j ds Schlleld der eilschllquellen durch Lutsrecher nchbilden. Dbei sollte ber nicht nur die bgestrhlte Schllleistung des Lutsrechers mit der der eilschllquelle identisch sein, sondern uch die Abstrhlchrteristi. Zur Auindung der dzu geeignetsten Beschllungsositionen und der besten Ausrichtung des Lutsrechers wurden im Kitel 5.4 K. 5.6 Untersuchungen durchgeührt. Obwohl hier große Fortschritte erzielt werden onnten, bleibt doch ein nicht zu verchtender Rest n Abweichung vgl. z.b. Abb der einem noch exteren Simulieren des Gesmtschlleldes im Wege steht. Vielleicht nn mn hier in Zuunt ür jede Quelle geeignetere Beschllungslutsrecher buen, um ds Verhren weiter vorn zu treiben. Wenn mn über Fehler eines Verhrens sricht, dnn muss mn jedoch uch die Fehler onurrierender Verhren betrchten. Austische Berechnungen mit omlexen Schlleldern werden meist erst gr nicht mit entsrechenden Messungen verglichen, ws ot n der Unmöglicheit der Durchührung solcher Messungen liegt. Kum eine ustische Berechnungsmethode ist besser ls ±-3 db und ds über den gnzen Frequenzbereich hinweg. Abgesehen dvon, dss es ür ds Fhrzeugußengeräusch ein vergleichbres Verhren gibt, ommt ls ernstzunehmende Konurrenz nur die herömmliche Komonentennlyse K in Frge, deren Fehler bereits in Kitel 5. geschildert wurden. 5.0 Zusmmenssung Nch grundlegenden Überlegungen zur Simultion von Schlleldern und der Errbeitung von geeigneten Berechnungsverhren in Kitel 3 wurde drus ein Verhren zur Lolisierung von Schllquellen entwicelt Kitel 4. Mit diesen Busteinen wurde im Kitel 5 ds Verhren zur Simultion des Schlleldes im Außenbereich eines Fhrzeugs entwicelt, ds eine neue Methode der rnserdnlyse drstellt. Die einzelnen Entwiclungsschritte sind in der ncholgenden Gri noch einml zusmmengesst. Abb. 5.0-

101 K. 5 rnserdnlyse ür ds Außengeräusch 95 Grundlegende Überlegungen zur Simultion von Schlleldern K. 3 Problemstellung/Motivtion: K. 5. Ermittlung der Beiträge der eilschllquellen zum Gesmtschlleld. Vorusberechnung der Fhrzeuggeräusches mit veränderten eilschllquellen. Beschreibung des Verhrens zur Simultion des Fhrzeuggesmtgeräusches K. 5. Auswhl eines geeigneten Berechnungsverhrens K. 5.3 us den errbeiteten Methoden in K. 3 Simultion von Schlleldern einzelner Komonenten zur Auindung geeigneter Beschllungsositionen. Schlldämermündung K Reien K Motor K. 5.5 Anwendung der Schllquellenlolisierung K. 4 u ds Gesmthrzeug zur Bestimmung der Beschllungsositionen K Anwendung des Verhrens u ds Gesmthrzeug mit den wichtigsten Lutsrecherositionen und dem richtigen Berechnungslgorithmus. K. 5.7 Ermittlung der Beiträge der eilschllquellen zum Gesmtgeräusch. Vorusberechnung des Gesmtgeräusches eines Fhrzeugs mit veränderten eilschllquellen und Überrüung durch Messung des veränderten Fhrzeugs K. 5.8 Zusmmenssende Leistungsbeurteilung und Fehlerdisussion K. 5.9 Abbildung 5.0-: Zusmmenssung der Verhrensentwiclung im Kitel 5.

102 96 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch 6. Schlleldsimultion ür ds Fhrzeuginnengeräusch Ds Innengeräusch eines Fhrzeugs unterliegt einen gesetzlichen Vorgben. Dennoch wird bei den Fhrzeugherstellern wesentlich mehr Entwiclungsrbeit zur Reduzierung und zur Schung einer ngenehmen Geräuschärbung im Innenrum ugebrcht ls z.b. beim Außengeräusch. Häuig sricht mn sogr vom Klng oder Sound eines Fhrzeugs, während mn mit dem Außengeräusch in erster Linie die gesetzlichen Vorgben erüllen möchte. Jeder Hersteller versucht sein Fhrzeug im Innenrum leiser und besser lingender zu mchen ls ds der Konurrenten. Der us dieser Konurrenz entstndene hohe Entwiclungsuwnd ist ein ruchtbrer Nährboden ür die Forschung und Entwiclung neuer Verhren zur Anlyse, Berechnung und schließlich Verbesserung des Innengeräusches. In diesem motivierenden Umeld wurde ds Prinzi der Schlleldsimultion u Frgestellungen zum Innengeräusch ngewndt, ws in diesem Kitel doumentiert ist. Anlog wie beim Außengeräusch werden ls Einührung die Einrichtungen zur Innengeräuschnlyse beschrieben. Dnch wird ds Verhren in seinen Grundzügen vorgestellt und neben dem notwendigen exerimentellen Aubu die Dtenverrbeitung sizziert. Nch der Disussion geeigneter Berechnungsmethoden und der Doumenttion mehrere Entwiclungsschritte olgt eine Leistungsbeurteilung und letztlich eine Zusmmenssung des Kitels. 6. Die Entstehung des Fhrzeuginnengeräusches Ds Geräusch eines Krthrzeugs setzt sich im Wesentlichen us olgenden Anteilen zusmmen: [KLI88] - Geräusch des Aggregts Motor, Getriebe, Lüter etc. - Geräusch der Abgsnlge - Geräusch des Ansugsystems - Rollgeräusch - Windgeräusch die je nch Betriebszustnd mit unterschiedlichen Gewichten zum Gesmtgeräusch beitrgen. Im ruhenden Zustnd llen z.b. die letzten beiden Geräuschquellen gnz weg. Ds in der vorliegenden Arbeit entwicelte Verhren zum Innengeräusch ht jedoch nicht den Ansruch, die Anteile der Geräuschquellen m Gesmtinnengeräusch usindig zu mchen, wie z.b. beim Verhren zum Außengeräusch. D die rimären Geräuschverurscher ußerhlb der Fhrgstzelle liegen, müssen die Geräusche u irgendeine Art in die Fhrgstzelle eindringen. Ds Verhren mcht sich dher zur Augbe, ds Gesmtinnengeräusch nch Art Körer- oder Lutschll und Ort Scheibe, Frontwnd,... der Geräuscheindringung uzuschlüsseln. 6.. Lut- und Körerschll Im zweiten Kitel dieser Arbeit wurde bereits der Begri des Lutschlls und des Körerschlls llgemein eingeührt. Wichtig wr dbei, dss mn Körerschll beim Emänger letztendlich uch ls Lutschll whrnimmt, der Ausbreitungsweg von der Quelle zum Emänger jedoch über eine Körerschllbrüce ührt. Diese Deinition lässt sich wie olgt u die Sitution des Innengeräusches interretieren: Ds Innengeräusch wird mit Miroonen n genormten Stndrdmessunten gemessen [ISO84], die im Wesentlichen den Positionen der Ohren der Fhrgäste entsrechen. Es werden lso eine Beschleunigungsunehmer montiert, um Schwingungen eines Körers zu messen. Ds Innengeräusch muss lso zumindest u dem letzten Wegstüc zum Emängermiroon über die Lut trnsortiert werden.

103 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch 97 Körerschll: Unter Körerschll versteht mn im Innengeräusch den Schll, der sich von den Schllquellen us zunächst über Körerschlltrnserde usbreitet. Beim Motor z.b. werden die Schwingungen des Motors über die Getriebelger u die Krosserie übertrgen. Die so schwingende Krosserie nn n mnchen Stellen wie ein Lutsrecher wiren und strhlt Lutschll in die Umgebung b. Vor llem große Blechteile önnen zu Schwingungen mit großer Amlitude ngeregt werden und strhlen bevorzugt Schll b. Dieser seundäre Lutschll wird dnn unter nderem ls Innengeräusch whrgenommen, soll ber ls Körerschll deiniert sein. Lutschll: Als Lutschll wird ds Geräusch bezeichnet, ds von den rimären Geräuschquellen des Fhrzeugs diret bgestrhlt wird. Am einchsten ist dies zu verstehen, wenn z.b. ds Schiebedch geönet wird und druhin der Geräuschegel im Inneren ds Fhrzeugs nsteigt. Dieser Anstieg ist u den Lutschll zurüczuühren, der im Außenbereich des Fhrzeugs egelbestimmend ist. Der Lutschll dringt durch Löcher und über Leitungen in ds Fhrzeug ein und trägt so zum Innengeräusch bei. Ein besonderer Fll von Lutschll sei hier noch ngesrochen: Angenommen, die Fhrgstzelle besitzt eine Löcher und Lecgen und uch ds Schiebedch sei geschlossen. Dnn gäbe es dennoch Lutschll im Inneren der Fhrgstzelle: Der von den rimären Schllquellen bgestrhlte Lutschll regt seinerseits von ußen Blechteile der Krosserie zu Schwingungen n. Diese strhlen wiederum Schllwellen in ds Fhrzeuginnere b. Ds so entstehende Geräusch wertet mn uch ls Lutschll, d es von der rimären Quelle zunächst ls Lutschll emittiert worden ist. vgl. dzu K.. Gängige Methoden zur Anlyse des Gesmtgeräusches bezüglich Lut- und Körerschll gemäß der gegebenen Deinitionen wurden bereits im zweiten Kitel vorgestellt. In diesem Kitel wird ein neues Verhren zur Anlyse des Lut- und Körerschllnteils m Gesmtinnengeräusch vorgestellt. 6.. Der Hllrum zur Messung der Fhrzeugdämmung Die Verwendung des Hllrums zur Messung von Dämmungen wurde bereits in Kitel Abb..- vorgestellt. Um die Dämmungseigenscht eines Buteils zu messen wird dieses zwischen zwei Räumen eingesnnt. In einem Rum wird ein Schlleld erzeugt und im nderen Rum wird gemessen, ws dvon noch zu hören ist. Um hierür geeignete Messbedingungen zu hben, sind Hllräume notwendig. Außerdem nn in einem Hllrum uch die Gesmthrzeugdämmung gemessen werden, ber zunächst erst einml zum Aubu eines Hllrums: Der Hllrum ist ds hysilische Gegenstüc zu einem Freieldrum. Anstelle schllbsorbierender Wände versucht mn die Wände schllhrt zu gestlten. Dece, Boden und Wände sollen lso extrem reletierend sein ähnlich wie in einer Grge. Dmit soll ein im Rum erzeugtes Schlleld so lnge wie möglich urecht erhlten werden. Im Gegenstz zur Grge sind die Wände schiewinlig zueinnder ngeordnet. Ddurch wird eine große Schlldiusität erreicht. Die tyischen Eigenrequenzen, die us der Länge und der Breite eines rechtwinligen Rumes resultieren, treten im Hllrum nicht u. Mn nn uch von einer wesentlich vergrößerten Eigenrequenzdichte srechen, d eine Schllwelle erst nch vielen Relexionen wieder m Ausgngsunt ngelngt ist. Ncholgend sind die tyischen Eigenschten eines Hllrums noch einml zusmmengesst: [KLI88]

104 98 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch - große Nchhllzeit - große Schlldiusität - große Eigenrequenzdichte Der Hllrum bietet viele Möglicheiten zur Messung hysilischer Größen. Die bennteste ist die Schllleistungsmessung einer Schllquelle. Nch der Deinition der Schllleistung P 6.- [KLI88] P A Id A 6.- müsste die Intensität I einer Schllquelle n jedem Flächenstüc da einer gedchten ugelörmigen Hülle unter Freieldbedingungen gemessen werden. Im Hllrum geht ugrund der reletierenden Wände nichts von der bgestrhlten Schllleistung verloren. Zudem ist die Messung im Hllrum ugrund der Schlldiusität ortsunbhängig. Der Schlldrucegel L muss lso nur n einem Punt im Rum gemessen werden und nn über die rumseziische Nchhllzeit und ds Volumen des Rumes V den Schllleistungsegel L P bestimmt werden. [KLI88] V L P L 0lg db 0lg db t 3 s m onst. V 6.- Eine etws seziellere, ber ür diese Arbeit wichtigere Anwendung des Hllrums, ist die Messung der Dämmung 4 des Gesmthrzeugs. Die Schlldiusität des Rumes wird dbei u eine ndere Art usgenutzt: Ein Lutsrecher erzeugt im Hllrum ein Schlleld, ds idelerweise überll gleich ist. Ein im Hllrum stehendes, ruhendes Fhrzeug ist mit Miroonen n den Stndrdmessunten in der Fhrgstzelle usgestttet und erährt so eine homogene Geräuschbelstung rund um ds Fhrzeug herum. An llen Punten der Fhrgstzelle liegt der gleiche Geräuschegel n. Der Geräuschegel wird dnn sowohl im Außenbereich ls uch im Innenbereich des ruhenden Fhrzeugs gemessen. Die Pegeldierenz ist ein Mß ür die Dämmungseigenscht des gesmten Fhrzeugs. Der Nchteil dieser Messung ist, dss mn die ttsächliche Geräuschbelstung im Betrieb nicht nchstellen nn. So werden die Scheiben bei dieser Art der Messung genuso belstet wie die Frontwnd, lso die rennung zwischen Motor und Fhrgstzelle. Ein Vorteil dieser Messung besteht ber in der Gesmtheit des Messobjetes: die Messung der einzelnen Buteile, wie z.b. in Abb..- drgestellt, nn nicht immer u ds Gesmthrzeug übertrgen werden. Es besteht nämlich ein Unterschied, ob ein Fenster in eine Betonwnd eingebut ist, oder ob es sich m Fhrzeug beindet. Hier önnen ugrund der veränderten Rndbedingungen ndere Eigenschwingormen utreten, die ds Dämmungsverhlten verändern önnen. Außerdem nn es bei der Verbindung der einzelnen Buteile zu Lecgen ommen, die nur im Gesmthrzeug estgestellt werden önnen. In Abbildung 6.- ist der Messubu ür eine Dämmungsmessung im Hllrum bgebildet. 4 Der Begri Dämmung wird hier nicht orret verwendet. Mn misst einen Pegelunterschied zwischen Außen- und Innenbereich. Diese Pegeldierenz resultiert us der Dämmung der Krosserie und der Absortion in der Fhrgstzelle. D diese beiden Komonenten in dieser Arbeit jedoch nicht getrennt untersucht werden, oder sonst irgendwie in Erscheinung treten, beinhltet hier der Begri Dämmung uch die Absortion.

105 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch 99 Abbildung 6.- Hllrummessung einer Fhrzeugdämmung. Eine Schllquelle erzeugt ein homogenes, diuses Schlleld im Hllrum. Die Pegeldierenz zwischen Außenmiroon und Innenmiroon ist ein Mß ür die Dämmungseigenscht des Fhrzeugs. Sollen dennoch die Dämmungseigenschten der einzelnen Krosseriebuteile im verbuten Zustnd gemessen werden, so wendet mn die sog. Fenstermethode n. Hier wird zwr wieder ds Gesmthrzeug im Hllrum beschllt, jedoch wird ds Fhrzeug omlett in schlldämmendes Mteril eingect. Lediglich n dem interessierenden Buteil wird u den Schllschutz verzichtet. An diesem Fenster in der Schllschutzschicht erährt ds Fhrzeug eine wesentlich höhere Geräuschbelstung ls n den zugedecten Stellen. Im Idelll ommt ds Geräusch im Inneren des Fhrzeugs dnn usschließlich von dieser Stelle. Abbildung 6.- zeigt den Messubu der Scheibendämmung m Gesmthrzeug.

106 00 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch Abbildung 6.- Fenstermethode im Hllrum n einem Gesmthrzeug. In der schlldämmenden Schicht wurde ein Fenster n den hinteren Seitenscheiben geönet. Im Idelll ommt ds Innengeräusch nun usschließlich von den hinteren Seitenscheiben. Neben der ehlenden Inormtion über die ttsächliche Geräuschbelstung im Betrieb, weist die Fenstermethode zwei Hutehlerquellen u:. Mn muss sicherstellen, dss die verbute Schlldämmung n jeder Stelle besser ist ls die Fhrzeugdämmung n der Fensterstelle. Möchte mn z.b. die Dämmung der Frontwnd vermessen, so muss mn uch die Scheiben so gut bdichten, dss die Gesmtdämmung us Scheiben Dämmmteril größer ist ls die sehr hohe Dämmung der Frontwnd.. Einerseits muss viel Mteril m Fhrzeug montiert werden, ndererseits verändert mn so die Eigenschten des Fhrzeugs, ws zu Fehlern in der Auswertung ührt. Ds Buteil m oenen Schllschutzenster erährt zwr eine Veränderung, jedoch die umliegenden Buteile, die mit dem Prüling verbunden sind. D die dämmende Eigenscht immer mit dem Schwingverhlten des Buteils zusmmenhängt, dieses jedoch erheblich von der Lgerung desselben bhängt, verändert mn somit uch die Dämmungseigenscht des zu messenden Buteils. Für die vorliegende Arbeit dienen die Hllrummessungen m Gesmthrzeug und Messungen mit der Fenstermethode ls Vergleich und Kontrolle der Ergebnisse des entwicelten Verhrens. 6. Schlleldsimultion ür ds Fhrzeuginnengeräusch Wie schon in Kitel.. ngesrochen, wurde ds Zustndeommen der gesmten vorliegenden Arbeit durch Voruntersuchungen im Huse BMW in München motiviert. Hierbei wurde ein exerimentell-rechnerisches Verhren sizziert, ds eine Anlyse der rnserde ür ds Fhrzeuginnengeräusch vorsieht [SR98]. Diese Ideen wurden in der vorliegenden Arbeit zunächst llgemeiner ormuliert, überrüt und verbessert. Dru ubuend

107 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch 0 wurde ein Verhren zur Außengeräuschnlyse bgeleitet. Schließlich wurde ds ursrüngliche Verhren zur Innengeräuschnlyse überrüt, mit den verbesserten Berechnungslgorithmen versehen und mit grvierenden Entwiclungsschritten entscheidend verbessert, so dss es dem ursrünglichen Verhren von [SR98] um mehr gleicht. Nch der detillierten Formulierung des Verhrens nch [SR98], der Drlegung der Ziele des Verhrens und der exerimentellen Aubuten, werden die Entwiclungsschritte ugezeigt und bewertet. Schließlich olgt eine zusmmenssende Leistungsbeurteilung zur Aussgert des Verhrens. 6.. Motivtion des Verhrens Zwei Asete des Innengeräuschs werden mit dem Verhren beurteilt:. rennung von Lut- und Körerschll.. Ermittlung der räumlichen Dämmungseigenscht und der Schlleintrittsverteilung im Betrieb. Ds Fhrzeuginnengeräusch setzt sich us zwei Komonenten zusmmen: Dem Lut- und dem Körerschllnteil. Die rennung dieser beiden Anteile, lso die Bestimmung der Geräuschzusmmensetzung m Ohrunt der Fhrzeuginsssen, ist bisher nur exerimentell mit Hile der Fremdlgerung ermittelbr vgl. K.. Diese äußerst uwendige Methode birgt ugrund der meist unvollständigen Durchührung einige Fehlerquellen. Mn muss sich vorstellen, dss die omlette Aboelung der Krosserie vom Antriebsstrng und den Aggregten so busicher durchgeührt werden muss, dss ds Fhrzeug dbei noch unter Lst in Betrieb genommen werden nn. D ds Fhrzeug hierbei uch noch genu ds gleiche Geräusch roduzieren soll, ist dies st nicht zu erreichen. Ds in dieser Arbeit entwicelte Verhren geht hingegen einen nderen Weg. Mn versucht hier ds Lutschlleld, ds im Betrieb n der Krosserie nliegt, mittels Schlleldsimultion zu erzeugen. Während ds Fhrzeug mit diesem simulierten Lutschlleld beuschlgt wird, bleibt es selbst in Ruhe, so dss der Körerschllnteil eliminiert ist. Ds so im Innenbereich ermittelte Schlleld entsricht lso dem Lutschllnteil im Betrieb. Bildet mn die Dierenz us dem Gesmtbetriebsgeräusch und dem Lutschllnteil, so nn mn uch noch u den Körerschllnteil schließen. Diese Art der Anlyse betrchtet ds Fhrzeug immer im Originlzustnd. Keinerlei Umbumßnhmen sind erorderlich, die den Betrieb des Fhrzeugs und dmit verbunden ds Betriebsgeräusch u irgendeine Art beeinträchtigen önnten. Der zweite Ansruch der Anlyse bezieht sich u einen eil des rnserds. Die Frge ist: woher ommt ds Geräusch, ds der Fhrer oder Beihrer... hört? Auch hier beschränt mn sich u den Lutschllnteil. Körerschllnteile werden mit nderen Verhren ermittelt. Mn möchte lso wissen, wie groß die lole Dämmung der Krosserie ist, bzw. wie emindlich der Fhrer bezüglich eines Geräusches n einer lolen Stelle der Krosserie ist. Die Gri 6.- zeigt schemtisch die rnserdnteile, die hier nlysiert werden sollen:

108 0 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch Abbildung 6.- Schemtischer Lutschll-Geräuschluss von den Quellen zum Ohr der Insssen. Ds Geräusch der Quellen dringt durch die einzelnen Komonenten der Krosserie in die Fhrgstzelle ein und wird vom Fhrzeuginsssen whrgenommen. Nur der rechte eil des rnserverhltens wird mit dem Verhren nlysiert, lso die Frge: Wieviel ommt von jedem Buteil beim Fhrgst n? 6.. Die erste Idee des Verhrens Ein Verhren zur Bewältigung der vorgestellten Augben wurde bei BMW von R. Strycze et l. sizziert und erste Messungen dzu durchgeührt [SR98]. Ds Ziel dieses Unteritels ist die Drlegung der Ideen von Strycze, übertrgen in die Nottion dieser Arbeit. Im druolgenden Kitel 6..3 werden eigene Gednen dzu erörtert, wie ds Verhren verstnden werden nn und wo eventuelle Fehlerquellen liegen önnen. Im weiteren Verlu wird ds Verhren genuer untersucht, die Schwchstellen ugesürt und durch Verbesserungen in ein untionsähiges Verhren umgewndelt. Ein eil der Überlegungen wurde bereits in Kitel 3. drgelegt, in dem es drum ging, ein beliebiges Schlleld zu simulieren. Ncholgend wurden Verbesserungen zum Berechnungslgorithmus in llgemeiner Form drgestellt und nhnd eines Prinziversuchs demonstriert. All diese Dinge werden hier nicht mehr in ller Ausührlicheit wiederholt, lediglich der Bezug u die Anwendung wird hier hergestellt. Aber nun zum Verhren: Um die Fhrgstzelle herum wird ein Netz von K..K Miroonen ugebut, n denen Betrieb, ussen im ersten Schritt ds Betriebsschlleld ugenommen wird. Zusätzlich werden n den Stndrdmessunten im Fhrzeuginneren Miroone instlliert, um uch hier ds Fhrgeräusch uzunehmen m Betrieb, innen m..m. Ds Fhrzeug wird mit dem Messubu in einem Austirüstnd betrieben, der ähnlich wie der Außengeräuschrüstnd K über eine Rolle und schllbsorbierende Wände verügt, jedoch wesentlich leiner ist und der eine Vorbeihrtmiroone besitzt. Nchdem im ersten Schritt ds Betriebsgeräusch sowohl n den Außen- ls uch n den Innenmiroonen ugenommen wird, werden im zweiten Schritt Beschllungsmessungen

109 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch 03 durchgeührt. Dzu werden mehrere L etw 0-0 Beschllungsositionen rund um ds Fhrzeug herum willürlich usgewählt, wovon us ds Fhrzeug mit einem Lutsrecher beschllt wird. Als Lutsrechernregung wird bei [SR98] die Beschleunigung Beschllung l der Lutsrechermembrne mit einem Beschleunigungsunehmer ugezeichnet. Es werden die rnseruntionen sowohl zu den Außenmiroonen ls uch zu den Innenmiroonen gebildet: ussen, l ussen m, l ussen Beschllun l ussen Beschllun m g g Im dritten Schritt, dem Schritt der virtuellen Schlleldsimultion, wird nun versucht ds Außengeräusch des Fhrzeugs im Betrieb zu simulieren. Die Innenmiroone werden zunächst nicht berücsichtigt. D Strycze hier lles mit der Pseudoinversen berechnet, ist somit ds Gleichungssystem 3.-3 mit den entsrechenden Indizes uszusttten und zu lösen: Betrieb, ussen Betrieb, ussen ussen, ussen, ussen, ussen, Betrieb, ussen ussen ussen ussen K K, K, K, L L 6.-3 Nch Umormung in Vetorschreibweise wird ds Gleichungssystem, wie in Kitel 3, mit der Methode der Pseudoinversen gelöst. Für die Unbennten gilt dnn: ussen, L ussen, L L L ussen Betrieb,ussen inv 6.-4 Ds simulierte Geräusch ussen ist dnn ds Produt us Lutsrechernregungen und rnseruntionen ussen : ussen ussen 6.-5 Ws mn bis hierher getn ht, ist die virtuelle Rerodution des Außenbetriebsschlleldes. Mit den ermittelten Membrnbeschleunigungen ht mn lso die Lutsrechernregungen geunden, die dzu notwendig sind. Ds im ersten Schritt gemessene Betriebsschlleld im Innenbereich ommt sowohl durch Körerschll ls uch durch Lutschll zustnde. Mit den Lutsrechern ht mn nun ds Körerschlleld usgeschltet. Lediglich ds Lutschlleld liegt nun n der Krosserie n. Ds simulierte Innengeräusch innen berechnet sich mit den zuvor gemessenen rnseruntionen zu den Innenmiroonen innen. innen innen 6.-6

110 04 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch innen ist somit der Lutschllnteil m Gesmtinnengeräusch Betrieb,innen. Der Körerschllnteil innen,ks berechnet sich dnn us der energetischen Dierenz der beiden Größen: innen, KS, innen innen Betrieb 6.-7 Neben der rennung von Lut- und Körerschll m Innengeräusch wird ds Verhren wie olgt dem zweiten Ansruch, der Lolisierung des Schlleintritts, gerecht. Dzu wird in Gleichung 6.-6 der Vetor der Lutsrechernregungen durch die Gleichung 6.-4 ersetzt: innen ussen Betrieb,ussen innen inv Emindlicheitsmtrix 6.-8 Der so geschenen Ausdruc lieert einen Zusmmenhng zwischen dem n der Krosserie Betrieb,ussen nliegenden Außengeräusch und dem Geräusch n den Stndrdmessunten innen in der Fhrgstzelle. Dieser Zusmmenhng wird durch ds Produt der beiden rnsermtrizen hergestellt und mündet in einer Mtrix ges, die ls Emindlicheitsmtrix bezeichnet werden nn: ges innen ussen inv Diese Mtrix, mit der Dimension M,K lieert lso ds rnserverhlten eines Schlleldes Betrieb,ussen, ds n den einzelnen Miroonositionen im Außenbereich der Fhrgstzelle nliegt. Jedem Flächenelement um die Miroonosition..K wird lso ein rnserverhlten zu jeder Position im Fhrzeug m..m zugewiesen. Beuschlgt mn dieses rnserverhlten mit dem gemessenen Betriebsschlleld, so nn sogr der Geräuscheintritt im Betrieb n jedem Flächenstüc der Fhrgstzelle ermittelt werden Anmerungen zum Verhren 6.-9 Ds von Strycze sizzierte Verhren ist sehr elegnt ormuliert, d mn mit wenigen Mtrixoertionen zu interessnten Ergebnissen ommt. Ds Gleichungssystem und vor llem der Lösungsweg mit der Methode der Pseudoinversen birgt jedoch einige ücen in sich, die bereits in Kitel 3 usührlich besrochen wurden. Um die dort verbesserten Berechnungsmethoden uch u ds Innengeräuschverhren nwenden zu önnen, muss mn sich noch Gednen zum Berechnungsblu mchen. Die Schlleldsimultion, lso die Rerodution des im Außenbereich ugenommenen Schlleldes, ist im vorliegenden Fll etws omlizierter, d die Aunhme des Geräusches in unmittelbrere Nähe der Quellen erolgt. Während beim Außengeräuschverhren K. 5 viele Miroone im Ferneld stehen und die Nheldmiroone, von einigen Ausnhmen bgesehen, nicht diret neben den Quellen sttioniert sind, liegen hier die meisten Miroonositionen nur wenige Zentimeter neben den Quellen. So ht mn viele Miroone entlng des Abgsstrngs unter dem Fhrzeug und mn indet sogr Miroone im Motorrum zwischen Motor und Stirnwnd. Um geeignete Beschllungsositionen zur Rerodution des Schlleldes in einer solch omlexen Umgebung inden zu önnen, sind erhebliche Anstrengungen notwendig. Strycze verteilt die Beschllungsositionen gleichmäßig um ds Fhrzeug herum. Es wird nicht dru gechtet, dss ds Schlleld m besten dnn reroduziert wird, wenn die Positionen der Beschllungsquellen mit den relen Quellen

111 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch 05 übereinstimmen. Eine ohärente Berechnungsmethode nn zwr immer schöne Ergebnisse lieern, vor llem bei vielen Beschllungsositionen nn jedoch nicht von der Richtigeit des gesmten Schlleldes usgegngen werden vgl. dzu K Die Anwendung verbesserter Modelle zur Schlleldsimultion, z.b. die Verwendung inohärenter Berechnungsverhren zur Rerodution des äußeren Schlleldes, ist rinziiell ein Problem und untioniert genuso wie im dritten Kitel in llgemeiner Form vorgestellt. Dher ist uch die rennung von Lut- und Körerschll uch mit nderen Berechnungslgorithmen möglich. Für die Berechnung der Emindlicheitsmtrix ist olgende Überlegung notwendig: Beim Betrchten von Gleichung 6.-8 stellt mn est, dss mn ds rnserverhlten eines Flächenelementes A der Krosserie um ds Miroon so ermittelt, in dem mn den Vetor ür ds Betriebschlleld wie olgt verändert: Betrieb,ussen Betrieb, ussen Betrieb,ussen Mn setzt lso und 0. Dnn beommt mn ür ds,...,,,..., K simulierte Innengeräusch den Eintrg der Emindlicheitsmtrix ges ür ds entsrechende Flächenelement A bezüglich der Innenrummiroone. Die Emindlicheitsmtrix wird lso bei ll den Mtrixumormungen durch Bildung eines Geräuschsots, wie ihn 6.-0 beschreibt ermittelt. Die Abweichung des simulierten vom vorgegebenen Sot sollte lso ein Mß ür die Richtigeit des Ergebnisses sein. Mit den Erhrungen, die mn us dem Prinziversuch in Kitel 3.5 gewonnen ht, nn mn ber dvon usgehen, dss zwischen den Miroonositionen der vorgegebene Geräuschsot nicht relisiert wird K Hier stect eine verborgene Fehlerquelle, die in den olgenden Kiteln weiter nlysiert wird. Wie die Emindlicheitsmtrix mit den nderen Berechnungsverhren us Kitel 3 ermittelt werden nn, wird im nächsten Unteritel drgelegt Allgemeine Berechnung der lolen Emindlicheit Die Berechnung der Schlleldsimultion, lso die Rerodution des Betriebsschllelds mit inohärenten oder nderen nichtlineren Methoden, wurde bereits in Kitel 3 usührlich drgelegt. Ds Gleichungssystem 6.-3 wird dbei durch ds entsrechende Gleichungssystem z.b. energetische Addition der Lutsrecher und Gleichsetzung mit dem Betrg der Schlldrüce ersetzt. Dnch wird eine Zieluntion erstellt, die numerisch minimiert wird. Während bei der rennung von Lut- und Körerschll die Methode der Pseudoinversen u einche Art ersetzt werden nn, muss zur Ermittlung der Emindlicheitsmtrix ein zeitrubendes Verhren ngewndt werden. Wie schon weiter oben ngedeutet, muss mn ür jede Miroonosition einen 0--0-Sot ls Betriebsgeräusch vorgeben. Für jeden Sot werden dnn die entsrechenden Lutsrechernregungen berechnet, die notwendig sind um innen diesen Sot virtuell zu relisieren. Ds dbei resultierende Innengeräusch entsricht dnn gemäß 6.-8 genu den Einträgen der Emindlicheitsmtrix ges. Die Berechnung der Schlleldsimultion, lso die Ermittlung eines Stzes von Lutsrechernregungen, muss lso K ml durchgeührt werden. Einml ür ds Betriebsgeräusch und

112 06 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch dnn noch ür jede Miroonosition..K. In der olgenden Drstellung ist der Ablu des Verhrens noch einml schemtisch drgestellt: Abb. 6.- Simultion des Betriebsgeräusches: Betriebsmessung! Lutsrechertrnseruntionen x Lutsrechernregung Ermittlung der Emindlicheitsmtrix: 0,...,0,,0,...0 -te Stelle! Lutsrechertrnseruntionen x..k Lutsrechernregung ür Sot m Miro Abbildung 6.- Schemtischer Ablu der Schlleldsimultion zum Innengeräuschverhren. vgl. ext Die Simultion des Betriebsgeräusches nn mit llen Berechnungsmethoden geschehen. Hier hndelt es sich um eine gnz normle Schlleldsimultion, wie sie in llgemeiner Form im dritten Kitel drgelegt wurde. Selbst die Bestimmung des Innengeräusches nn mit llen Verhren erolgen, d hier nur die berechneten Lutsrechernregungen mit den rnseruntionen in den Innenrum multiliziert werden. Die Berechnung der Emindlicheitsmtrix nn hingegen nur mit der Dierenzenmethode berechnet werden. D zur Erzeugung der Geräuschsots ür ds Betriebsgeräusch n st llen Miroonen Nullen vorgegeben werden, ommt es bei den Quotientenmethoden zur Division durch Null, ws nicht zulässig ist. Selbst wenn mn nstelle der Null den sehr geringen Ruheegel einsetzt, ommt es zu sehr großen Zhlenwerten, ws den Berechnungslgorithmus instbil werden lässt. Die Verwendung der Dierenzenmethode ist jedoch zur Bestimmung der Emindlicheitsmtrix uch nicht weiter schlimm. Der Vorteil der Quotientenmethode ist j die Gleichgewichtung von leisen und luten Miroonositionen. Im Fll des Geräuschsots sind jedoch sowieso st lle Miroone gleich. Dher lieert uch die Dierenzenmethode ein bruchbres Ergebnis. 6.3 Versuchsdurchührung Ds Verhren ist wiederum ein exerimentell-rechnerisches Verhren. Zum einen ist ein exerimenteller Versuchsubu zur Messung des Betriebsgeräusches und der Lutsrechertrnseruntionen notwendig, zum nderen wurde eine umngreiche Berechnungs- und Auswertungssotwre erstellt, die ds Verhren zu einer nwendbren und einsetzbren Methode in der Serienentwiclung mcht.

113 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch Exerimenteller Aubu Ds Fhrzeug beindet sich in einem tyischen ustischen Schllmessrum mit schllbsorbierenden Wänden und schllbsorbierender Dece. Der Boden ist hingegen schllhrt, ws der Sitution einer Lndstrße u reiem Felde nchemunden ist. Wie beim Außengeräuschrüstnd sricht mn uch hier von einem Semi-Freieldrum. Die ngetriebenen Räder des Fhrzeugs, bei BMW meist die Hinterräder, sind u einer Rolle gelgert, die sowohl gebremst ls uch ngetrieben werden nn vgl. K An den nichtngetriebenen Rädern wird ds Fhrzeug ixiert. 9 Miroone sind n einem Gestell beestigt und im Abstnd von 0 cm von der Fhrzeugoberläche rund um die Fhrgstzelle ngebrcht Abb Nicht nur m Dch, n den Scheiben und üren und m Fhrzeugboden sind Miroone ltziert, sondern uch im Motorrum zwischen Motor und Fhrgstzelle. D es in der Nähe des Motors besonders heiß wird, werden hier sezielle hitzebeständige Miroone verwendet. Abbildung 6.3- Miroone im Außenbereich der Fhrgstzelle. Alle Miroone sind n einem seziellen Gestell beestigt und beinden sich etw 0 cm von der Fhrzeugoberläche enternt. Neben den Außenmiroonen werden im Fhrzeuginnern vier Miroone instlliert um ds Innengeräusch uzunehmen. Alle insgesmt 96 Miroone werden im dd-on-system zusmmengeührt. Dieses Gerät, ds schon im Außengeräuschverhren Verwendung indet, ist ein vorgelgerter Zwischenseicher ür ds PAK-System 4, ds in llen Prüständen bei BMW ls Mess- und Auswerterogrmm instlliert ist. Der Lutsrecher wird wie beim Außengeräuschverhren über einen Vorverstärer n einen Ruschgenertor ngeschlossen. Die gesmte Messette ist in Abbildung 6.3- schemtisch ugezeichnet. 4 Nähere Erläuterungen dzu indet mn unter Kitel 5..3 und 5..3.

114 08 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch Abbildung 6.3- Messette zum exerimentellen eil des Innengeräuschverhrens. Weitere Miroonositionen beinden sich unter dem Fhrzeug und im Motorrum Sotwre zur Berechnung und Auswertung Nchdem im PAK-System lle Dten mittels FF in eine setrle Form gebrcht wurden, werden sie, wie im Kitel 5..4 beschrieben, in die PC-Welt trnseriert und dort in ds MALAB-Formt onvertiert und geeignet zusmmengesst Abb Die Berechnung erolgt nch dem Schem der Abbildung 6.-, wobei die hierür geeignetste Berechnungsmethode im weiteren Verlu des Kitels errbeitet wird. D ds Verhren einzigrtig in der Fhrzeugusti ist und die herömmlichen Untersuchungsmethoden ergänzt, wenn nicht sogr ersetzt, ist es notwendig, dss ds Verhren bei den Ingenieuren eingesetzt werden nn. Dzu wurde ein oberlächenorientiertes Progrmm zur Steuerung der Berechnung und Auswertung entwicelt. In Abbildung ist die Dilogebene drgestellt, von der us die einzelnen Konvertierungs- und Berechnungsschritte durchgeührt werden önnen. Außerdem nn im Anschluss ds Ergebnis der Simultion im Auswertemodus u verschiedene Arten betrchtet werden. Dieser Auswertemodus wird ebenlls von der Dilogbox us ugeruen. Die gewünschte Drstellungsrt der Ergebnisse wird dnn über die Menuleiste ngewählt. Im Hintergrund liegt eine Dtenstrutur, die lle Inormtionen in sich geseichert trägt. So önnen mehrere Auswerteenster gleichzeitig geönet sein, die lle u denselben Dtenstz zurücgreien. Dies ist besonders ür die intensive Auswertung der Ergebnisse von Vorteil, denn häuig möchte mn verschiedene Frequenzbänder genuer untersuchen oder ds Ergebnis ür den Innenrum betrchten und gleichzeitig die Güte der Simultion in einer Fhrzeugußennsicht ontrollieren.

115 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch 09 Abbildung Oberlächenorientierte Sotwre zur visuellen Steuerung der Schlleldsimultion ür ds Innengeräuschverhren. Lins oben wird die Fhrgeräuschdtei us APS und CPS Dten erstellt vgl. K Rechts wird us llen Beschllungsdteien die rnsermtrix der Lutsrecherbeschllungen zusmmengeügt. Lins unten wird im Auswertemodus ds Betriebsgeräusch in der Fhrzeugnsicht drgestellt. Ähnlich wie in Abb beinden sich die Miroonositionen n den Knotenunten des Gitters. Ds Fhrzeug ist nch llen Seiten hin ugelt. In der Mitte ist lso ds Dch zu erennen, drn schließen sich die Scheiben und drunter die üren bzw. lins die Stirnwnd des Motorrumes n. Sert drunter ist der Unterboden bgebildet. Wie zu erwrten ist es im Motorrum mit Abstnd m lutesten, während u dem Dch und n der Hecscheibe um Geräusche utreten. Dies gilt jedoch nur im Prüstnd, denn hier sind die Windgeräusche eliminiert. 6.4 Disussion geeigneter Berechnungsverhren Es gibt mehrere Asete, um us den in Kitel 3 errbeiteten Berechnungsverhren ds ür diese Anwendung geeignetste uszuwählen. In diesem Unteritel werden die Verhren nch den drei wichtigsten Kriterien untersucht. Die Verhren wurden bereits in Kitel 3 bezüglich der Gleichheit zwischen Betrieb und Simultion, sowie dem ermittelten Schlleld n einem nicht simulierten Miroon nhnd eines Prinziversuchs verglichen. Dieser Vergleich wird nun noch einml in der Anwendung m Fhrzeug durchgeührt. Zudem wird ds ermittelte Innengeräusch ls Vergleichstor hinzugezogen. Am Schluss wird ugrund der dnn vorliegenden Ergebnisse ds beste Berechnungsverhren usgewählt.

116 0 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch 6.4. Vergleich der Schlleldsimultion Der nheliegendste und erste Kontrollmechnismus ist immer der Vergleich zwischen Betrieb und Simultion. Dies sollte hier bei den Miroonen im Außenbereich übereinstimmen. Je größer die Abweichung, desto schlechter wurde ds Betriebsschlleld reroduziert. In Abbildung 6.4- ist die Abweichung der Schllelder im Betrieb und in der Simultion ugezeigt. Abbildung 6.4- Betrieb Simultion in db. Abgesehen von der Pseudoinversen sind die ohärenten Methoden hier besser. Die Otimierung der Dierenzen berücsichtigt die leisen Stellen m Fhrzeug um, die Quotientenmethoden beheben diesen Fehler vgl. dzu K. 3. Die Ergebnisse siegeln ds eindrucsvoll wieder, ws in Kitel 3 nhnd des Prinziversuchs schon erörtert wurde. Die Methode der Pseudoinversen, wie in [SR98] vorgeschlgen, lieert hier ds mit Abstnd schlechteste Ergebnis. Lediglich die schnelle

117 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch Berechnung, die nur u Mtrizenumormungen beruht, sricht ür die Pseudoinverse. Auch die nderen Dierenzenmethoden simulieren die Pegel u dem reltiv leisen Dch zu lut. An den luten Stellen, wie Boden oder Frontwnd, stimmen die simulierten mit den gemessenen Werten überein. Die ohärente Quotientenmethode ist mit Abstnd die beste. Mn bechte, dss die Slierung hier um einen Ftor 5 gegenüber den nderen Drstellungen vereinert wurde, um überhut eine leine Abweichung vom Betrieb sehen zu önnen. Auch die logrithmische Methode nn hier bei weitem nicht mithlten. Die lieert zwr eine Normlverteilung des Fehlers um Null, die Absolutwerte der Abweichung sind jedoch weitus höher, ws mit dem in Kitel Besrochenen erlärbr ist. Wie ber uch schon in Kitel 3 drgelegt wurde, stimmen die Ergebnisse leider nur n den Miroonunten überein. Dzwischen werden ot große Fehler simuliert, wie im olgenden Unteritel schön zu sehen ist Schlleld zwischen den Miroonositionen Ds Ziel der Schlleldsimultion ist es, ds simulierte Schlleld um ds Fhrzeug herum möglichst dem gemessenen Betriebsschlleld nzugleichen. Dzu wird ds Schlleld n vielen Positionen gemessen und orml uch nur n diese Positionen reroduziert. Mn geht dnn dvon us, dss ds Schlleld uch zwischen den Miroonositionen in ähnlicher Weise reroduziert ist. Um dies heruszuinden wurden bei der Simultion einige Miroone nicht berücsichtigt. Mn ht lso einch einige Gleichungen des Gleichungssystems weggelssen. Die Lutsrechertrnseruntionen wurden dennoch uch zu diesen Miroonen gemessen. Die ermittelten Lutsrechernregungen, zur Rerodution des Betriebsgeräusches n der reduzierten Anzhl von Miroonen, wurde ber dennoch im Nchhinein mit den rnseruntionen multiliziert und somit ein simuliertes Geräusch n den nichtotimierten Miroonen ermittelt. Dies entsricht dem Fll, dss n ein r Stellen mit zusätzlichen Miroonen ds simulierte Schlleld usgemessen wird um zu überrüen, ob es uch n nderen Punten mit dem Betriebseld übereinstimmt. In Abbildung 6.4- ist ds Ergebnis eines solchen Versuchs bgebildet. Abbildung 6.4- Betrieb Simultion, wobei die Schlleldsimultion mit einer reduzierten Anzhl von Miroonen 89 sttt 9 und der ohärenten Quotientenmethode durchgeührt wurde. Die nicht berücsichtigten Miroonositionen weisen große Fehler u. vgl. ext

118 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch Mit der ohärenten Quotientenmethode und 54 Lutsrecherositionen wurde die Schlleldsimultion mit einer reduzierten Zhl von Miroonen durchgeührt. Wie schon in Kitel 3.5 gezeigt wurde, sind diese mit einem hohen Fehler belstet. Ds Ergebnis ist lso, dss ds Schlleld mit ohärenten Methoden nur n den Miroonositionen richtig simuliert wird. An den Orten dzwischen entstehen hohe Fehler. Bei inohärenten Methoden önnen sich hingegen die Geräusche der einzelnen Beschllungsquellen nicht uslöschen und somit eine große räumliche Inhomogenität erzeugen. Neben der Erenntnis us Abbildung 6.4-, dss zwischen den otimierten Miroonositionen ds Schlleld nicht richtig simuliert wird, ist noch ein Aset zum Mechnismus des Otimierungslgorithmus zu erennen: Abgesehen von den otimierten Miroonen ist die Simultion n den luten Stellen des Fhrzeugs zu leise, während sie n den leisen Stellen tendenziell zu lut ist. Dies ist nicht weiter verwunderlich, wenn mn bedent, dss die Quellen diret m Fhrzeug und somit in unmittelbrer Nähe der Miroone sind. Die Beschllungsositionen liegen dgegen etw 0,5 bis Meter weg. Ddurch ist es den Lutsrechern rinziiell nicht möglich, den großen räumlichen Pegelgrdienten, der im Betrieb n den Miroonen nliegt, nchzubilden. Werden die Lutsrecher n den luten Stellen, wie z.b. m Unterboden, so str ngeregt, dss die Betriebsegel dort erreicht werden, so zieht dies unweigerlich eine Pegelüberhöhung n den leisen Stellen z.b. m Dch gegenüber der Betriebsmessung nch sich. Dies erennt mn nhnd einer leinen Abschätzung, wenn mn bedent, dss bei einer Kugelquelle der Schlldruc mit ~ /r bällt [GÜN8], so reduziert sich der Pegel um 6 db ro Abstndsverdoelung 43. Die rele Quelle m Unterboden ist etw 0 cm vom Miroon und,6 m vom Dchbereich enternt. Der Abstnd ist lso 6 ml so groß, ws eine Pegelreduzierung um 4 db entsricht. Beindet sich der Lutsrecher im Bodenbereich nur 40 cm vom Miroon, lso 50 cm vom Fhrzeug enternt, so reduziert sich der durch ihn hervorgeruene Pegel u dem Dch nur um db. Deshlb ist es schwierig, den Geräuschgrdienten der Betriebsmessung durch Lutsrecher nchzubilden Vergleich der ermittelten Innengeräusche Wie im Flle der nicht otimierten Miroone, wird ds Innengeräusch bei der Schlleldsimultion nicht berücsichtigt. Dies ist j uch gr nicht möglich, d im Betrieb sowohl Körer- ls uch Lutschll gemessen wird. Simuliert wird hingegen nur der Lutschll. Die Betriebsmessung soll lso hier nicht reroduziert werden, ws die Überrüung der Richtigeit der Ergebnisse etws erschwert. Ncholgend sind die ermittelten Innengeräusche drgestellt, die mit verschiedenen Berechnungsmethoden ermittelt wurden Abb Abgebildet ist ds Betriebsgeräusch und ds simulierte Geräusch. Dbei ist zu bechten, dss ds simulierte Geräusch leiser sein sollte, denn hier hndelt es sich j nur um den Lutschllnteil. Aullend ist, dss die ohärenten Methoden sehr stre Streuungen entlng der Frequenzchse uweisen. Außerdem ist ds simulierte Geräusch luter ls ds Betriebsgeräusch, ws us den gennnten Gründen unhysilisch ist 44. Ds zu lute ohärente Innengeräusch ist durch die überhöhten Pegel n den leisen und somit uch schlecht isolierten Stellen des Fhrzeugs zwischen den Miroonen zu erlären K Ddurch dss ds Dch im Betrieb nur mit wenig Geräuschbelstung beuschlgt wird, ist hier eine gute Isoltion nicht notwendig und entsrechend schlecht. D ber ds simulierte Geräusch hier überhöht ist, ührt dies zu einer Überhöhung des simulierten Innengeräuschegels. Im Gegenstz dzu berechnet mn mit den inohärenten Methoden Lutschllnteile, die leiner sind ls ds Betriebsgeräusch. Dies lässt dru schließen, dss ds Ergebnis richtig 43 Diese Näherung gilt genu genommen nur ür ds Ferneld. Für r 0 würde sonst gehen. 44 Es sei denn, dss sich der Körerschll und der Lutschll uslöschen, so dss die im Betrieb gemessene Summe leiner ist ls ds einzelne eilgeräusch. Dies ist ber nur ür einzelne Frequenzen möglich und ist ür den gnzen Frequenzbereich äußerst unwhrscheinlich.

119 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch 3 sein önnte. Interessnt ist uch der geringe Unterschied zwischen den Ergebnissen der einzelnen inohärenten Methoden. Die inohärenten Methoden hben j nicht die Möglicheit durch Überlgerung räumliche Geräuschsots zu relisieren. Deshlb nn es zwischen den Miroonositionen uch nicht zu übermäßigen Pegelüberhöhungen ommen. Der ddurch utretende Fehler beim ohärenten Innengeräusch nn lso bei den inohärenten Methoden nicht utreten. Abbildung Gemessenes Betriebsgeräusch und simulierter Lutschllnteil im Innenrum berechnet mit verschiedenen Berechnungsverhren. Die inohärenten Methoden lieern hier die besten Ergebnisse.

120 4 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch Ergebnis Mit den in Kitel 3 errbeiteten Berechnungsverhren wurde ds Innengeräusch simuliert und olgendes estgestellt: Bei der Simultion des Schlleldes im Außenbereich erzielt mn mit der ohärenten Quotientenmethode erstunlich gute Ergebnisse. Wie sich jedoch bei genuerem Hinsehen herusstellt, ist ds Schlleld nur n den einzelnen Miroonositionen richtig reroduziert. Zwischen den Positionen önnen hingegen große Fehler utreten. Diese Fehler sind dnn uch dür verntwortlich, dss der Lutschllnteil m Innengeräusch lsch berechnet wird. Mit den hier errbeiteten Ergebnissen ommt mn zum selben Ergebnis wie beim Verhren ür ds Fhrzeugußengeräusch. Die inohärente Quotientenmethode ist die geeignetste Methode zur Simultion der Schllelder. Zur Ermittlung der Emindlicheitsmtrix ist die inohärente Dierenzenmethode die geeignetste. 6.5 Auindung geeigneter Beschllungsositionen Ein Verhren zur Lolisierung von Schllquellen wurde in Kitel 4 entwicelt und n einem Prinziversuch erolgreich getestet. Im Außengeräuschverhren nd dieses Verhren Anwendung in der Auindung von Schllquellen m Gesmthrzeug. Wie schon ngesrochen, ist es hier jedoch schwierig, die Beschllungsquellen so genu bei den relen Quellen zu ltzieren, dss ds Schlleld ext nchgebildet werden önnte. Deshlb versucht mn die Beschllungsositionen sttistisch um ds Fhrzeug herum zu verteilen. Im vorliegenden Fll wurde von 54 Positionen us ds Fhrzeug beschllt. Nun ht mn wieder ds Verhren zur Schllquellenlolisierung ngewendet, um die geeignetsten Positionen uszuwählen. Ds Ergebnis bestätigt nur die Vermutung, dss die Positionen in der Nähe des Motors und unter dem Fhrzeug n der Abgsnlge m Wichtigsten sind. Die Positionen m Dch, n den Scheiben und n den Seiten sielen dgegen nur eine untergeordnete Rolle. Möchte mn den Messuwnd lein hlten und mit wenigen Lutsrecherositionen beschllen, so lieert dieses Ergebnis die Positionen, die dür notwendig wären. Ds Ziel des Verhrens ist es jedoch nicht lleine, ds n der Krosserie nliegende Lutschlleld zu reroduzieren. Dmit nn mn zwr ds gesmte Lutschllinnengeräusch simulieren, jedoch önnen die lolen Dämmungseigenschten nicht richtig ermittelt werden. Dzu müssten ncheinnder Geräuschsots u jedem Flächenstüc der Fhrzeugoberläche erzeugt werden. Wenn mn sich vorstellt, dss die Dämmung m Dch ermittelt werden soll und dzu mit den Lutsrechern m Motor und m Unterboden einen Sot u dem Dch erzeugt werden muss, dnn ist dies rtisch nicht möglich. Vor llem mit einer inohärenten Berechnungsmethode müssen zur Erzeugung der Sots u jeden Fll überll um ds Fhrzeug herum Lutsrecherositionen vorgesehen werden. Die Methode der Lolisierung von Schllquellen hilt hier lso nicht weiter. Diese Überlegung und die im nächsten Unteritel drgelegte Schwierigeit der Reroduzierbreit von Untersuchungen ühren dzu, in der Nähe jedes Miroons eine Lutsrecherosition vorzusehen. In den nächsten Kiteln werden weitere Vorteile einer solchen Vorgehensweise drgelegt. 6.6 Methode vieler Beschllungsositionen Ein weiterer, ür die Anwendung äußerst wichtiger Aset, ist die Reroduzierbreit zweier Untersuchungen. In der Prxis ist es z.b so, dss zwei Fhrzeuge untersucht und verglichen werden sollen. Mn önnte sich vorstellen, dss n einem Auto eine Mßnhme durchgeührt wird, z.b. der Einstz dicerer Scheiben. Die Untersuchung müsste vor und nch der Mßnhme durchgeührt werden, um zu ontrollieren, ob der erwünschte Eet ttsächlich

121 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch 5 eingetreten ist. Solch ein Vrintenvergleich wurde uch in der vorliegenden Arbeit durchgeührt und ist im Kitel 6.8 doumentiert. Zum Gelingen eines Vrintenvergleichs ist jedoch die Reroduzierbreit der Ergebnisse eine wesentliche Vorussetzung. An llen nicht veränderten Stellen der Krosserie sollten die gleichen Ergebnisse bei einem Wiederholungsversuch ermittelt werden. Im Folgenden wird dies untersucht, nlysiert und Lösungen geunden Reroduzierbreit Zunächst wurden n einem Fhrzeug zwei Anlysen durchgeührt. Um die Reroduzierbreit bezüglich der Beschllungsositionen zu ermitteln, wurde ds Fhrzeug mit den Miroonen um die Fhrgstzelle herum im Prüstnd ugebut und während der gesmten Messung nicht verändert. Die Miroonositionen sind bezüglich des Fhrzeugs sehr gut deiniert, so dss mn nch einem Ab- und Wiederubu um Veränderungen erwrtet. Die Beschllungsositionen sind in der Lut schwebend und werden jedes Ml nur bis etws u einen hlben Meter genu wiedergeunden. Zur Überrüung dieses Einlusses wurde von jeder Beschllungsosition us zweiml beschllt, wobei die Position nch jeder Beschllung wieder neu eingestellt wurde. Ds Ergebnis ist in Abbildung 6.6- drgestellt. Mn erennt, dss die Reroduzierbreit zweier Anlysen im Bereich von ± 4 db liegt. Abbildung 6.6- Drgestellt ist die Dierenz der Emindlicheiten bezüglich des Fhrersitzes. Die Emindlicheit ist ein Mß ür die lole Dämmungseigenscht jedes Flächenelements der Fhrgstzelle. Die Drstellung zeigt die Dierenz der Ergebnisse zweier Untersuchungen in db. D ds Vorzeichen der Abweichung hier einerlei ist, verdunelt sich die Gruslierung zu beiden Seiten hin. Für dieses unberiedigende Ergebnis gibt es olgende Erlärung: Zur Ermittlung der lolen Dämmungseigenschten werden Geräuschsots u der Fhrzeugoberläche simuliert. Mit der inohärenten Methode ist die Relisierung dieser Sots nur sehr bedingt möglich. Am günstigsten ist es, wenn nur ein Lutsrecher in Betrieb ist und lle nderen Lutsrecher vom Otimierungslgorithmus ruhig gestellt werden. Dies wird uch so berechnet, wie in Abbildung 6.6- zu sehen ist. Nun gibt es jedoch einige Miroonositionen, die nicht unmittelbr eine entsrechende Lutsrecherbeschllungsosition in ihrer Nähe hben, so dss ein zu berechnender Sot nicht n der Stelle des Miroons, sondern n einer benchbrten Stelle

122 6 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch erzeugt wird. Dies ührt dnn zwr zu einem lschen Ergebnis, sollte ber in der Reroduzierbreit ein Problem drstellen, denn der Fehler wird bei beiden Untersuchungen gemcht. tsche ist ber, dss ds System so lbil ist, dss nicht immer die gleiche Lutsrecherosition usgewählt wird um den Sot zu erzeugen. Wenn die Lutsrecher nur einige Zentimeter verschoben werden, ws bei einer Wiederholungsmessung durchus der Fll sein nn, dnn wird zur Soterzeugung ein nderer Lutsrecher usgewählt. Abbildung 6.6- zeigt diesen Fll: Ein Sot soll n der Miroonosition u der Dchmitte erzeugt werde. Es gibt jedoch eine Lutsrecherosition diret über dem Dch, nur etws dvor, dhinter und seitlich dvon. Die Lutsrechernregungen zeigen, dss, wie zu erwrten wr, nur eine Lutsrecherosition vom Berechnungslgorithmus usgewählt wurde. Bei der Wiederholungsmessung hndelt es sich jedoch um eine ndere Position. Abbildung 6.6- oben: In der Mitte des Dchs soll ein Geräuschsot, lso ein 0--0 P Feld erzeugt werden. Dzu wird einml die line und einml die rechte Lutsrecherosition usgewählt. Unten: Berechnete Lutsrechernregungen ür zwei verschiedene Anlysen. Beim ersten Versuch wird nur der line Lutsrecher usgewählt, bei der Wiederholungsmessung wird hingegen die rechte Position ngeregt. vgl. ext D mit einer Beschllungsosition ein Sot u der Mitte des Dchs erzeugt werden nn, erhält mn in beiden Fällen ein lsches Ergebnis. Ist der rechte Lutsrecher tiv, so wird eher die Verbindung zwischen Windschutzscheibe und Dch nlysiert, im Wiederholungsll ermittelt der rechte Lutsrecher die Dämmungseigenscht der Hecrtie des Dches. D diese beiden Ergebnisse nicht nur lsch, sondern uch noch sehr unterschiedlich sind, ist dies der Grund ür die schlechte Reroduzierbreit.

123 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch Abänderung des Verhrens Es gibt zwei Möglicheiten der Erzeugung eines Geräuschsots. Im ersten Fll benutzt mn wenige Lutsrecher und erlubt eine ohärente Überlgerung. Hierbei ommt es ber nur scheinbr zu Geräuschsots, d sich zwischen den Miroonositionen lsche Pegel einstellen vgl. K Um diesem Umstnd bzuhelen, muss eine inohärente Berechnungsmethode verwendet werden. Hierbei nn mn Geräuschsots ber nur mit Hile eines geeigneten Abstrhlverhltens relisieren. Möchte mn es n einer Stelle lut und n der nderen leise hben, so muss mit einem Lutsrecher so nh wie möglich n dieser Stelle beschllt werden. Alle nderen Lutsrecher müssen dbei in Ruhe sein. Um dies zu erreichen benötigt mn lso gleich viel Beschllungsositionen wie Miroone, ws den Messuwnd etws erhöht. Die in Kitel 6.6. ugezeigte Ursche ür die mngelhte Reroduzierbreit der Ergebnisse sollte somit behoben sein, denn jetzt ist ür jeden Geräuschsot eine Lutsrecherosition rädestiniert. Eine weitere Verbesserung der Reroduzierbreit leitet sich zudem us der veränderten Durchührung b: Die Beschllungsositionen sind nun ext deiniert. Genu 40 cm über jedem Miroon wird beschllt. D zuvor irgendwo im Rum die Beschllungsosition estgelegt wurde, onnte diese nicht so gut wiedergeunden werden. Ddurch erzielt mn eine zusätzliche Verbesserung der Reroduzierbreit. In der Abbildung ist die Reroduzierbreit der lolen Emindlicheit mit dieser Verbesserung drgestellt. Zum Vergleich wurde Abbildung 6.6- uch noch einml bgebildet. Abbildung Reroduzierbreit der lolen Emindlicheit bezogen u den Fhrersitz. Lins ist ds Ergebnis us Abb mit 0 Lutsrechern, rechts ds Ergebnis mit 9 Lutsrechern drgestellt. Hier ist bei jeder Miroonosition eine Beschllungsosition vorgesehen. Die Veränderungen bei einer Wiederholungsmessung nehmen ddurch erheblich b. Am Ergebnis nn mn erennen, dss die Beschllung n jeder Miroonosition einen erheblichen Fortschritt bezüglich der Reroduzierbreit herbeiührt. Leider entstehen durch die Messung mit nunmehr 9 Beschllungsositionen uch Nchteile: Eine Beschllungsmessung duert zwr nur etw 0 Seunden, ber mit Au- und Abbu muss ro Position mit zwei bis ün Minuten gerechnet werden. So vergeht mindestens ein Arbeitstg mit der Aunhme von Beschllungsmessungen. Dnch muss die große Dtenlut onvertiert und in einer Mtrix zusmmengesst werden. Schließlich benötigt mn ür die Berechnung erheblich länger, denn die erhöhte Zhl der Unbennten im Gleichungssystem zieht eine Berechnungsduer von heutzutge etw 36 Stunden nch sich.

124 8 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch Eine weitere Idee reduziert den Berechnungsuwnd ungemein und scht zusätzlich eine leine Verbesserung der Reroduzierbreit: D nun jedes Miroon sozusgen seinen eigenen Lutsrecher ht, muss zur Berechnung des Geräuschsots eigentlich nicht ds omlette Gleichungssystem gelöst werden. Wir wissen j, dss lle Lutsrecher vom Berechnungslgorithmus bgeschltet werden und nur ein Lutsrecher den Geräuschsot relisieren soll. Deshlb wird nur eine Unbennte in ds Gleichungssystem gestect. Dies reduziert die Berechnungsduer von insgesmt 36 u zwei Stunden. Ausgehend von der inohärenten Austellung des Gleichungssystems wird zur Geräuschsotberechnung der 0--0 Vetor 6.-0 vorgegeben. Sei die zu berechnende Emindlicheit n der Stelle des Miroons mit der Nummer, so reduziert sich ds Gleichungssystem u die olgende Form 6.6-: '..K ussen, ' ussen ', ' ussen,' ' ussen ', ' ussen K, ' ' ' ' ' ' 6.6- und muss mit der Dierenzenmethode unter Minimierung der qudrtischen Fehlersumme gelöst werden. In der Prxis wird im Abstnd von 40 cm von den Miroonen beschllt. Einerseits möchte mn so nh wie möglich n die Miroone hern, um einen großen Pegelgrdienten zu erzeugen, ndererseits sollte mn nicht zu nh m Lutsrecher messen, denn im Nheld messen, denn mn möchte j dvon usgehen önnen, dss die gemessenen Werte uch die ttsächliche Abstrhlung widersiegeln. Es ist nicht gewährleistet, dss mn von den im Nheld gemessenen Größen u die ttsächliche Abstrhlung schließen nn. Ein weiteres Problem ist die Beschllung im Motorrum. Hier nn mn, ohne den Motor uszubuen, nicht im gewünschten Abstnd beschllen, d der Lutsrecher eine gewisse Größe ht und die Motorräume meist voll verbut sind. Ot ht mn sogr Probleme die Miroone dort unterzubringen. Um jedoch eine Beschllung derrt durchzuühren, dss die Motormiroone luter sind ls die restlichen Miroone ws j eine bgeschwächte Deinition eines Geräuschsots ist wurde ür die Beschllung ein zusätzlicher Schllschutz ngeertigt Abb Die Motorhube wird bei der Motorrumbeschllung geönet und seitlich mit diesem Schutz bgedichtet. Die Beschllung des Motorrums bewirt u diese Art eine dem Motorgeräusch ähnliche räumliche Pegelverteilung.

125 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch 9 Abbildung Motorrumbeschllung: Die Motorhube ist geönet und n den Seiten sind schlldämmende eile ngebrcht. Ds Geräusch ähnelt so einer Beschllung im Motorrum mit geschlossener Motorhube, ws ber ugrund von Pltzroblemen meist nicht relisierbr ist. 6.7 Normierungsmethode Im vorherigen Unteritel wurde ds Verhren in der Form bgeändert, dss nun mit dem Lutsrecher sehr nhe n der Fhrzeugoberläche beschllt wird. Dbei onnte mn ds Problem der Reroduzierbreit deutlich verbessern. Den höheren Messuwnd hebt mn mit einer Vereinchung des Berechnungslgorithmus wieder u, so dss die Gesmtzeit der Verhrensdurchührung in etw gleich bleibt. Die Position der Beschllungslutssrecher ist nun est n die Miroonositionen geoelt. Ddurch indet der Exerimenttor die Position uch leicht wieder. Bei einer Wiederholungsmessung gibt es dnn nur noch Abweichungen im Zentimeterbereich. Der drus resultierende restliche Fehler in der Reroduzierbreit wird im Folgenden weiter verringert. Ein weiterer großer Fehler entsteht bei der Ermittlung des Absolutwertes der lolen Emindlicheit. Dies wird nhnd eines Vergleichs mit einem Fenstermethodenversuch im Hllrum drgelegt. Mit einer Normierungsmessung werden beide Probleme beseitigt: einerseits wird die Reroduzierbreit weiter verbessert, ndererseits wird der richtige Wert berechnet Problem der stehenden Wellen Die Lutsrecherbeschllung indet in unmittelbrer Nähe der Fhrzeugoberläche sttt. Die Schllwelle breitet sich nicht nur in Richtung der Fhrgstzelle us, ein eil wird uch wieder von der Oberläche reletiert und rogiert in die entgegengesetzte Richtung. Die vom Lutsrecher emittierte Welle überlgert sich dbei mit der reletierten Welle, wobei eine stehende Welle mit Buch- und Knotenstellen entsteht. Diese Buch- und Knotenstellen sind räumlich est, weshlb mn von einer stehenden Welle sricht [GER93]. Beindet sich nun ein Miroon in der stehenden Welle, so ist der Messwert n dieser Stelle sehr emindlich von der Position des Lutsrechers bhängig. Während bei einer Messung ds Miroon z.b. in einem Knoten steht und st einen Schlldrucegel misst, nn bei einer Wiederholungs-

126 0 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch messung die Beschllungsquelle oder ds Miroon wenige Zentimeter verschoben sein, ws dzu ühren nn, dss sich ds Miroon nun im Buch der stehenden Welle beindet. Die Verhältnisse sind in Abbildung 6.7- sizziert: Abbildung 6.7- Entstehung einer stehenden Welle bei der Beschllung m Fhrzeug. vgl. ext Im Innenrum wird mn hingegen um einen Unterschied messen, d sich hier eine stehenden Wellen zwischen Lutsrecher und Miroon bilden önnen. Dieses Problem nimmt vor llem ür Frequenzen oberhlb von 800 Hz Einluss u die Messergebnisse: Der mximle Unterschied zwischen zwei Messungen ist dnn gegeben, wenn zuerst im Buch und dnch im Knoten gemessen wird. Dbei ändert sich die Position der stehenden Welle reltiv zum Miroon um λ/4. Wenn mn von einer Positionsreroduzierbreit des Miroons und des Lutsrechers von etw 0 cm usgeht, dnn tritt ds Problem ür Wellenlängen unter 40 cm u. Dies entsricht dem ngegebenen Frequenzbereich. Selbst wenn mn die Position ext reroduzieren önnte, ist ds Messergebnis sowieso nicht zu gebruchen. Im Betrieb wird sich hier eine stehende Welle bilden und ds Geräusch n diesem Miroon wird bei gleichem Innengeräusch ein gnz nderes sein. Um diesem Zustnd Abhile zu verschen, wird eine zusätzliche Messung eingeührt, wie im Folgenden beschrieben wird Einührung einer Normierungsmessung Die Beschllungsositionen liegen in der Nähe der Miroone. An jedem Miroon möchte mn einen Wert messen, der ds Beschllungseld bzw. ds Betriebseld n dieser Stelle reräsentiert und der in einem hysilisch verwertbren Zusmmenhng mit nderen Miroonositionen steht. Ds unmittelbr beschllte Miroon sollte lso den größten Messwert lieern. Je weiter enternt sich die Miroone von der Beschllungsosition beinden, desto leiner sollte der gemessene Schlldrucegel sein. Augrund des Zustndeommens der stehenden Welle ist dies häuig nicht der Fll. Während n llen Miroonen ein sinnvoller Wert gemessen wird, lieert ds unmittelbr beschllte Miroon einen unbruchbren Pegel. Deshlb geht mn im Folgenden etws nders vor: Gednlich beschllt mn mit einer Normschllquelle, die immer die gleiche Schllleistung bstrhlt. Ds mit stehenden Wellen behtete Miroon wird hingegen nicht mehr gemessen. Zur Berechnung des Verhrens ist jedoch gerde dieser Wert essenziell wichtig. Deshlb wird der Wert in einer gesonderten Normierungsmessung ermittelt. Dbei wird ds Miroon im üblichen Beschllungsbstnd

127 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch von 40 cm vor dem Lutsrecher ltziert. Im Gegenstz zur Beschllung m Fhrzeug wird eine Freieldbedingung gewählt. Hier treten eine stehenden Wellen u Abb Abbildung 6.7- Normierungsmessung: Bestimmung der rnseruntion zu einem 40 cm enternten Miroon unter Freieldbedingungen. Mit genu derselben Lutsrechernregung wie bei der Normierungsmessung wird dnn wie üblich ds Fhrzeug n llen Positionen beschllt. Im Nchhinein ersetzt mn bei jeder Beschllungsmessung die gemessene rnseruntion zum beschllten Miroon durch die Normierungsmessung. Im Gleichungssystem 6.6- wird lso der entsrechende Wert durch die Normierungsmessung Norm ersetzt: 6.7- '..K ussen, ' ussen ', ' Norm ussen ', ' ussen K, ' ' ' ' ' ' Rechnerische Schlldrucnormierung Bei der virtuellen Relisierung des Geräuschsots wird, wie in Kitel 6..4 beschrieben, ein 0--0 Schlleld ls Betriebsschlleld vorgegeben. Die nschließende Berechnung ermittelt Lutsrechernregungen, mit denen mn solch einen Geräuschsot relisieren önnte. D wir us diversen, in Kitel 6.4 disutierten Gründen, mit einer inohärenten Berechnungsmethode otimieren, wird lediglich ein Lutsrecher mit einer Anregung beuschlgt, während lle nderen Lutsrecher in Ruhe bleiben K Ds Gleichungssystem 6.6- wurde durch 6.7- ersetzt und soll nun unter Minimierung des qudrtischen Fehlers gelöst werden. D n etw 90 Miroonen der Schlldruc 0 P und n nur einem Miroon der Schlldruc P erzielt werden soll, wird ls Otimierungsergebnis der Komromiss eines 0,0-0,3-0,0 Feldes eingegngen Abb

128 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch Abbildung Simulierte Schlldrucverteilung bei der Berechnung eines Geräusch-sots u der Fhrerseitenscheibe. Der mximle Schlldruc beträgt dort etw 0,3 P n llen nderen Miroonen liegt er zwischen 0 und 0, P. Wie in Kitel 6..4 usührlich erläutert, ergibt ds so simulierte Ergebnis im Innenrum die Einträge der Emindlicheitsmtrix. Hier stehen lso die resultierenden Schlldrüce beim Fhrer, Beihrer und u den hinteren Fhrgstlätzen, wenn mn die Flächenelemente der Fhrgstzelle mit einem 0--0 Feld, lso dem Schlldruc P m entsrechenden Flächenelement beuschlgt. Die Emindlicheit, slo gesgt die lole Dämmung, berechnet sich us der Pegeldierenz des entsrechenden Außenmiroons und dem Innenmiroon. Dbei wird ür ussen eine vorgegeben: ussen Dämmung 0 log 0 0 log innen 0 ussen innen 6.7- tsächlich wird hingegen ein 0,0-0,3-0,0 Feld simuliert. Ds nliegende Geräusch ist lso wesentlich leiser und zieht so ein leiseres Innenrumgeräusch nch sich, ws älschlicherweise ls zu hohe Dämmung ngesehen wird: Dämmung 0 log 0 0,3 innen 0 log 0 0 log innen 0 0,3 Fehler 0dB ttsächlicherwert Geht mn von diesen 0,3 P nstelle von P us, so ommt mn u einen Fehler von etw 0 db Dieser Fehler wird im olgenden Unteritel beim Vergleich mit Messungen im Hllrum bestätigt. Ds Verhren muss lso weiter umgebut werden, um uch diesem Problem Herr zu werden. Anstelle der Otimierung des gesmten Gleichungssystems 6.7- tritt nun eine Reduzierung u eine Gleichung ein. Augrund der inohärenten Berechnung wird j sowieso nur noch mit einem Lutsrecher ein Geräuschsot erzeugt. Der Pegelgrdient ist lso schon ugrund der gemessenen rnseruntionen vorgegeben. D die Priorität ber u der Schung des Geräuschsots mit dem Schlldruc P m entsrechenden Miroon liegt, soll nun nicht

129 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch 3 mehr ein Komromiss zwischen llen Miroonen geunden werden. Vielmehr soll u jeden Fll der Schlldruc P m Beschllungsmiroon eingestellt werden. Die Gleichung 6.7- reduziert sich lso u die Gleichung Norm ' Norm ' ür..k Mn hebt lso nur den Gesmtegel des Geräuschsots n, während der Geräuschgrdient, lso die Form des Sots, dbei nicht verändert wird. Dies entsricht nun einer Beschllungsmessung mit einer Normschllquelle, die im Abstnd von 40 cm einen Schlldruc von einem Pscl unter Freieldbedingungen erzeugt. In Abbildung ist die Wirungsweise noch einml usizziert. Abbildung Der Sollwert des 0--0 Schlleldes wird mit dem Normierungsverhren im Mximum ngesst Ergebnisse Ds einzige Konurrenzverhren zu diesem Verhren ist die Fenstermethode. Hierbei misst mn im Hllrum die lolen Dämmungseigenschten der Fhrgstzelle, indem lle nderen Stellen mit einer schweren Schllschutzschicht überzogen werden siehe K Zur Überrüung dieses Verhrens wurde eine solche Fenstermethode im Hllrum durchgeührt Abb Ncholgend sind die Ergebnisse der hinteren Scheibe und des Dches drgestellt. Hier indet mn die Bestätigung der Richtigeit obiger Überlegungen zum Normierungsverhren. Der Fehler beläut sich ohne die Normierung u etw 0 db, wie in der Abschätzung richtig herusgestellt wurde.

130 4 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch Abbildung Dämmung in db mit dem Innengeräuschverhren und der Fenstermethode ermittelt. Die Dämmung ist dbei ls Pegelreduzierung von Außenmiroon zu Innenmiroon zu verstehen, wobei über lle Miroone im Innenrum gemittelt und lle Miroone u dem Dch bzw. n der Scheibe summiert wurde. Oben sind die Ergebnisse der hinteren Seitenscheibe, unten die Ergebnisse m Dch bgebildet. Im Vergleich zur linen Seite, zeigt die rechte Seite die Verbesserung durch die Normierungsmethode. Um zum Ausgngsunt zurüczuehren, betrchten wir noch einml die Verbesserungen bezüglich der Reroduzierbreit. In Abbildung ist bereits ein erstes Ergebnis räsentiert worden, durch die Normierungsmessung ergeben sich ber weitere Verbesserungen. Hier wird j die Messung m unmittelbr beschllten Miroon ersetzt, so dss die Position bezüglich dieses Miroons nun eine untergeordnete Rolle sielt. Dies siegelt sich uch in der Reroduzierbreit der Ergebnisse wider. Ncholgend sind die Ergebnisse der Reroduzierbreit mit der Normierungsmethode im Vergleich zur Ausgngssitution mit 0 und mit 9 Lutsrechern ugezeigt. Außerdem wurden zwei verschiedene Frequenzintervlle betrchtet, d wir j gesgt hben, dss sich der Einluss von stehenden Wellen vor llem im hochrequenten Bereich bemerbr mchen sollte.

131 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch 5 Abbildung Dierenz zwischen Erst- und Zweitversuch der Ermittlung von Emindlicheiten bezüglich des Fhrersitzes. Vgl. Abb Ds Ergebnis bestätigt die Richtigeit ller in diesem Kitel gemchten Überlegungen. Im niederrequenten Bereich ist die Reroduzierbreit grundsätzlich besser Slierung bechten. Im hochrequenten Bereich ommt es zu stehenden Wellen, worunter die Reroduzierbreit leidet. Erst mit den 9 Lutsrecherositionen und der Normierungsmessung mit nschließender Normierungsberechnung wird uch hier ein gutes Ergebnis erzielt. Die Reroduzierbreit liegt nun im Bereich von ± db. Alle Veränderungen mit größerer Auswirung u die lole Dämmungseigenscht önnten mit diesem Verhren nun rinziiell detetiert werden. Im olgenden Kitel werden solche Veränderungen durchgenommen und bschließend ds Leistungsvermögen des Verhrens nlysiert.

132 6 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch 6.8 Leistungsbeurteilung und Fehlerdisussion Nchdem ds Verhren mittels mehrerer Änderungen zu einem inlen Stnd hin otimiert wurde, soll nun die Leistungsähigeit überrüt werden. Die Reroduzierbreit zwischen Erst- und Zweitnlyse wurde bereits im vorherigen Kitel untersucht und die Ergebnisse drgelegt. Hier wird nhnd von drei weiteren Kriterien die Leistungsähigeit des Verhrens beurteilt Innengeräusch und Hllrumtestgeräusch Die im Kitel 6.. beschriebene Methode zur Messung der Gesmthrzeugdämmung Abb. 6.- nn hier usgenutzt werden, um die Berechnung des Innengeräusches zu veriizieren. Bei der Beschllung des unveränderten, ruhenden Fhrzeugs im Hllrum entsteht ein Innengeräusch, ds n den Stndrdmiroonositionen ugenommen wird. Der Hllrum ist rinziiell so onziiert, dss überll n der Krosserie der gleiche Pegel nliegt. Dher ist eine Messung des Geräusches im Außenbereich des Fhrzeugs nur n wenigen Punten notwendig. Au ds Gestell mit 9 Miroonen nn hier verzichtet werden. Die Hllrummessung wird nun wie olgt in Beziehung zum Innengeräuschverhren gesetzt: Ds räumlich homogene estgeräusch bei der Beschllung im Hllrum wird ls Betriebsgeräusch dem Verhren vorgegeben. Dbei erhlten lle Außenmiroone genu den gleichen Hllrumegel. Mn sielt lso ein Betriebsgeräusch vor, ds dem Hllrumgeräusch entsricht, wobei ein Körerschll m Fhrzeug utreten nn. D es sich bei dem Beschllungsgeräusch lso um reinen Lutschll hndelt, sind die Messergebnisse im Innenrum in eincher Weise mit den Berechnungsergebnissen vergleichbr. Ds Ergebnis ist in Abbildung 6.8- drgestellt. Abbildung 6.8- Innengeräusch gemittelt über lle 4 Stndrdsitzositionen. Die Hllrumergebnisse wurden mittels einer Beschllung im Hllrum gemessen. Die Ergebnisse des Innengeräuschverhrens wurden errechnet, wobei ls Betriebsgeräusch ds Hllrumtestgeräusch vorgegeben wurde.

133 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch 7 Ergebnis: Die Ergebnisse stimmen setrl u - db genu überein, ws im Bereich der Messungenuigeit liegt. Ds Verhren ist lso in der Lge, ür jedes m Fhrzeug nliegende Geräusch, ds resultierende Innengeräusch zu berechnen. Dies ist ein erstunliches Ergebnis, d es bisher ein vergleichbres Verhren gibt, ds ür ds Gesmthrzeug ähnliche Ergebnisse mit dieser Güte zu erzielen vermg Lole Dämmung und Fenstermethode Im vorherigen Vergleich wurde die Dämmungseigenscht des Gesmthrzeugs zur Leistungsbeurteilung des Verhrens herngezogen. D im Hllrum mit der Fenstermethode uch die lolen Dämmungseigenschten des Gesmthrzeugs gemessen werden önnen, bietet sich hier ein weiteres Vergleichsriterium n. In Abbildung wurden bereits Ergebnisse ür ds Dch und die Seitenscheibe gezeigt. Diese Ergebnisse wollen wir hier genuer betrchten und mit dem Ergebnis der ür in Zusmmenhng stellen. Abb Abbildung 6.8- Lole Dämmungseigenscht ls Pegeldierenz zwischen Innen- und Außenrum betrchtet. Im Hllrum wurde mit der Fenstermethode gemessen während mit dem Innengeräuschverhren die Emindlicheit über die entsrechenden Miroone der betroenen Buteile gemittelt wurde.

134 8 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch Dch: Augrund des Mssegesetzes [KLI88] steigt die Dämmung mit wchsender Frequenz n. Abgesehen vom niederrequenten Bereich, nn die Simultion diesen Verlu st ext nchbilden. Für Frequenzen oberhlb 600 Hz nimmt die Dämmung der Seitenscheiben gegenüber des Dches erheblich b. Hier tritt ein Koinzidenzeet u, d.h. die schrägeinllende Schllwelle regt Resonnzen der Scheibe n, wodurch ihre dämmende Wirung str beeinträchtigt wird [RIE8]. Ds Geräusch des beschllenden Lutsrechers m Dch dringt bei diesen Frequenzen durch die Seitenscheiben in den Innenrum ein. Der Verlust durch den längeren Weg ist immer noch leiner, ls der Verlust beim Durchtritt durch ds Dch. Mn nn uch sgen, dss der Anteil, der durch die Seitenscheibe ommt im Innenrum egelbestimmend ist, d dieser rnserd weniger verlustreich ist. Seitenscheibe: Bei der Seitenscheibe ist es genu umgeehrt. Die simulierte Dämmungseigenscht ist über einen breiten Frequenzbereich geringer ls die gemessene. Ds Beschllungsgeräusch dringt hier hutsächlich über ds Dch in den Innenrum ein. Erst im höherrequenten Bereich, wenn die Dämmung einen deutlich geringeren Wert ls ds Dch nnimmt, wird mit dem Innengeräuschverhren die Eigenscht der Scheibe bestimmt. ür: Die ür beindet sich sehr nh n der Seitenscheibe, so dss die ür nicht ohne die Seitenscheibe betrchtet werden nn. D die ür reltiv zur Scheibe sehr gut gedämmt ist, nn die dämmende Eigenscht somit nicht mit dem Innengeräuschverhren bestimmt werden. Der simulierte Pegelverlu gleicht hier st ext dem Verlu der simulierten Scheibe, jedoch u einem etws höheren Niveu. Die Schllwelle muss j von der ür einen etws größeren Weg zu den Innenrummiroonen zurüclegen, wobei sie n Energie verliert, ws eine Pegelreduzierung zur Folge ht. Ergebnis: Ds Innengeräuschverhren ermittelt sogennnte Emindlicheiten. Dies bedeutet die Antwort u die Frge: Wenn ein Flächenstüc A mit einem normierten Schlldrucegel beuschlgt wird, dnn nimmt der Fhrzeuginssse dieses Geräusch mit einem um x A db verringerten Pegel whr. Zusmmen mit dem gemessenen Betriebsgeräusch nn mn nun eststellen, von woher der Schll hutsächlich in die Fhrgstzelle ommt. Dieses Ergebnis ist jedoch nur dnn mit der lolen Dämmungseigenscht gleichzusetzen, wenn der direte rnserd egelbestimmend im Innenrum ist. Dies ist nur dnn gegeben, wenn es sich um Schwchstellen hndelt. Die Eigenschten von Buteilen mit hoher Dämmwirung nn mn in der Nähe von Buteilen mit geringer Dämmung nicht ermitteln. Im Betriebsll sind solche Konstelltionen ber sowieso unsinnig. Es würde j uch ein Mensch seine Huswnd isolieren, wenn er noch nicht einml Fensterscheiben eingesetzt ht Auindung loler Veränderungen Als letztes Kriterium wird ein Fhrzeug mit zwei Buzuständen miteinnder verglichen. Ds Ziel ist es, die Veränderung m Fhrzeug heruszuinden und zu sgen, ob die dämmende Wirung des Krosseriebuteils besser oder schlechter geworden ist. Hierbei ist die in Kitel 6.6 besrochene Reroduzierbreit eine wesentliche Vorussetzung ür ds Gelingen dieser Augbe. Die Wirung der Mßnhme muss lso größer ls die Schwnungen in der Reroduzierbreit sein. Im Bereich des Fhrersitzes wurde eine 0 x 0 cm große Sndmtte mit etw 0 g Gewicht u ds Dch gelegt und mit dem Serienstnd verglichen. Abbildung zeigt ds Ergebnis in zwei zu Abbildung nlogen Frequenzbereichen.

135 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch 9 Abbildung Dierenz der Emindlicheiten bezogen u den Fhrersitz. Im ersten Fll wurde ds Fhrzeug im Serienzustnd gemessen, während im Wiederholungsversuch eine Sndmtte u dem Dch ltziert wurde vgl. ext. Die Dämmung wird in dieser Drstellung ls negtiver Wert gewertet. Negtive Werte bedeuten lso bessere Dämmung mit Sndmtte. Die lole Veränderung der Dämmung durch ds Aubringen einer Sndmtte ist sowohl im hochrequenten ls uch im tierequenten Bereich zu erennen. Während im niederrequenten Intervll eine Verbesserung der lolen Dämmung von 4 db detetiert wird, ällt dies bei den höheren Frequenzen nicht so deutlich us. Dies liegt zum einen n der schlechteren Reroduzierbreit vgl. K. 6.6, ls uch m Einluss der Seitenscheibe. Wie schon im vorherigen Abschnitt disutiert wurde, wird in diesem Frequenzbereich die Scheibe so durchlässig, dss die Dämmung des reltiv dichten Dches hier nicht richtig ermittelt wird. Ergebnis: Mit dem Verhren lssen sich Änderungen der Dämmungseigenschten bis u wenige 0 cm genu lolisieren. Zudem nn mn eststellen, ob eine Verbesserung oder eine Verschlechterung stttgeunden ht. Es ist möglich den Absolutwert bzuschätzen, ür eine zhlenmäßig genue Aussge müssen jedoch zusätzliche Dämmungsmessungen durchgeührt werden. 6.9 Zusmmenssung Im vorliegenden Kitel wurde die Funtionsweise eines von Strycze et l. [SR98] sizzierten Verhrens genuestens untersucht und in llgemeiner Form ormuliert. Aus den im dritten Kitel errbeiteten Berechnungsverhren zur Simultion von Schlleldern wurde dnn ds Innengeräuschverhren onziiert. Der Vergleich der Ergebnisse mit onventionellen Messungen gert mit Erhrungen us der Innenrumusti ließen stre Mängel des Verhrens zutge treten. Die nschließenden Überlegungen, sowohl u bererechnungslgorithmischer Seite ls uch in der Ausürung rinziieller messtechnischer Fehler, ührten zu entscheidenden Veränderungen des Verhrens. D diese Veränderungen in einer ueinnder ubuenden Form drgelegt wurden, wird zur besseren Übersicht ds Verhren hier noch einml in der endgültigen Version beschrieben und mit entsrechenden Auswertungsnsichten untermlt:

136 30 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch.Schritt Messung des Betriebsgeräusches: An llen..k Miroonen wird sowohl ds Außengeräusch ussen ls uch ds Innengeräusch innen des Fhrzeugs im Betrieb ugenommen..schritt Messung der rnseruntion: In unmittelbrere Nähe jedes Außenmiroons werden mit einem esten Abstnd und einer onstnten Ruschnregung Beschllungsmessungen durchgeührt. Dbei werden die rnseruntionen sowohl zu den Außenmiroonen, ls uch zu den Innenmiro- ussen l onen innen, l gemessen. Ds Fhrzeug ist dbei nicht in Betrieb. 3.Schritt Normierungsmessung: Im selben Abstnd und mit derselben Lutsrechernregung wie bei der Fhrzeugbeschllung, wird ein Miroon vor dem Lutsrecher ltziert und unter Freieldbedingungen gemessen. Anschließend wird bei jeder Beschllungsmessung ds diret beschllte Miroon durch die Normierungsmessung ersetzt. 4.Schritt Berechnung der Schlleldsimultion: Virtuell werden nun lle Lutsrecherositionen gleichzeitig betrieben. Zusmmen sollen sie ds Betriebsgeräusch reroduzieren. Durch Lösen des olgenden nichtlineren, qudrtischen Gleichungssystems mit der Quotientenmethode erhält mn die dür benötigten Lutsrechernregungen..K: Î Betrieb Betrieb Betrieb K ussen, ussen, ussen, ussen, K ussen, K ussen K, K K K K

137 K. 6 Schlleldsimultion ür ds Innengeräusch 3 5.Schritt 6.Schritt Berechnung des Innengeräusches: Mit den rnseruntionen zu den Innenmiroonen und den im 4.Schritt berechneten Lutsrechernregungen nn mn nun den Lutschllnteil m Innengeräusch berechen: innen m K innen m, m..4 Berechnung der lolen Emindlicheit: Die Berechnung der lolen Emindlicheit erolgt ür jedes Flächenelement A sert. Der zu A gehörende Lutsrecher wird virtuell so ngeregt, dss m Normierungsmiroon der Schlldruc P erzielt wird. Norm ' Ds mit diesen Anregungen zustnde ommende Innengeräusch sind die Einträge der Emindlicheitsmtrix. Emindlicheit bzgl. Fhrersitz: Abschließend wurde ds Verhren u verschiedene Kriterien hin überrüt. Dbei wurde estgestellt, dss der Lutschllnteil m Gesmtinnengeräusch mit sehr großer Sicherheit ür beliebige, im Außenbereich nliegende Schllelder bestimmt werden nn. Die lolen Dämmungseigenschten önnen nur unter bestimmten Umständen ext wiedergegeben werden, jedoch nn mn in einem A-B Vergleich die Veränderungen lolisieren.

138 3 K. 7 Zusmmenssung und Ausblic 7. Zusmmenssung und Ausblic 7. Zusmmenssung In der vorliegenden Arbeit wurde eine exerimentell-rechnerische Methode zur Simultion von Schlleldern entwicelt. Diese umsst zuerst die Aunhme eines Betriebsgeräusches mit nschließenden Lutsrecherbeschllungen n verschiedenen Positionen. Dnch werden virtuell lle Lutsrecherositionen zusmmen mit dem Ziel betrieben, ds Betriebsgeräusch zu reonstruieren. Ein Rechenlgorithmus ermittelt die dür notwendigen Lutsrechernregungen. Zunächst wurden mehrere Berechnungsmethoden us theoretisch-hysilischen Überlegungen bgeleitet. Zudem wurden verschiedene Kriterien entwicelt, um die Wirungsweise der Methoden zu überrüen. Neben theoretischen Überlegungen wurden die Kriterien nhnd eines Prinziversuchs nchvollzogen. Aus dem llgemeinen Verhren zur Simultion von Schlleldern herus wurde dnn eine Methode zur Lolisierung von Schllquellen entworen. Dbei mcht mn sich die tsche zunutze, dss die Schlleldsimultion umso besser untioniert, je näher sich die Beschllungsositionen n den relen Quellen beinden. Verzichtet mn bei der Simultion u eine Quellenosition, so tritt lötzlich ein reltiv großer Fehler u. Dieser Fehler oenbrt die Position der relen Quellen. Alle grundsätzlichen Überlegungen wurden in zwei Verhren zur Anwendung gebrcht. Zuerst wurde die Entwiclung eines Verhrens zur Simultion des Fhrzeugußengeräuschschlleldes doumentiert. Hier werden die relen Quellen eines Fhrzeugs durch Lutsrecher ersetzt. Nch einer rechnerischen Ermittlung der Lutsrechernregungen nn mn jede eilgeräuschquelle des Fhrzeugs ustisch isoliert betreiben. Drus lässt sich eine Quellennlyse eines vorbeihrenden Fhrzeugs gewinnen. Dru ubuend wurde in der Arbeit die Vorusberechnung von veränderten Buzuständen eines Fhrzeugs demonstriert. Mit dieser Methode ist es nun möglich, ds Geräusch eines bulich veränderten Fhrzeugs vorherzubestimmen. Die zweite große Anwendung der Schlleldsimultion wurde in der vorliegenden Arbeit n der Entwiclung eines Innengeräuschverhrens demonstriert. Dbei wurde ein Verhren entwicelt, ds in der Lge ist, den Lut- und Körerschllnteil in der Fhrgstzelle im Betrieb des Fhrzeugs zu ermitteln. Dzu wurden zunächst mehrere Entwiclungsschritte ugezeigt und säter mit verschiedenen Methoden versucht, die Ergebnisse mit nderen Verhren zu veriizieren. Zudem wurde die lole Dämmungseigenscht einerseits mit dem Verhren und ndererseits mittels onventioneller Methoden bestimmt. Schließlich wurde drus eine umssende Leistungsbeurteilung des Verhrens erstellt. 7. Ausblic Der Ausblic gliedert sich wie die gesmte Arbeit in zwei Bereiche. Im ersten eil wird ein Ausblic zur Außengeräuschnlyse und Berechnung gegeben. Im zweiten eil werden Möglicheiten zur Weiterentwiclung des Innengeräuschverhrens ugezeigt. 7.. Außengeräuschnlyse und Berechnung In der vorliegenden Arbeit sind die hysilischen Grundlgen, sowie die technischen Vorussetzungen zur Anlyse und Vorusberechnung des Schlleldes im Außenbereich von Fhrzeugen geschen worden. Dmit ist es nun möglich, ds Schlleld bis u wenige db genu zu bestimmen und den Beitrg jeder eilschllquelle zum Gesmtgeräusch zu determinieren. Übrig bleiben nun noch Arbeiten, die eine hysilisch-technischen Asete beinhlten und deshlb in dieser Arbeit einen Pltz mehr geunden hben. Hierzu gehört die

139 K. 7 Zusmmenssung und Ausblic 33 technische Überrbeitung der gesmten Prozessette. Ds Messsystem und die Sotwre beinden sich noch in einem Exerimentierzustnd, so dss zur roessionellen Anwendung einerseits eine sogennnte Plug-nd-Ply Messette geschen werden muss, die weniger störnällig ist und eincher gehndhbt werden nn. Ebenso muss die Sotwre zu einer oberlächenorientierten Anwendung umgestltet werden, mit der dnn uch die Vorbeihrt utomtisch zusmmengesetzt werden nn. Dzu sind ür jeden Ortsunt gesonderte Schlleldsimultionen zu berechnen und die Ergebnisse entsrechend zusmmenzuügen. Schließlich nn mn versuchen den Unterschied zwischen Prüstnd und ttsächlicher Fhrbhn zu bestimmen und eventuell utretende Abweichungen in die Vorusberechnung mit einzubuen. Neben der Anwendung der Schlleldsimultion in Bezug u die Lolisierung der Schllquellen, nn mn sich Anwendungen in nderen, von der Fhrzeugusti enternteren Gebieten denen. Z.B. wäre es denbr, ds Verhren zur Schung von Schllschutzmßnhmen einzusetzen. Dzu sei olgendes Problem betrchtet: Ein Husbesitzer möchte wissen, n welchen Stellen seines Grundstücs er eine Schllschutzmßnhme nbringen soll, dmit ihn die n seinem Grundstüc ngrenzende str behrene Zugstrece oder Strße nicht mehr so sehr belästigt. Dzu werden innerhlb des Grundstücs und des Huses Miroone ugestellt, ds Betriebsgeräusch ugenommen und entlng der Grundstücsgrenzen Beschllungsmessungen durchgeührt Abb Dies muss dnn entweder nchts, wenn der Verehr ruht, oder mit wesentlich höherem Pegel ls ds Betriebsgeräusch durchgeührt werden. Anschließend wird virtuell versucht, ds Betriebsgeräusch mit den Lutsrechern nchzubilden. Ds Ergebnis ist, ähnlich wie die Komonentennlyse m Fhrzeug, der Geräuschnteil jedes eilstücs der Grundstücsgrenze zum Gesmtgeräusch. An den egelbestimmenden Bereichen wird eine Schllschutzmßnhme m wirsmsten sein. Mit entsrechenden Dten über die dämmende Wirung solcher Mßnhmen, önnte mn sogr den resultierenden Pegel nch Anbringung verschiedener Mßnhmen vorusberechnen. Abbildung 7.- Lärmnlyse eines Grundstücs zur Auindung otimler Positionen von Lärmschutzmßnhmen vgl. ext.