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Master Thesis
Experimentelle und numerische Untersuchung
zur Strömungsakustik der Staulippe eines 3er BMWs
Bearbeiter:
BEng Thomas Wagner Matrikel-Nummer:
422073
Betreuer:
Prof. Dr.-Ing. Frank Kameier Igor Horvat MScEng
Düsseldorf, Juli 2008
FH D Fachhochschule Düsseldorf
Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik
Thema einer Master Thesis für
Herrn Thomas Wagner Matrikel-Nr. 422073
Experimentelle und numerische Untersuchung
zur Strömungsakustik der Staulippe eines 3er BMWs
Die Staulippe befindet sich an Fahrzeugen unterschiedlicher Hersteller am Unterboden jeweils vor den Rädern. Die akustische Wirkung im Fahrzeuginnenraum soll im Rahmen der Untersuchung mit Druckschwankungen an der Fahrzeugaußenseite korreliert werden, um den Entstehungsmechanismus von Geräuschen und strömungsinduzierter Schwingungen bereits im Quellbereich besser zu verstehen. Für die Positionierung der Wandmikrofone und einem tieferen Verständnis der Strömungstopografie sollen stationäre CFD Rechnungen im Bereich des rotierenden Vorderrades durchgeführt werden. Folgende Schritte sind im Detail zu bearbeiten: • Einarbeitung in die Korrelationsanalyse, • CFD Simulation der Strömung im Radkasten bei rotierendem Rad mit ANSYS
CFX Research, • Instrumentierung eines Fahrzeuges mit Wand- und Innenraummikrofonen, • Fahrversuche mit und ohne Staulippe, • Auswertung der strömungsakustischen Messdaten mittels PAK 5.4 als
Schmalbandspektren unter Berücksichtigung psychoakustischer Gesichtspunkte, • Darstellung der Strömungstopografie mit und ohne Staulippe, • Erstellung einer Kurzdokumentation der Arbeit zur Präsentation als
Veröffentlichung.
FH D Fachhochschule Düsseldorf
Prof. Dr.-Ing. Frank Kameier Strömungstechnik und Akustik Fachbereich 4 Maschinenbau und Verfahrenstechnik Josef-Gockeln-Str. 9 40474 Düsseldorf Phone (0211) 4351-448 Fax (0211) 4351-468 E-Mail [email protected] http://ifs.muv.fh-duesseldorf.de Düsseldorf, den 14.04.2008
Beilage zur Master Thesis
Name: Wagner
Vorname: Thomas
Matr. Nr.: 422073
ERKLÄRUNG
Hiermit erkläre ich, Thomas Wagner, unter Eides statt, dass ich die vorgelegte Master
Thesis selbstständig angefertigt und keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel
und ausschließlich die im Literaturverzeichnis angegebenen Schriften benutzt habe.
Ort, Datum Unterschrift
SPERRVERMERK
Diese Arbeit unterliegt 36 Monate der Geheimhaltung und darf bis zum 04. Juli 2011 nicht an Dritte gelangen.
Inhaltsverzeichnis
FH DFachhochschule Düsseldorf
Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
Inhaltsverzeichnis
1 EINLEITUNG .................................................................................................... 1
2 AEROAKUSTISCHE VORGÄNGE................................................................... 3
2.1 Mechanismen der Geräuschentstehung ......................................................... 3
2.2 Umströmung von Körpern ............................................................................... 5
2.3 Fahrzeuggeräusche ........................................................................................ 6
2.4 Abstrahlcharakteristik von Radhäusern........................................................... 9
2.5 Windkanal- vs. Straßenmessung .................................................................. 10
3 EINGESETZTE MESSTECHNIK UND MESSBEDINGUNGEN ..................... 12
3.1 verwendete Mikrofone................................................................................... 12
3.2 Versuchsbedingungen .................................................................................. 14
3.3 Instrumentierung des Fahrzeuges................................................................. 15
3.4 Reproduzierbarkeit........................................................................................ 18
3.5 Abhängigkeit Geschwindigkeit von Motordrehzahl........................................ 20
4 MESSUNG UND AUSWERTUNG DER MESSDATEN .................................. 24
4.1 Unterschied unbewertetes und A-bewertetes Frequenzspektrum................. 24
4.1.1 Außenmessung Unterboden und Radkasten....................................... 26
4.1.2 Innenraummessungen Fußraum und Kopfstütze ................................ 27
4.2 gemittelte Frequenzspektren mit Lippe ......................................................... 29
4.3 gemittelte Frequenzspektren ohne Lippe ...................................................... 35
4.4 Vergleich mit und ohne Staulippe bei v = 100 km/h ...................................... 41
4.4.1 Positionen im Radkasten (Pos. 2 bis 6)............................................... 41
4.4.2 Positionen im Innenraum (Pos. 8 und 9) ............................................. 44
4.4.3 Positionen Unterboden/Außenbereich (Pos. 1 und 7) ......................... 46
4.5 Vergleich mit und ohne Staulippe bei v = 150 km/h ...................................... 47
4.5.1 Positionen im Radkasten (Pos. 2 bis 6)............................................... 48
4.5.2 Positionen im Innenraum (Pos. 8 und 9) ............................................. 51
4.5.3 Positionen Unterboden/Außenbereich (Pos. 1 und 7) ......................... 54
4.6 Oktav- und Terzspektren............................................................................... 55
4.6.1 1/6 Oktavspektren (Pos. 2 bis 6) ......................................................... 57
4.6.2 1/6 Oktavspektren (Pos. 8 und 9) ........................................................ 61
4.6.3 1/6 Oktavspektren (Pos. 1 und 7) ........................................................ 62
Inhaltsverzeichnis
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Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
4.7 Analyse drehzahlabhängiger Vorgänge ........................................................ 63
4.7.1 Beschleunigung von 100 km/h auf 170 km/h....................................... 64
4.7.2 Ausrollen von 170 km/h auf 100 km/h ................................................. 68
5 KORRELATIONSMESSTECHNIK ................................................................. 72
5.1 Korrelation der Messdaten (Referenz: Innenraummikrofone) ....................... 74
5.2 Korrelation der Messdaten (Referenz: Mikrofone im Radkasten).................. 77
5.2.1 Schallausbreitung im Radkasten ......................................................... 79
6 PSYCHOAKUSTISCHE GESICHTSPUNKTE................................................ 80
6.1 Reizgrößen und deren psychoakustische Komponenten.............................. 81
6.2 Lautheit und Lautstärke................................................................................. 82
6.2.1 Darstellung der Lautheit ...................................................................... 84
6.3 Schärfe.......................................................................................................... 90
7 AERODYNAMISCHE VORGÄNGE AN RÄDERN UND RADHÄUSERN ...... 91
7.1 Schematischer Strömungsverlauf um einen Reifen im Radkasten ............... 92
7.2 Darstellung der Strömungstopologie durch CFD........................................... 96
7.3 Vom Simulationsaufbau über die Simulation zur Auswertung....................... 97
7.4 Ergebnisse der Strömungssimulationen mit und ohne Staulippe .................. 99
7.4.1 Geschwindigkeitsverteilung in y-Richtung ......................................... 103
7.4.2 Geschwindigkeitsverteilung in x-Richtung ......................................... 105
7.4.3 Geschwindigkeitsverteilung in z-Richtung ......................................... 107
7.5 Monitoring von Wirbelstrukturen mittels Q-Kriterium................................... 109
7.6 Monitoring von Wirbelstrukturen durch die Helizitätsdichte......................... 112
8 AUSSTEHENDE VALIDIERUNG - AUSBLICK............................................ 114
9 ZUSAMMENFASSUNG................................................................................ 114
10 LITERATURVERZEICHNIS.......................................................................... 117
1 Einleitung
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Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
1
1 Einleitung
Generell sind Automobilhersteller darum bemüht, ihren Kunden den größtmöglichen
Komfort in allen Bereichen des Fahrzeuges zu bieten. Neben der Optik, der
Sicherheit und den Fahreigenschaften von Automobilen spielt auch die akustische
Wahrnehmung der Fahrzeuginsassen zunehmend eine große Rolle.
Um den Innenraumkomfort eines PKWs derart zu optimieren, dass Störgeräusche im
Fahrbetrieb, die durch den Fahrtwind und/oder die Motoren- und Abrollgeräusche
entstehen, keinen oder nur einen geringfügigen subjektiven Einfluss auf die Insassen
haben, wurden umfangreiche Maßnahmen zur Minimierung eben dieser
Störgeräusche entwickelt. Bereits in der Konzeptgestaltung eines Fahrzeuges spielen
hierbei neue Versuchs- und Simulationsmethoden eine wichtige Rolle. Aus diesem
Grund ist beispielsweise der Akustikwindkanal der BMW Group mit zusätzlichen
Messverfahren und einer Robotertraversierung ausgerüstet worden. Ebenfalls erhielt
er durch weitere Modernisierungsmaßnahmen eine höhere Akustik-Performance im
tieffrequenten Bereich. Somit ist es nunmehr möglich, auch Strömungs- und
Akustikanalysen vor allem im Unterbodenbereich durchzuführen.
Um allerdings den Einfluss der Antriebs-, Abroll- und Windgeräusche gemeinsam zu
erfassen, reichen konventionelle Windkanalexperimente alleine nicht aus. Aus diesen
Versuchen können lediglich Rückschlüsse auf die akustische Wirkung des
Fahrtwindes gezogen werden. Die übrigen Geräuschquellen bleiben hierbei
unberücksichtigt.
Eine Möglichkeit zur Erfassung aller relevanten fahrzeugbezogenen Geräuschquellen
stellen die Fahrversuche unter realen Bedingungen dar. Die akustische Wirkung im
Fahrzeuginnenraum soll im Rahmen der Untersuchungen mit Druckschwankungen an
der Fahrzeugaußenseite korreliert werden, um den Entstehungsmechanismus von
Geräuschen und strömungsinduzierten Schwingungen bereits im Quellbereich besser
zu verstehen. Besondere Aufmerksamkeit gilt hierbei dem Einfluss der Staulippen.
Diese befinden sich am Unterboden unterschiedlicher PKW-Hersteller jeweils vor den
Reifen bzw. Radhäusern. Abbildung 1.1 zeigt hierzu eine detaillierte Zeichnung eines
PKW Unterbodens.
1 Einleitung
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2
Abb. 1.1: Detaillierungsgrad Unterboden /1/
Seitens BMW sind in den letzten Modellreihen unterschiedliche Geometrien bzw.
Längen der Staulippen verbaut worden. Das aktuelle Modell E92 (Testwagen: 320d
Coupé) besitzt im vorderen Bereich je Radkasten zwei aneinander befestigte
Staulippen. Sie haben zusammen eine Länge von ca. 450 mm (Abb. 1.2) und
überdecken somit die gesamte Tiefe des Radkastens. Die hintere Staulippe ist
einfach und hat eine Länge von ca. 200 mm. Dies entspricht ziemlich genau der
Reifenbreite.
Abb. 1.2: Staulippen am Modell E92
Um Aussagen bezüglich der Strömungstopografie und dem tieferen Verständnis von
strömungsinduzierten Schwingungen zu erhalten, werden stationäre CFD
Berechnungen im Bereich des rotierenden Vorderrades durchgeführt.
Bereich Radkasten
Staulippe
2 Aeroakustische Vorgänge
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Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
3
2 Aeroakustische Vorgänge
In diesem Kapitel werden kurz die wichtigsten Entstehungsprozesse erläutert, die
unter aerodynamischen Gesichtspunkten zum Abstrahlen von Geräuschen bzw.
Tönen führen. Gerade die am Fahrzeugunterboden und in den Radhäusern
entstehenden hochturbulenten Strömungsstrukturen, die aus den hohen
Strömungsgeschwindigkeiten resultieren, bewirken sowohl subjektiv hörbare als auch
nicht hörbare akustische Phänomene im Innenraum eines PKWs.
2.1 Mechanismen der Geräuschentstehung
Im Wesentlichen unterscheidet man nach Helfer, M. (2006) /2/ drei unterschiedliche
Mechanismen der aerodynamischen Geräuschentstehung:
a) Fluktuierender Volumenstrom
b) Fluktuierende Druckbeaufschlagung fester Oberflächen
c) Turbulente Schubspannungen
Jeder von diesen drei genannten Mechanismen ist in unterschiedlich bedeutsamer
Weise auch bei der Aeroakustik von Kraftfahrzeugen wirksam.
Zur mathematischen Beschreibung bzw. zur Charakterisierung dieser
Entstehungsmechanismen werden idealisierte Näherungsmodelle herangezogen. Für
einen fluktuierenden Fluidstrom (a), d.h. ein sich zeitlich ändernder Volumenstrom,
kann die Erzeugung von Schall mit Hilfe des Kugelstrahlers „Monopol“ dargestellt
werden. Ein Monopol besitz den größten strömungsmechanisch – akustischen
Umsetzungsgrad (Verhältnis der abgestrahlten Schallleistung zur mechanischen
Strömungsleistung). Systeme, die in der Praxis nach diesem Prinzip besonders hohe
Schallleistungen erzeugen, sind z.B. Sirenen oder Verdrängermaschinen. Bei
Kraftfahrzeugen können dies Leckagen in Dichtungssystemen oder die
Auspuffmündung sein.
Anders sieht es bei der aerodynamischen Geräuschentstehung in Punkt b) aus. Bei
der fluktuierenden Druckbeaufschlagung fester Oberflächen ist das Modell einer
Dipolquelle von Bedeutung. Der akustische Effekt tritt immer dann auf, wenn eine
2 Aeroakustische Vorgänge
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Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
4
freie oder abgelöste Strömung auf eine Oberfläche trifft. Bei der Umströmung eines
Körpers sind beispielsweise die sich zeitlich ändernden Kräfte für die
Druckfluktuationen verantwortlich. Es spielt also die zeitliche Änderung der Strömung
und die damit verbundene schlagartige Kraftänderung für die Schallentstehung durch
eine Dipolquelle eine entscheidende Rolle. Bei Fahrzeugen gibt es eine Vielzahl von
Gebieten mit abgelöster Strömung.
Die Entstehung von Geräuschen durch turbulente Schubspannungen kann durch eine
Quadrupolquelle beschrieben werden. Diese Art von Schallabstrahlung erfolgt
beispielsweise in turbulenten Scherschichten, im Strahl einer Düse oder im Nachlauf
eines Fahrzeuges /2/.
Abb. 2.1: schematische Darstellung der in der Aeroakustik relevanten Strahlertypen /3/
Eine schematische Darstellung der genannten strömungsakustischen Quellen und
deren Abstrahlcharakteristik sind in Abbildung 2.1 zu sehen. Anhand der
Proportionalitäten von Schallintensität zu Strömungsgeschwindigkeit (für
dreidimensionale Ausbreitung) erkennt man, dass bei niedrigen Geschwindigkeiten
die Schallintensität der Monopolquelle gegenüber den anderen Quellen dominierend
ist, da hier die Schallgeschwindigkeit nur linear in die Gleichung eingeht.
2 Aeroakustische Vorgänge
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5
2.2 Umströmung von Körpern
Ein sehr anschauliches Beispiel bei der Umströmung von Körpern stellt die
Wirbelablösung im Nachlauf eines Kreiszylinders dar. Diese so genannte
Karmansche Wirbelstraße verursacht bei Reynoldszahlen zwischen 102 und 105
periodisch wiederkehrende Strömungsablösungen. Für den Reynoldszahlenbereich
größer als 3,5*106 ist die Strömung bereits am Zylinder turbulent. Nach Strouhal lässt
sich die Frequenz der Wirbelablösung nach folgender Gleichung berechnen:
d
uSrf ⋅= Gl. 2.1
Hierin sind Sr die Strouhalzahl, die einen Reynoldszahlenbereich von 45 bis 10000
mit einem Wert von 0,2 ziemlich gut abdeckt, u die Strömungsgeschwindigkeit und d
der Durchmesser des umströmten Kreiszylinder. Diese Wirbelablösungen können
Strukturschwingungen verursachen, die unter ungünstigen Bedingungen sogar
Bauteile zerstören können. Auch ist es möglich, dass genau durch diese
Schwingungen Bauteile am Fahrzeugunterboden angeregt und so tonale Effekte in
den Innenraum übertragen werden können /15/.
Ein weiterer wichtiger Mechanismus neben der Ablösung von Wirbeln an Zylindern ist
die Überströmung von scharfen Kanten. Treffen die aus einer schmalen Öffnung
entstandenen Wirbel auf eine scharfe Kante, verursachen diese Druckschwankungen,
die sich bis auf die Strömungsöffnung auswirken. Dieser Mechanismus ist meist in
Kombination mit einem Helmholzresonator, der den entstandenen Ton weiter
verstärkt, in vielen Musikinstrumenten zu finden. Die Berechnung der Eigenfrequenz
eines Helmholzresonators lässt sich unter Berücksichtigung der
Schallgeschwindigkeit a, dem Radius r, dem Volumen V und der Länge l des
Resonatorhalses vornehmen:
)2/(2
2
rlVraf⋅+⋅
⋅⋅
⋅=
ππ
π Gl. 2.2
2 Aeroakustische Vorgänge
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6
2.3 Fahrzeuggeräusche
Wie schon Eingangs erwähnt, setzt sich die Schallemission bei Fahrzeugen im
Wesentlichen aus den Antriebs-, den Reifen-Fahrbahn- und den
Umströmungsgeräuschen zusammen. Bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten und
hohen Motorbelastungen dominiert das Antriebsgeräusch. Reduziert sich bei diesen
Geschwindigkeiten die Motorbelastung, gewinnt zunehmend das Reifen-Fahrbahn-
Geräusch an Bedeutung. Bei weiter zunehmender Geschwindigkeit (ab ca. 130 km/h)
liefert die Umströmung des Pkws den größten Beitrag zum Gesamtgeräusch, weil
dessen Schallleistung mit der fünften bis sechsten Potenz der Geschwindigkeit
zunimmt. Der Anstieg des Reifen-Fahrbahn-Geräusches erfolgt hingegen nur mit der
dritten bis vierten Potenz.
Abb. 2.2: Aerodynamische Außengeräusche im Vergleich zu Reifen-Fahrbahn-Geräuschen /5/
Abbildung 2.2 illustriert schematisch den oben genannten Sachverhalt. Es zeigt sich,
dass für ein Mittelklasse-Serienfahrzeug bei leisen Reifen-Fahrbahn-Kombinationen
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Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
7
ab einer Grenzgeschwindigkeit von 130 km/h das Umströmgeräusch den
dominierenden Anteil für das Außen- und Innengeräusch ausmacht. Bei
Kleintransportern kann diese Grenze noch wesentlich niedriger liegen.
Selbst bei geringeren Geschwindigkeiten und leisen Reifen-Fahrbahn-Kombinationen
kann bei spektraler Auswertung eine Beeinflussung durch das Umströmungsgeräusch
vorhanden sein. Abbildung 2.3 zeigt hierzu eine Schalldruckmessung in einem
Bereich von 350 bis 900 Hz bei einer Vorbeifahrt in 7,5 m Entfernung. Bereits ab
einer Geschwindigkeit von ca. 70 km/h dominiert das Umströmungsgeräusch.
Abb. 2.3: Reifen-Fahrbahn-Geräusch und Umströmungsgeräusch in einem Frequenzbereich von 350 bis 900 Hz bei einem Mittelklasse-Fahrzeug auf "leisem" Asphalt /3/
Für das Einordnen von überlagerten Geräuschentstehungsmechanismen liefern
lediglich isolierte Messungen der einzelnen Quellen brauchbare Erkenntnisse.
Prüfstände zur Erfassung der Antriebs- und Reifen-Fahrbahn-Geräusche werden für
die akustische Entwicklung bereits lange Zeit erfolgreich eingesetzt. Anders sieht es
bei den Umströmungsgeräuschen aus. Um diese isoliert betrachten zu können, gab
es zunächst Bestrebungen, konventionelle Windkanäle mit einer besseren Akustik-
Performance auszustatten. Allerdings reicht ein Umbau zur Reduzierung der
Eigengeräusche solcher Windkanäle, im Hinblick auf aeroakustische
Außengeräusche, meist nicht aus. In den letzten Jahren wurde deshalb eine Reihe
von aeroakustik Windkanalanlagen in Betrieb genommen, die zu einem tieferen
Verständnis, z.B. des Umströmungsgeräusches beigetragen haben.
2 Aeroakustische Vorgänge
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8
Die beiden folgenden Abbildungen zeigen die jeweiligen Beiträge der einzelnen
Geräuschquellen zum Innengeräusch bei einem Fahrzeug der oberen Mittelklasse /2/.
Bei einer Geschwindigkeit von 50 km/h liefert eindeutig das Rollgeräusch den größten
Anteil zum Gesamtgeräusch, während bei 160 km/h, bis auf die typischen
Motorordnungen, das Umströmungs- bzw. Windgeräusch dominiert.
Abb. 2.4: Gesamt- und Teilgeräusche in einem Pkw der oberen Mittelklasse bei 50 km/h /6/
Abb. 2.5: Gesamt- und Teilgeräusche in einem Pkw der oberen Mittelklasse bei 160 km/h /6/
2 Aeroakustische Vorgänge
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9
2.4 Abstrahlcharakteristik von Radhäusern
Eine der Hauptquellen für das aerodynamische Außengeräusch eines Pkws stellen
über den nahezu gesamten Frequenzbereich die vorderen beiden Radhäuser dar.
Bedingt durch die hohe Geräuschdämmung der Spritzwand wirken sie sich allerdings
nur in einem geringen Maße auf das Innengeräusch aus. Abbildung 2.6 verdeutlicht
die Abstrahlcharakteristik eines Fahrzeugs für zwei Frequenzbereiche bei einer
Anströmgeschwindigkeit von 140 km/h.
Abb. 2.6: Abstrahlcharakteristik eines Pkw in zwei unterschiedlichen Frequenzbereichen bei einer Anströmgeschwindigkeit von 140 km/h /2/
Deutlich ist der dominierende Beitrag des vorderen Radhauses über den gesamten
Frequenzbereich zu erkennen. In einem Bereich von 0,5 bis 4 kHz ist ebenfalls der
Einfluss der Heckantenne sichtbar. Lediglich im oberen Frequenzbereich ist auch das
hintere Radhaus an der Geräuschabstrahlung beteiligt.
2 Aeroakustische Vorgänge
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10
Da bei drehenden Rädern die Abrollgeräusche der Reifen nicht von den
aerodynamischen Geräuschen isoliert werden können, ist es bisher nicht bekannt,
wie sich die Raddrehung auf die Geräuschanregung im Radkasten auswirkt. Nach /2/
bleibt es zu vermuten, dass die Geräuschanregung durch die sich drehenden Reifen
zunimmt.
Einen Einblick in diese Thematik bezüglich des Strömungsverhaltens im Bereich des
Radhauses und Rades wird in Kapitel 7 gegeben. Hier werden die grundlegenden
Strömungsverläufe verschiedener Reifen-Radhaus-Konfigurationen diskutiert.
2.5 Windkanal- vs. Straßenmessung
Fahrzeuge der gehobenen Kategorie mussten schon seit jeher höheren
Fahrkomfortansprüchen genügen. Hierzu zählen auch die Absenkung des
Innenraumgeräuschpegels sowie ein ausgewogenes Gesamtgeräusch. Da von einer
Fahrzeuggeneration zur nächsten das Antriebsgeräusch ständig durch Maßnahmen
an Aggregaten und dem Einsatz von Schallisolationsmaterial weiter reduziert wird, ist
es zunehmend schwieriger mit konventionellen Aerodynamik-Windkanälen
Windgeräuschmessungen durchzuführen. Das Eigengeräusch des Windkanals ist
schlichtweg zu laut; die Störgeräuschkorrektur reicht nicht mehr aus, um zuverlässig
messen zu können. Ebenfalls bemühen sich die Reifenhersteller die Abrollgeräusche
weiter zu mindern und eine bessere Abkopplung des Fahrwerks zu erreichen. Eine
derartige Absenkung des Geräuschpegels führt allerdings dazu, dass vom Kunden
einzelne Schallquellen besser identifiziert und so als lästig empfunden werden /11/.
Die Vorteile von Straßenmessungen liegen darin, dass hier reale
Strömungsbedingungen am gesamten Fahrzeug vorliegen. Es ist somit möglich die
gesamte Geräuschsituation des Fahrzeuges beurteilen zu können. Bei
Untersuchungen im Bereich der Aerodynamik ist zu berücksichtigen, dass
aeroakustische Schallquellen fluktuierende Schallquellen sind, deren Intensität stark
über die Zeit schwanken kann. Genau diese Schwankungen der Lautstärke werden
als besonders lästig empfunden und häufig als typisches Windgeräusch beschrieben.
Diese Fluktuationen resultieren aus der instationären Fahrzeugumströmung durch
wechselnde Zu- und Anströmbedingungen. Bei realen Straßenfahrten führen der
2 Aeroakustische Vorgänge
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Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
11
Turbulenzgrad der Zuströmung, beispielsweise im Nachlauf eines vorausfahrenden
Fahrzeuges, Seitenwind und Böen zu diesen sich ständig ändernden
Anströmgeschwindigkeiten und –winkeln. Für ein aeroakustisch ausgewogenes
Fahrzeuggeräusch ist somit die akustische Empfindlichkeit auf Änderungen der
Anströmbedingungen von Bedeutung. Aus diesem Grund ist für eine reproduzierbare
Straßenmessung darauf zu achten, dass sowohl Fahr- und Windgeschwindigkeit als
auch Windrichtung während der Messung nur in einem geringen Maße schwanken
sollten.
Trotz der Nachteile wie Wetterabhängigkeit, äußere Störungen durch
Fremdgeräusche und Fahrbahneinflüsse werden Straßenmessungen auch heute
noch mit Erfolg durchgeführt. Des Weiteren können sich bei Fahrversuchen auf
öffentlichen Straßen durch etwaige Geschwindigkeitsbegrenzungen zusätzliche
Einschränkungen ergeben. Auch können sich bedingt durch die relativ langen
Messzeiten (30 bzw. 60 Sekunden) kleine Unterschiede bezüglich der
Fahrgeschwindigkeit ergeben (siehe Kap. 3.5). Bei Windkanalmessungen hingegen
kann die Strömung recht konstant eingestellt und kontrolliert werden. Hieraus ergibt
sich zwar eine nahezu ideale An- bzw. Zuströmung, was eine gut reproduzierbare
Messung ermöglicht, allerdings fehlt der quasi störungsfreien Windkanalströmung die
Turbulenz, die für eine Interpretation der Fluktuationen von Bedeutung ist. Um
zumindest den Einfluss von Seitenwind zu simulieren, werden in
Windkanalmessungen ebenfalls Schräganströmungen von β = 5° bzw. 10°
gemessen. Als schwierig erweist sich außerdem das Simulieren von drehenden
Rädern und mitbewegter Straße (siehe Kap. 7). Hierzu müssen zusätzliche
Prüfstandssysteme in den Windkanalboden installiert werden, was einen weiteren
Kostenaufwand mit sich bringt.
Ein weiterer Punkt sind die schon erwähnten störenden Betriebsgeräusche bei reinen
Aerodynamik-Windkanälen. Falls kein Aeroakustik-Windkanal zur Verfügung steht,
werden so genannte „Coast-Down“-Messungen /10/ durchgeführt. Die Turbine wird
hierbei bei Volllast abgeschaltet um ein Störgeräusch freies „Austrudeln“ der
Strömung zu erreichen. Messungen aeroakustischer Vorgänge sind somit auch mit
konventionellen Windkanälen mit Einschränkungen möglich.
3 Eingesetzte Messtechnik und Messbedingungen
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12
3 Eingesetzte Messtechnik und Messbedingungen Zur Erfassung aller relevanten strömungsakustischen Messdaten ist eine Reihe von
Messapparaturen erforderlich. Neben den eingesetzten Mikrofonen zur Aufnahme der
Druckschwankungen benötigt man zur Datenerfassung, Speicherung und Auswertung
ein PAK basiertes Datenverarbeitungssystem mittels Laptop und einem mobilen
Messfrontend MK II mit zehn Messkanälen. Diese Kombination ist dank ihrer
Flexibilität, ihres geringen Gewichtes sowie einer niedrigen Leistungsaufnahme
besonders für den mobilen Einsatz geeignet. Im Folgenden sollen lediglich die
Messmikrofone näher erläutert werden.
3.1 verwendete Mikrofone
Zur Ermittlung der dynamischen Schalldruckschwankungen im Radkasten boten sich
die Oberflächen- bzw. Wandmikrofone der Firma Brüel & Kjær (Type 4949 und
4949B) an. Sie sind dank ihrer flachen Form besonders gut für den Einsatz an
Wänden, wie z.B. an der Karosserie oder am Unterboden eines Automobils geeignet.
Trotz ihrer geringen Größe (Ø 20 mm, Höhe 2,5 mm) sind sie auf Grund ihres
Titangehäuses recht widerstandsfähig gegenüber nasser und öliger Umgebung
(Korrosion). Die akustische Leistung sowie der Dynamikumfang ist in etwa
gleichwertig gegenüber traditionellen ¼ Zoll Mikrofonen. Um schnelle bzw. turbulente
Druckschwankungen messen zu können, ist das Mikrofon mit einer in unmittelbarer
Nähe zur Membran positionierten Druckentzerrung versehen. Das Wandlerprinzip
besteht darin, dass sich die Kapazität des Kondensators mit der Membranauslenkung
ändert. Die Folge ist eine Verschiebung der Ladung, die im Mikrofon durch einen
integrierten DeltaTron Vorverstärker direkt in eine proportionale elektrische Spannung
umgesetzt wird. Oberflächenmikrofone sind daher so genannte ICP-Aufnehmer, die
unempfindlich gegen elektrische Störungen sind.
Da die Umströmung eines Fahrzeuges zu hohen statischen Drücken (ca. 10-6 Pa)
führt, die die hochempfindliche Mikrofonmembran zerstören würden, muss für einen
Druckausgleich zwischen Sensorinnerem und Umgebung gesorgt werden. Durch
diesen Druckausgleich wird es überhaupt erst möglich, die sehr niedrigen
3 Eingesetzte Messtechnik und Messbedingungen
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dynamischen bzw. akustischen Drücke von ca. 10-9 Pa, die den statischen Drücken
überlagert sind, aufzulösen. Diese Druckausgleichsöffnung ist bei den eingesetzten
Mikrofonen konstruktiv durch einen schmalen kreisringförmigen Spalt zwischen
Membran und Gehäuse realisiert. Er sorgt einerseits für den nötigen Druckausgleich
zwischen Umgebung und Druckausgleichsöffnung, andererseits ist die
Kapillarwirkung von Flüssigkeiten in diesem Spalt so groß, dass weder Wasser, Öl
noch Feuchtigkeit in das Sensorinnere eindringen können.
Bei allen Messungen wurden die Oberflächenmikrofone zudem mit kleinen
Abdeckungen, die die Membran vor Schmutzpartikeln schützen, sowie einem
Montagepad versehen. Dieser, sich nach Außen abflachende Ring, sorgt zum einen
für eine bessere Umströmung des Mikrofons, so dass der so genannte „self-noise“
Effekt (Wirbelablösung am Störkörper Mikrofon erzeugen Druckschwankungen, die
vom Mikrofon selbst gemessen werden) möglichst ausgeschlossen ist, und zum
anderen wird durch das indirekte Aufbringen eine gewisse Körperschallisolation
zwischen Oberfläche und Mikrofon erreicht. Die Körperschallempfindlichkeit wird
hierdurch deutlich reduziert /4/.
Abb. 3.1: technische Daten und Abmessungen Brüel & Kjær Type 4949 (B)
technische Daten Brüel & Kjær Type 4949 (B): Sensitivity: 11,2 mV/Pa Frequency: 5 to 20000 Hz Dynamic Range: 30 to 140 dB Temperature: -30 to 100 °C Optimized for surface pressure measurement Built-in DeltaTron preamplifier Simple mechanical interface Mounting pads and protection grid available TEDS – IEEE P1451.4 CIC verification input (Type 4949 B) ICP Connection
Microdot Kabel
Mikrofongehäuse
Mikrofonmembran
Schutzkappe
Montagepad
3 Eingesetzte Messtechnik und Messbedingungen
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14
Zum Messen des Schalldruckes im Innenraum des Fahrzeuges wurden Standard ¼’’
Messmikrofone der Firma Microtech verwendet (Abbildung 3.2). Bei diesen
Mikrofonen bilden Elektretkapsel und Vorverstärkerschaltung in einem zylindrischen
Metallgehäuse eine untrennbare Einheit. Über die 10-32 Microdot oder die BNC
Steckverbindung findet das Messmikrofon direkt an üblichen stromgespeisten
Messkanälen Verwendung (ICP).
Abb. 3.2: technische Daten Microtech 1/4''
Die Kalibrierung aller Mikrofone erfolgte mittels eines akustischen Kalibrators Type
4231 der Firma Brüel & Kjær bei 1000 Hz und 94 dB.
Die folgenden Abschnitte zeigen sowohl die Versuchsbedingungen, die hierbei zu
beachtenden Aspekte wie Reproduzierbarkeit, die Instrumentierung des PKWs und
die eingesetzte Messtechnik näher auf.
3.2 Versuchsbedingungen
Wie Eingangs erwähnt, sind Fahrversuche mit einem von der BMW Group
bereitgestellten Testwagen (E92, 320d Coupé) durchgeführt worden. Für
reproduzierbare Messergebnisse wurde vorzugsweise auf der Autobahn 59 zwischen
Düsseldorf und Leverkusen gemessen (Abb. 3.3). Diese Strecke bietet dank ihres
relativ neuen und durchweg konstanten Fahrbahnbelags, sowie des geringen
Verkehrsaufkommens, gute Versuchsbedingungen. Um etwaige Störgeräusche
durch vorbeifahrende Fahrzeuge möglichst gering zu halten, fand der Großteil der
technische Daten Microtech ¼’’ Elektret-Messmikrofon M360 Klasse 1 (DIN EN 60651): Sensitivity: 12,5 mV/Pa Frequency: 20 to 20000 Hz Grenzschalldruckpegel: 130 dB Temperatur: -10 to 50 °C Ersatzgeräuschpegel: 35 dB A Steckverbinder/Plug: 10-32 Microdot/BNC
3 Eingesetzte Messtechnik und Messbedingungen
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15
Messungen abends bzw. nachts statt. Dennoch konnte die beschriebene Problematik
des Verkehrsaufkommens hierdurch nicht ganz ausgeschlossen werden.
Abb. 3.3: Versuchsstrecke
3.3 Instrumentierung des Fahrzeuges
Bevor die einzelnen Messungen durchgeführt werden konnten, wurde anhand von
zuvor durchgeführten "einfachen" CFD Berechnungen (einfache Geometrie) die
Stellen im Radkasten ermittelt, die für eine Positionierung der Flachmikrofone in
Frage kommen.
Abb. 3.4: CFD Berechnung der Strömung im Radkasten
3 Eingesetzte Messtechnik und Messbedingungen
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16
Ausgehend von diesen Simulationsergebnissen wurden vier Mikrofone in den
vorderen, eins im hinteren Bereich des Radkastens sowie eins an der Außenhaut
platziert.
Um ein tieferes Verständnis der Strömungstopologie im Bereich des rotierenden
Vorderrades zu erhalten, werden zusätzlich detailgetreuere Abbilder dieses Bereiches
in Inventor 10 modelliert und unter ANSYS CFX berechnet. Hierzu mehr in den
späteren Kapiteln.
Insgesamt ist der vordere, rechte Radkasten mit insgesamt sieben Flachmikrofonen
instrumentiert. Die genauen Positionen zeigen die nachstehenden Abbildungen.
Abb. 3.5: instrumentierter vorderer rechter Radkasten mit B&K Wandmikrofonen
3 Eingesetzte Messtechnik und Messbedingungen
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17
Im Allgemeinen werden für die Messungen der Geräusche im Innenraum eines Pkws
entweder Einzelmikrofone oder ein so genannter Kunstkopf eingesetzt. Der Vorteil
der Kunstkopfmesstechnik liegt darin begründet, dass beim Anhören der
aufgenommenen Schallsignale mit einem Kopfhörer ein räumlicher (binauraler)
Höreindruck entsteht. Eine Bewertung der Geräusche ist so realistischer möglich als
mit Einzelmikrofonen. Allerdings ist die Nachbildung eines menschlichen Kopfes mit
eingebauten Mikrofonen in den Ohrmuscheln sehr kostenintensiv. Aus diesem Grund
wurde auf den Einsatz eines solchen Kunstkopfes verzichtet und mit gewöhnlichen
Microtech Mikrofonen die Innenraumgeräusche aufgenommen. Die Positionen sind in
Abbildung 3.6 zu sehen.
Abb. 3.6: Microtech Mikrofone im Innenraum, Fußraum links, Kopfstütze rechts
3 Eingesetzte Messtechnik und Messbedingungen
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18
Tabelle 3.1 zeigt eine Übersicht aller Mikrofonpositionen gemäß den Abbildungen 3.5
und 3.6:
Positionsnummer Beschreibung
1 Unterboden vor Lippe
2 Radkasten über Lippe
3 Radkasten über Lufteinlass
4 Radkasten über Pos. 2
5 Radkasten über Pos. 4
6 Radkasten hinten
7 Außenhaut
8 Fußraum
9 Kopfstütze
Tab. 3.1: Übersicht aller Mikrofonpositionen
3.4 Reproduzierbarkeit Zur Verdeutlichung der Reproduzierbarkeit wurden alle Messungen mit je einer
Wiederholung durchgeführt. Die folgenden beiden Abbildungen geben einen
Vergleich an ein und derselben Messposition. Sowohl für eine Messzeit von 30
Sekunden (Abb. 3.7) als auch 60 Sekunden (Abb. 3.8) zeigen sich in einem
Frequenzbereich bis 2 kHz keine signifikanten Unterschiede.
3 Eingesetzte Messtechnik und Messbedingungen
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19
0 500 1000 1500 2000Hz
20
30
40
50
60dB
dB(l
in)
dB(A
)
Acquisition: 15:37:44 h 23.10.2007
http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de 22.01.2008 13:45:56 h
Format: 1x2D_Komplett_x_Kurven_Wagner.txt /Wagner_1x2D_mehrere_kurven_Spec.pak_flyMessungsname: Wagner /BMW_Fahrversuche_20071022 /ohne_Lippe_außen_innen_150_km_hResolution: 1 [Hz] Cal.:0.0085137 [V/dB(A)] AVG: ( )
Messung: BMW Fahrversuche Kopfstütze (ohne_Lippe_außen_innen_150_km_h ) APS Lp= 93.8dB Lp(A)= 70.4dB Kopfstütze (ohne_Lippe_außen_innen_150_km_h_wdh ) APS Lp= 94.7dB Lp(A)= 71.0dB
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Abb. 3.7: Frequenzspektrum Kopfstütze (30 sec), Reproduzierbarkeit
0 500 1000 1500 2000Hz
20
30
40
50
60dB
dB(l
in)
dB(A
)
Acquisition: 15:37:44 h 23.10.2007
http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de 22.01.2008 13:57:50 h
Format: 1x2D_Komplett_x_Kurven_Wagner.txt /Wagner_1x2D_mehrere_kurven_Spec.pak_flyMessungsname: Wagner /BMW_Fahrversuche_20071022 /ohne_Lippe_außen_innen_150_km_hResolution: 1 [Hz] Cal.:0.0085137 [V/dB(A)] AVG: ( )
Messung: BMW Fahrversuche Kopfstütze (ohne_Lippe_außen_innen_150_km_h ) APS Lp= 93.8dB Lp(A)= 70.4dB Kopfstütze (ohne_Lippe_außen_innen_150_km_h_60_sek ) APS Lp= 94.5dB Lp(A)= 71.5dB
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Abb. 3.8: Frequenzspektrum Kopfstütze (30 und 60 sec), Reproduzierbarkeit
3 Eingesetzte Messtechnik und Messbedingungen
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20
Die in den beiden Diagrammen zu sehenden Pegeldifferenzen von 0,6 dB bis 1,1 dB
resultieren aus den Diskrepanzen im höher frequenten Bereich ab 2 kHz. Diese
haben allerdings für die Analyse keinerlei Bedeutung.
3.5 Abhängigkeit Geschwindigkeit von Motordrehzahl
Um bei den einzelnen Messungen die zugehörige Wind- bzw. Fahrgeschwindigkeit
mit aufnehmen zu können, müssen einige Einstellungen für den Tachokanal
vorgenommen werden. Die Messgröße für die Bestimmung der Geschwindigkeit ist
die Drehzahl. Über ein so genanntes CAN-BUS Kabel/Verbindung werden die
Gleichspannungssignale der Motordrehzahl direkt über das MKII eingelesen und mit
Hilfe der Arithmetik Funktion unter PAK in die Geschwindigkeit [km/h] umgerechnet.
Hierzu muss jedoch zunächst eine Funktion (v(U)) ermittelt werden, die die
Geschwindigkeit in Abhängigkeit der Drehzahl wiedergibt. Für diese Aufgabe bot
Excel ein ausreichendes Hilfsmittel. Folgendes Diagramm zeigt die ermittelten
Geschwindigkeiten bei den jeweiligen Drehzahlen im 5. Gang.
Geschwindigkeitskalibrierung
y = 0,0475x + 2,45R2 = 0,9994
60
80
100
120
140
160
180
1500 2000 2500 3000 3500 4000
Drehzahl [U/min]
Tach
oges
chw
indi
gkei
t [km
/h]
Abb. 3.9: Geschwindigkeit in Abhängigkeit der Drehzahl
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Das Diagramm wurde aus den arithmetischen Mittelwerten der unten stehenden
Messergebnissen erstellt und zeigt im interessierenden Bereich von 2000 U/min bis
3600 U/min einen linearen Verlauf der Geschwindigkeit über der Drehzahl.
5.Gang 5.Gang Wiederholung 5.Gang arithm. Mittelung
Drehzahl Geschwindigkeit Drehzahl Geschwindigkeit Drehzahl Geschwindigkeit
[U/min] [km/h] [U/min] [km/h] [U/min] [km/h]
2000 97 2000 96 2000 96,5
2200 108 2200 107 2200 107,5
2400 117 2400 117 2400 117
2600 125 2600 126 2600 125,5
2800 136 2800 136 2800 136
3000 145 3000 144 3000 144,5
3200 153 3200 155 3200 154
3400 163 3400 163 3400 163
3600 174 3600 174 3600 174
Tab. 3.2: Abhängigkeit der Geschwindigkeit von der Motordrehzahl im 5. Gang
Weitere wichtige Einstellungen sind in den Kanaleinstellungen unter Tacho-
Parameter einzustellen. Für ein brauchbares Signal sollten die unten stehenden
Werte und Häkchen gesetzt werden.
Abb. 3.10: Einstellungen der Tachoparameter unter PAK
In Abbildung 3.11 ist das Arithmetikfenster inklusive der Syntax zur Berechnung der
Geschwindigkeit zu sehen. Damit auch in der Grafikausgabe die richtige Einheit (hier
[km/h] bzw. [s]) steht, müssen noch im Formelfenster mit dem Befehl SET_PARAM
diese angepasst werden.
3 Eingesetzte Messtechnik und Messbedingungen
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22
Abb. 3.11: Arithmetikfunktion in PAK zur Umrechnung der Drehzahl in Geschwindigkeit
Als Ergebnis erhält man die in Abbildung 3.12 und 3.13 gezeigten
Geschwindigkeitsverläufe für eine konstante Fahrt (Abb. 3.12, bei 150 km/h) und ein
Ausrollen (Abb. 3.13, von 170 km/h auf 100 km/h).
0 5 10 15 20 25 30[s]0
50
100
150
200
[km/h]
Abb. 3.12: Geschwindigkeitsverlauf einer konstanten Fahrt über 30 sec
0 5 10 15 20 25 30[s]0
50
100
150
200
[km/h]
Abb. 3.13: Geschwindigkeitsverlauf beim Ausrollen von 170 auf 100 km/h über 30 sec
3 Eingesetzte Messtechnik und Messbedingungen
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23
Die beiden Geschwindigkeitsdiagramme zeigen Unstetigkeitsstellen, die auf
stochastische Ausreißer in der Messdatenerfassung zurückzuführen sind. Diese
wirken sich allerdings nicht negativ auf die Frequenzanalyse aus.
Da der Testwagen ohne Geschwindigkeitsregelanlage (GRA bzw. Tempomat)
ausgestattet war, wurde versucht, manuell die Geschwindigkeit konstant zu halten,
was allerdings nicht immer hundertprozentig zu bewerkstelligen war (siehe Abbildung
3.14). Neben den durch die Messkette hervorgerufenen hochfrequenten
Geschwindigkeitsschwankungen sind zudem in allen Bereichen niederfrequente
Schwankungen der mittleren Geschwindigkeit von ca. ± 2 km/h zu beobachten.
0 5 10 15 20 25 30[s]149
150
151
152
153
[km/h]
Abb. 3.14: Geschwindigkeitsschwankung bei vermeintlich konstanter Fahrt
4 Messung und Auswertung der Messdaten
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24
4 Messung und Auswertung der Messdaten
Ziel dieser Untersuchungen ist es, eine Aussage über den Einfluss der Staulippe an
einem 3er BMW treffen zu können: In wie weit mindert oder verstärkt der Anbau einer
solchen Staulippe die Übertragung von strömungsinduzierten Schwingungen in den
Innenraum des Fahrzeuges. Im Vordergrund steht hierbei die aerodynamische
Geräuschermittlung im Bereich des vorderen rechten Radkastens. Unter
Berücksichtigung psychoakustischer Gesichtspunkte soll des Weiteren das subjektive
Hörempfinden eines Insassen beurteilt werden.
4.1 Unterschied unbewertetes und A-bewertetes Frequenzspektrum
Schaut man sich die einschlägigen Veröffentlichungen zum Thema Fahrzeugakustik
an, so werden nahezu ausnahmslos A-bewertete Frequenzspektren zur Darstellung
verwendet. Doch ist diese Form der Veranschaulichung wirklich zu bevorzugen?
Inwieweit sich ein A-bewertetes von einem unbewerteten Spektrum unterscheidet und
bei welchen Messungen der Einsatz eines Filters sinnvoll erscheint, soll hier anhand
von ausgewählten Außen- und Innenraummessungen gezeigt werden.
Zunächst jedoch werden die grundlegenden theoretischen Aspekte eines
Bewertungsfilters erläutert. Um bei der Messung von Geräuschen möglichst den
Frequenzgang des menschlichen Ohres berücksichtigen zu können, werden die
Messgrößen durch ein bewertendes Filter gewichtet. Dies erfolgt, da Töne mit
gleichem Schalldruck in unterschiedlichen Tonhöhen unterschiedlich laut vom
menschlichen Ohr empfunden werden. Als Grundlage hierfür werden so genannte
Frequenzbewertungskurven für unterschiedlich hohe Schalldruckpegel definiert (Abb.
4.1).
4 Messung und Auswertung der Messdaten
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25
Abb. 4.1: Bewertungsfilterkurven /7/
In der technischen Akustik, zum Beispiel auf dem Gebiet des Lärmschutzes, wird
überwiegend die A-Bewertung angewendet. Da allerdings für eine Reihe von
Schallsituationen die wahrgenommene Lautstärke, eine mögliche Belästigung oder
eine potentielle Schädigung anhand der Bewertungskurven nicht vollkommen
wiedergegeben werden kann, sind bei der Geräuschbewertung für bestimmte
Geräuschsituationen gewisse Zuschläge üblich (z.B.: Tonhaltigkeit (Quietschen),
Impulshaftigkeit (Hämmern) usw.). Der Beurteilungspegel, zusammengesetzt aus
Schalldruckpegel + Bewertungsfilter + Zuschläge, wird häufig zur Überprüfung
herangezogen, ob ein bestimmtes Geräusch den gesetzlichen Richtlinien entspricht.
Eine Alternative zur Verwendung von Bewertungskurven ist die Bestimmung der
Lautheit nach DIN 45631 bzw. ISO 532. Dieses nach Zwicker vorgestellte Verfahren
soll die Lautstärkeempfindung des Gehörs besser erfassen. Einen Einblick in die
Lautheitsbestimmung wird in Kapitel 6 gegeben.
4 Messung und Auswertung der Messdaten
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26
4.1.1 Außenmessung Unterboden und Radkasten
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000Hz
60
70
80
90
100
110dB
Acquisition: 21:44:11 h 22.10.2007
Abb. 4.2: A- und unbewertetes Frequenzspektrum (Unterboden vor Lippe)
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000Hz
50
60
70
80
90
100
110dB
Acquisition: 21:44:11 h 22.10.2007
Abb. 4.3: A- und unbewertetes Frequenzspektrum (Radkasten über 4)
Abbildung 4.2 und 4.3 zeigen jeweils den Vergleich eines aufgezeichneten Signals
am Unterboden kurz vor der Staulippe (Abb. 4.2) und im Radkasten (Abb. 4.3) bei
Messung: BMW Fahrversuche Unterboden vor_Lippe (mit_Lippe_150_km_h_Wdh ) APS Lp= 119.3dB Lp(A)= 113.9dB Unterboden vor_Lippe (mit_Lippe_150_km_h_Wdh ) APS Lp= 118.4dB Lp(A)= 113.9dB
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Messung: BMW Fahrversuche Radkasten über 4 (mit_Lippe_150_km_h_Wdh ) APS Lp= 117.0dB Lp(A)= 112.6dB Radkasten über 4 (mit_Lippe_150_km_h_Wdh ) APS Lp= 116.3dB Lp(A)= 112.6dB
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4 Messung und Auswertung der Messdaten
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27
einer Fahrgeschwindigkeit von 150 km/h. Im unteren Frequenzbereich bis 800 Hz ist
deutlich der Unterschied des A-bewerteten Filters zum unbewerteten Signal zu
erkennen. Weniger drastisch greift das Filter im Bereich bis 6 kHz. Hier liegt der
Schalldruckpegel des A-bewerteten Signals im Schnitt um 1,2 dB höher. Ab 6 kHz
ändert sich der Verlauf gemäß obiger Abbildungen. Die Gesamtschalldruckpegel
unterscheiden sich im Übrigen um 5,4 dB (bzw. 5,1 dB im Radkasten). Was
zusätzlich noch zu erwähnen bleibt, ist, dass das Filter den Bereich unterhalb von 10
Hz komplett wegschneidet. Frequenzkomponenten innerhalb dieses Bereiches gehen
also nicht mit in die Berechnung des Gesamtschalldruckpegels ein. Versieht man das
unbewertete Signal mit einem Hochpassfilter bei 10 Hz sind beide
Gesamtschalldruckpegel identisch, liegen aber um 0,8 dB unterhalb des Wertes für
den gesamten Frequenzbereich. Die Werte für Lp(A) unterscheiden sich bei dieser
Vorgehensweise natürlich nicht.
4.1.2 Innenraummessungen Fußraum und Kopfstütze
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000Hz
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
dB
Acquisition: 21:44:11 h 22.10.2007
Abb. 4.4: A- und unbewertetes Frequenzspektrum (Fußraum)
Messung: BMW Fahrversuche Fußraum (mit_Lippe_150_km_h_Wdh ) APS Lp= 97.7dB Lp(A)= 74.2dB Fußraum (mit_Lippe_150_km_h_Wdh ) APS Lp= 96.8dB Lp(A)= 74.2dB
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4 Messung und Auswertung der Messdaten
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28
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000Hz
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
dB
Acquisition: 21:44:11 h 22.10.2007
Abb. 4.5: A- und unbewertetes Frequenzspektrum (Kopfstütze)
Der qualitative Verlauf der bewerteten und unbewerteten Spektren im Innenraum, wie
auch die gedämpften niederfrequenten Bereiche gleichen denen der Außenmessung.
Der berechnete Gesamtschalldruckpegel liegt im Innenraum allerdings um etwa 20
bis 25 dB über dem A-bewerteten. Im Außenbereich sind dies lediglich 5 bis 6 dB.
Das Wegschneiden der Frequenzen bis 10 Hz verursacht einen ähnlichen Fehler, er
liegt hier zwischen 0,7 und 0,9 dB.
Werden die dargestellten Spektren der Innenraum- und Außenmessungen
miteinander verglichen, zeigt sich ein deutlicher Unterschied des bewerteten und
unbewerteten Gesamtschalldruckpegels. Die Differenz liegt bei den
Innenraummessungen mit 20 dB bis 25 dB gegenüber den Außenmessungen (ca. 5
dB) wesentlich höher. Dies hängt mit der charakteristischen Form der
Bewertungskurve und mit den recht hohen Pegeln bei den Außenmessungen über
den gesamten Frequenzbereich zusammen. Da im Innenraum das Aufsummieren
einzelner Frequenzlinien zur Bestimmung des Gesamtschalldruckpegels zum größten
Teil aus den energiereicheren langwelligen Schallwellen hervorgeht, und diese genau
in einem Bereich bis 1 kHz (Abb. 4.1) bei der A-bewertung die höchste Dämpfung
erfahren, liegt die Differenz der Schalldruckpegel hier deutlich über derjenigen der
Außenmessung.
Messung: BMW Fahrversuche Kopfstütze (mit_Lippe_150_km_h_Wdh ) APS Lp= 96.0dB Lp(A)= 71.2dB Kopfstütze (mit_Lippe_150_km_h_Wdh ) APS Lp= 94.3dB Lp(A)= 71.2dB
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4 Messung und Auswertung der Messdaten
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Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unter psychoakustischen Gesichtspunkten
eine Gewichtung des Signals anhand von Bewertungsfilter durchaus Sinn macht. Ist
man allerdings an physikalischen Effekten interessiert oder führt Untersuchungen zur
Quellenlokalisierung durch, macht es keinen Sinn, mit A-bewerteten Spektren zu
arbeiten. Aufgrund der Bewertungsfilter können Frequenzanteile weggeschnitten oder
gedämpft werden, die unter Umständen für die Analyse physikalischer Phänomene
von Bedeutung sein können. Angesichts dieser Tatsache werden in dieser
Ausarbeitung nahezu alle Frequenzspektren ohne Gewichtung (unbewertet)
ausgewertet.
4.2 gemittelte Frequenzspektren mit Lippe
Bevor mit der Auswertung der gemittelten Frequenzspektren begonnen wird, soll
folgende Tabelle verdeutlichen, welche Abhängigkeiten zwischen der Rad- und
Motordrehzahl und der eigentlichen Fahrgeschwindigkeit bestehen. Die Angaben in
den rechten beiden Spalten sind hierzu für die weitere Auswertung von Bedeutung.
Geschwindigkeit [km/h] Motordrehzahl [1/min] Motordrehzahl [Hz] Raddrehzahl [Hz]
100 2050 ~ 34 ~ 14,4
110 2250 ~ 37,5 ~ 15,8
120 2500 ~ 41,7 ~ 17,3
130 2700 ~ 45 ~ 18,7
140 2900 ~ 48,3 ~ 20,1
150 3100 ~ 51,7 ~ 21,6
160 3300 ~ 55 ~ 23
Tab. 4.1: Abhängigkeiten: Fahrgeschwindigkeit – Motordrehzahl - Raddrehzahl
Bei einer Fahrgeschwindigkeit von 100 km/h (150 km/h) hat der Motor im fünften
Gang eine Drehzahl von etwa 34 Hz (51,7 Hz). Die Raddrehzahl, berechnet aus dem
Durchmesser bzw. Umfang des Reifens, liegt dann bei ca. 14,4 Hz (21,6 Hz).
Interessant wird diese Betrachtung für die Beurteilung einzelner tonaler
4 Messung und Auswertung der Messdaten
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Geräuschkomponenten. Da bei einem Vierzylindermotor (Motorisierung des
Testwagens) jeweils zwei Verbrennungsvorgänge pro Umdrehung stattfinden, wird
auch vermutlich die zweite Drehzahlharmonische den höchsten Amplitudenwert
liefern; bei einem Sechszylinder wären dies die dritten Harmonischen.
Da von insgesamt neun Mikrofonpositionen Messdaten bei sieben verschiedenen
Geschwindigkeiten und drei unterschiedlichen Konfigurationen (mit Lippe, ohne und
mit teilentfernter Lippe) vorliegen, ergibt sich daraus eine große Anzahl von
Einzelmessungen. Im Folgenden werden die aufgenommenen Messdaten anhand
von gemittelten Frequenzspektren dargestellt. Für die Aufnahmezeit der Signale
während der Fahrversuche genügten 30 Sekunden. Vergleichsmessungen mit einer
Messzeit von 60 Sekunden zeigten weder eine Verbesserung noch Verschlechterung
der Messdatensätze. Im Folgenden sollen zunächst die Messungen mit und ohne
Staulippe separat bei verschiedenen Geschwindigkeiten im interessierenden
Frequenzbereich bis 2 kHz betrachtet werden.
0 500 1000 1500 2000Hz
20
30
40
50
60
70
80
90
dB
Acquisition: 17:44:02 h 14.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Kopfstütze (mit_Lippe_100_km_h ) APS Lp= 95.8dB Lp(A)= 64.9dB Kopfstütze (mit_Lippe_110_km_h ) APS Lp= 96.5dB Lp(A)= 66.5dB Kopfstütze (mit_Lippe_120_km_h ) APS Lp= 98.3dB Lp(A)= 67.7dB Kopfstütze (mit_Lippe_130_km_h ) APS Lp= 98.9dB Lp(A)= 70.0dB Kopfstütze (mit_Lippe_140_km_h ) APS Lp= 99.0dB Lp(A)= 70.2dB Kopfstütze (mit_Lippe_150_km_h ) APS Lp= 95.8dB Lp(A)= 70.0dB
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Abb. 4.6: Frequenzspektrum Kopfstütze mL, versch. Geschw.
4 Messung und Auswertung der Messdaten
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0 500 1000 1500 2000Hz
20
30
40
50
60
70
80
90
dB
Acquisition: 17:44:02 h 14.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Fußraum (mit_Lippe_100_km_h ) APS Lp= 96.3dB Lp(A)= 69.2dB Fußraum (mit_Lippe_110_km_h ) APS Lp= 97.5dB Lp(A)= 71.1dB Fußraum (mit_Lippe_120_km_h ) APS Lp= 99.0dB Lp(A)= 71.7dB Fußraum (mit_Lippe_130_km_h ) APS Lp= 99.7dB Lp(A)= 74.0dB Fußraum (mit_Lippe_140_km_h ) APS Lp= 100.3dB Lp(A)= 74.1dB Fußraum (mit_Lippe_150_km_h ) APS Lp= 97.6dB Lp(A)= 73.8dB
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Abb. 4.7: Frequenzspektrum Fußraum mL, versch. Geschw.
0 500 1000 1500 2000Hz
60
70
80
90
100
110dB
Acquisition: 17:44:02 h 14.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Unterboden vor_Lippe (mit_Lippe_100_km_h ) APS Lp= 117.2dB Lp(A)= 107.0dB Unterboden vor_Lippe (mit_Lippe_110_km_h ) APS Lp= 117.4dB Lp(A)= 108.8dB Unterboden vor_Lippe (mit_Lippe_120_km_h ) APS Lp= 118.7dB Lp(A)= 110.4dB Unterboden vor_Lippe (mit_Lippe_130_km_h ) APS Lp= 121.1dB Lp(A)= 111.3dB Unterboden vor_Lippe (mit_Lippe_140_km_h ) APS Lp= 120.2dB Lp(A)= 112.8dB Unterboden vor_Lippe (mit_Lippe_150_km_h ) APS Lp= 121.8dB Lp(A)= 113.4dB
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Abb. 4.8: Frequenzspektrum Unterboden vor Lippe mL, versch. Geschw.
wandert mit Fahrgeschw.
4 Messung und Auswertung der Messdaten
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0 500 1000 1500 2000Hz
60
70
80
90
100
110dB
Acquisition: 17:44:02 h 14.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Radkasten über Lippe (mit_Lippe_100_km_h ) APS Lp= 115.1dB Lp(A)= 108.9dB Radkasten über Lippe (mit_Lippe_110_km_h ) APS Lp= 116.6dB Lp(A)= 110.0dB Radkasten über Lippe (mit_Lippe_120_km_h ) APS Lp= 117.4dB Lp(A)= 111.4dB Radkasten über Lippe (mit_Lippe_130_km_h ) APS Lp= 119.5dB Lp(A)= 112.0dB Radkasten über Lippe (mit_Lippe_140_km_h ) APS Lp= 120.7dB Lp(A)= 113.3dB Radkasten über Lippe (mit_Lippe_150_km_h ) APS Lp= 120.7dB Lp(A)= 113.8dB
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Abb. 4.9: Frequenzspektrum Radkasten über Lippe mL, versch. Geschw.
0 500 1000 1500 2000Hz
60
70
80
90
100
110dB
Acquisition: 17:44:02 h 14.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Radkasten über Lufteinlass (mit_Lippe_100_km_h ) APS Lp= 112.3dB Lp(A)= 106.0dB Radkasten über Lufteinlass (mit_Lippe_110_km_h ) APS Lp= 113.6dB Lp(A)= 107.0dB Radkasten über Lufteinlass (mit_Lippe_120_km_h ) APS Lp= 114.9dB Lp(A)= 108.8dB Radkasten über Lufteinlass (mit_Lippe_130_km_h ) APS Lp= 117.6dB Lp(A)= 109.4dB Radkasten über Lufteinlass (mit_Lippe_140_km_h ) APS Lp= 117.1dB Lp(A)= 110.9dB Radkasten über Lufteinlass (mit_Lippe_150_km_h ) APS Lp= 118.8dB Lp(A)= 110.5dB
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Abb. 4.10: Frequenzspektrum Radkasten über Lufteinlass mL, versch. Geschw.
geometrische Resonanzen
geometrische Resonanzen
4 Messung und Auswertung der Messdaten
FH DFachhochschule Düsseldorf
Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
33
0 500 1000 1500 2000Hz
60
70
80
90
100
110dB
Acquisition: 17:44:02 h 14.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Radkasten über 2 (mit_Lippe_100_km_h ) APS Lp= 111.6dB Lp(A)= 105.5dB Radkasten über 2 (mit_Lippe_110_km_h ) APS Lp= 113.0dB Lp(A)= 106.8dB Radkasten über 2 (mit_Lippe_120_km_h ) APS Lp= 114.5dB Lp(A)= 107.9dB Radkasten über 2 (mit_Lippe_130_km_h ) APS Lp= 117.1dB Lp(A)= 108.9dB Radkasten über 2 (mit_Lippe_140_km_h ) APS Lp= 116.9dB Lp(A)= 110.6dB Radkasten über 2 (mit_Lippe_150_km_h ) APS Lp= 118.4dB Lp(A)= 110.7dB
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Abb. 4.11: Frequenzspektrum Radkasten über 2 mL, versch. Geschw.
0 500 1000 1500 2000Hz
60
70
80
90
100
110dB
Acquisition: 17:44:02 h 14.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Radkasten über 4 (mit_Lippe_100_km_h ) APS Lp= 112.6dB Lp(A)= 108.4dB Radkasten über 4 (mit_Lippe_110_km_h ) APS Lp= 114.1dB Lp(A)= 110.0dB Radkasten über 4 (mit_Lippe_120_km_h ) APS Lp= 115.5dB Lp(A)= 111.1dB Radkasten über 4 (mit_Lippe_130_km_h ) APS Lp= 117.7dB Lp(A)= 111.2dB Radkasten über 4 (mit_Lippe_140_km_h ) APS Lp= 117.4dB Lp(A)= 112.9dB Radkasten über 4 (mit_Lippe_150_km_h ) APS Lp= 118.7dB Lp(A)= 112.1dB
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Abb. 4.12: Frequenzspektrum Radkasten über 4 mL, versch. Geschw.
geometrische Resonanzen
4 Messung und Auswertung der Messdaten
FH DFachhochschule Düsseldorf
Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
34
0 500 1000 1500 2000Hz
60
70
80
90
100
110dB
Acquisition: 17:44:02 h 14.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Radkasten hinten (mit_Lippe_100_km_h ) APS Lp= 119.9dB Lp(A)= 106.3dB Radkasten hinten (mit_Lippe_110_km_h ) APS Lp= 121.4dB Lp(A)= 108.4dB Radkasten hinten (mit_Lippe_120_km_h ) APS Lp= 123.2dB Lp(A)= 110.5dB Radkasten hinten (mit_Lippe_130_km_h ) APS Lp= 124.9dB Lp(A)= 111.2dB Radkasten hinten (mit_Lippe_140_km_h ) APS Lp= 125.9dB Lp(A)= 113.5dB Radkasten hinten (mit_Lippe_150_km_h ) APS Lp= 126.3dB Lp(A)= 113.5dB
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Abb. 4.13: Frequenzspektrum Radkasten hinten mL, versch. Geschw.
0 500 1000 1500 2000Hz
60
70
80
90
100
110
120dB
Acquisition: 17:44:02 h 14.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Außenhaut (mit_Lippe_100_km_h ) APS Lp= 123.6dB Lp(A)= 105.7dB Außenhaut (mit_Lippe_110_km_h ) APS Lp= 125.0dB Lp(A)= 108.3dB Außenhaut (mit_Lippe_120_km_h ) APS Lp= 126.5dB Lp(A)= 110.3dB Außenhaut (mit_Lippe_130_km_h ) APS Lp= 128.9dB Lp(A)= 113.0dB Außenhaut (mit_Lippe_140_km_h ) APS Lp= 130.2dB Lp(A)= 115.8dB Außenhaut (mit_Lippe_150_km_h ) APS Lp= 130.6dB Lp(A)= 115.2dB
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Abb. 4.14: Frequenzspektrum Außenhaut mL, versch. Geschw.
wandert mit Fahrgeschw.
4 Messung und Auswertung der Messdaten
FH DFachhochschule Düsseldorf
Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
35
Am deutlichsten sind die Pegelunterschiede bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten
an der Messposition „Außenhaut“ zu erkennen, da hier die Umströmung der
Fahrzeugaußenhaut zum Großteil für die Geräuschentstehung verantwortlich ist. Bei
den in den übrigen Abbildung gezeigten Verläufen spielen weitere Effekte, wie z.B.
die Strömungsablösung an den zahlreichen konstruktiv gegebenen Bauteilen in den
Radhäuser oder den Rollgeräuschen der Räder eine Rolle.
4.3 gemittelte Frequenzspektren ohne Lippe
0 500 1000 1500 2000Hz
20
30
40
50
60
70
80
90
dB
Acquisition: 15:16:22 h 23.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Kopfstütze (ohne_Lippe_außen_innen_100_km_h ) APS Lp= 96.3dB Lp(A)= 64.5dB Kopfstütze (ohne_Lippe_außen_innen_110_km_h ) APS Lp= 97.0dB Lp(A)= 65.8dB Kopfstütze (ohne_Lippe_außen_innen_120_km_h ) APS Lp= 97.2dB Lp(A)= 66.7dB Kopfstütze (ohne_Lippe_außen_innen_130_km_h ) APS Lp= 97.8dB Lp(A)= 69.0dB Kopfstütze (ohne_Lippe_außen_innen_140_km_h_wdh ) APS Lp= 98.4dB Lp(A)= 68.8dB Kopfstütze (ohne_Lippe_außen_innen_150_km_h ) APS Lp= 100.1dB Lp(A)= 70.4dB
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Abb. 4.15: Frequenzspektrum Kopfstütze oL, versch. Geschw.
4 Messung und Auswertung der Messdaten
FH DFachhochschule Düsseldorf
Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
36
0 500 1000 1500 2000Hz
20
30
40
50
60
70
80
90
dB
Acquisition: 15:16:22 h 23.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Fußraum (ohne_Lippe_außen_innen_100_km_h ) APS Lp= 96.6dB Lp(A)= 68.9dB Fußraum (ohne_Lippe_außen_innen_110_km_h ) APS Lp= 97.7dB Lp(A)= 70.3dB Fußraum (ohne_Lippe_außen_innen_120_km_h ) APS Lp= 98.0dB Lp(A)= 72.3dB Fußraum (ohne_Lippe_außen_innen_130_km_h ) APS Lp= 98.5dB Lp(A)= 72.2dB Fußraum (ohne_Lippe_außen_innen_140_km_h_wdh ) APS Lp= 99.2dB Lp(A)= 73.1dB Fußraum (ohne_Lippe_außen_innen_150_km_h ) APS Lp= 100.5dB Lp(A)= 73.9dB
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Abb. 4.16: Frequenzspektrum Fußraum oL, versch. Geschw.
0 500 1000 1500 2000Hz
60
70
80
90
100
110dB
Acquisition: 15:16:22 h 23.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Unterboden vor_Lippe (ohne_Lippe_außen_innen_100_km_h ) APS Lp= 114.9dB Lp(A)= 109.4dB Unterboden vor_Lippe (ohne_Lippe_außen_innen_110_km_h ) APS Lp= 116.0dB Lp(A)= 111.2dB Unterboden vor_Lippe (ohne_Lippe_außen_innen_120_km_h ) APS Lp= 117.0dB Lp(A)= 112.2dB Unterboden vor_Lippe (ohne_Lippe_außen_innen_130_km_h ) APS Lp= 118.4dB Lp(A)= 114.4dB Unterboden vor_Lippe (ohne_Lippe_außen_innen_140_km_h_wdh ) APS Lp= 118.9dB Lp(A)= 114.9dB Unterboden vor_Lippe (ohne_Lippe_außen_innen_150_km_h ) APS Lp= 119.5dB Lp(A)= 116.0dB
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Abb. 4.17: Frequenzspektrum Unterboden vor Lippe oL, versch. Geschw.
wandert mit Fahrgeschw.
4 Messung und Auswertung der Messdaten
FH DFachhochschule Düsseldorf
Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
37
0 500 1000 1500 2000Hz
60
70
80
90
100
110dB
Acquisition: 15:16:22 h 23.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Radkasten über Lippe (ohne_Lippe_außen_innen_100_km_h ) APS Lp= 115.1dB Lp(A)= 109.0dB Radkasten über Lippe (ohne_Lippe_außen_innen_110_km_h ) APS Lp= 116.3dB Lp(A)= 110.0dB Radkasten über Lippe (ohne_Lippe_außen_innen_120_km_h ) APS Lp= 117.6dB Lp(A)= 111.5dB Radkasten über Lippe (ohne_Lippe_außen_innen_130_km_h ) APS Lp= 119.5dB Lp(A)= 111.3dB Radkasten über Lippe (ohne_Lippe_außen_innen_140_km_h_wdh ) APS Lp= 119.8dB Lp(A)= 112.4dB Radkasten über Lippe (ohne_Lippe_außen_innen_150_km_h ) APS Lp= 120.8dB Lp(A)= 113.3dB
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Abb. 4.18: Frequenzspektrum Radkasten über Lippe oL, versch. Geschw.
0 500 1000 1500 2000Hz
60
70
80
90
100
110dB
Acquisition: 15:16:22 h 23.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Radkasten über Lufteinlass (ohne_Lippe_außen_innen_100_km_h ) APS Lp= 114.5dB Lp(A)= 106.7dB Radkasten über Lufteinlass (ohne_Lippe_außen_innen_110_km_h ) APS Lp= 116.0dB Lp(A)= 107.9dB Radkasten über Lufteinlass (ohne_Lippe_außen_innen_120_km_h ) APS Lp= 117.1dB Lp(A)= 109.9dB Radkasten über Lufteinlass (ohne_Lippe_außen_innen_130_km_h ) APS Lp= 118.5dB Lp(A)= 109.5dB Radkasten über Lufteinlass (ohne_Lippe_außen_innen_140_km_h_wdh ) APS Lp= 119.1dB Lp(A)= 110.1dB Radkasten über Lufteinlass (ohne_Lippe_außen_innen_150_km_h ) APS Lp= 120.1dB Lp(A)= 110.8dB
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Abb. 4.19: Frequenzspektrum Radkasten über Lufteinlass oL, versch. Geschw.
geometrische Resonanzen
geometrische Resonanzen
4 Messung und Auswertung der Messdaten
FH DFachhochschule Düsseldorf
Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
38
0 500 1000 1500 2000Hz
60
70
80
90
100
110dB
Acquisition: 15:16:22 h 23.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Radkasten über 2 (ohne_Lippe_außen_innen_100_km_h ) APS Lp= 117.0dB Lp(A)= 107.3dB Radkasten über 2 (ohne_Lippe_außen_innen_110_km_h ) APS Lp= 118.4dB Lp(A)= 108.5dB Radkasten über 2 (ohne_Lippe_außen_innen_120_km_h ) APS Lp= 118.2dB Lp(A)= 109.3dB Radkasten über 2 (ohne_Lippe_außen_innen_130_km_h ) APS Lp= 121.3dB Lp(A)= 110.2dB Radkasten über 2 (ohne_Lippe_außen_innen_140_km_h_wdh ) APS Lp= 122.0dB Lp(A)= 111.2dB Radkasten über 2 (ohne_Lippe_außen_innen_150_km_h ) APS Lp= 123.1dB Lp(A)= 112.5dB
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Abb. 4.20: Frequenzspektrum Radkasten über 2 oL, versch. Geschw.
0 500 1000 1500 2000Hz
60
70
80
90
100
110dB
Acquisition: 15:16:22 h 23.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Radkasten über 4 (ohne_Lippe_außen_innen_100_km_h ) APS Lp= 116.5dB Lp(A)= 109.3dB Radkasten über 4 (ohne_Lippe_außen_innen_110_km_h ) APS Lp= 118.2dB Lp(A)= 110.8dB Radkasten über 4 (ohne_Lippe_außen_innen_120_km_h ) APS Lp= 118.0dB Lp(A)= 112.1dB Radkasten über 4 (ohne_Lippe_außen_innen_130_km_h ) APS Lp= 121.2dB Lp(A)= 110.7dB Radkasten über 4 (ohne_Lippe_außen_innen_140_km_h_wdh ) APS Lp= 121.2dB Lp(A)= 111.8dB Radkasten über 4 (ohne_Lippe_außen_innen_150_km_h ) APS Lp= 122.8dB Lp(A)= 112.3dB
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Abb. 4.21: Frequenzspektrum Radkasten über 4 oL, versch. Geschw.
geometrische Resonanzen
4 Messung und Auswertung der Messdaten
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Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
39
0 500 1000 1500 2000Hz
60
70
80
90
100
110
120dB
Acquisition: 15:16:22 h 23.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Radkasten hinten (ohne_Lippe_außen_innen_100_km_h ) APS Lp= 126.5dB Lp(A)= 108.4dB Radkasten hinten (ohne_Lippe_außen_innen_110_km_h ) APS Lp= 128.9dB Lp(A)= 110.8dB Radkasten hinten (ohne_Lippe_außen_innen_120_km_h ) APS Lp= 129.3dB Lp(A)= 112.3dB Radkasten hinten (ohne_Lippe_außen_innen_130_km_h ) APS Lp= 133.0dB Lp(A)= 115.2dB Radkasten hinten (ohne_Lippe_außen_innen_140_km_h_wdh ) APS Lp= 132.8dB Lp(A)= 115.6dB Radkasten hinten (ohne_Lippe_außen_innen_150_km_h ) APS Lp= 134.7dB Lp(A)= 117.6dB
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Abb. 4.22: Frequenzspektrum Radkasten hinten oL, versch. Geschw.
0 500 1000 1500 2000Hz
60
70
80
90
100
110
120dB
Acquisition: 15:16:22 h 23.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Außenhaut (ohne_Lippe_außen_innen_100_km_h ) APS Lp= 124.8dB Lp(A)= 107.4dB Außenhaut (ohne_Lippe_außen_innen_110_km_h ) APS Lp= 127.1dB Lp(A)= 110.3dB Außenhaut (ohne_Lippe_außen_innen_120_km_h ) APS Lp= 127.1dB Lp(A)= 111.2dB Außenhaut (ohne_Lippe_außen_innen_130_km_h ) APS Lp= 131.4dB Lp(A)= 116.3dB Außenhaut (ohne_Lippe_außen_innen_140_km_h_wdh ) APS Lp= 130.9dB Lp(A)= 115.5dB Außenhaut (ohne_Lippe_außen_innen_150_km_h ) APS Lp= 132.6dB Lp(A)= 118.0dB
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Abb. 4.23: Frequenzspektrum Außenhaut oL, versch. Geschw.
wandert mit Fahrgeschw.
4 Messung und Auswertung der Messdaten
FH DFachhochschule Düsseldorf
Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
40
Die oben gezeigten Frequenzspektren geben den Verlauf für unterschiedliche
Geschwindigkeiten an allen Messpositionen wieder. Ein Vergleich der Messungen mit
und ohne Staulippe für zwei charakteristische Fahrgeschwindigkeiten erfolgt im
nächsten Abschnitt.
Deutlich ist zu erkennen, dass hier sowohl drehzahlabhängige als auch -unabhängige
Vorgänge eine Rolle spielen. Einzig die im Innenraum aufgezeichneten Geräusche
zeigen auf den ersten Blick keine solcher Phänomene. Für die in Abbildung 4.17 und
4.23 gezeigten Messpositionen Unterboden vor Lippe und Außenhaut weist das
Spektrum eine gewisse Drehzahlabhängigkeit auf. Die einzelnen markanten
Ausschläge wandern bei höheren Geschwindigkeiten nach rechts, d.h. zu höheren
Frequenzen. Die übrigen Spektren hingegen zeigen bei bestimmten Frequenzen
einen plötzlichen Abfall des Schalldruckpegels. Da dieser Abfall drehzahlunabhängig,
d.h. für alle Geschwindigkeiten bei nahezu derselben Frequenz liegt, weist dies auf
konstruktiv gegebene geometrische Resonanzen im Bereich des Radkastens hin.
Einen tieferen Einblick in die Problematik von drehzahlabhängigen Vorgängen wird in
Kapitel 4.13 anhand von so genannten Campbell Diagrammen gegeben.
4 Messung und Auswertung der Messdaten
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Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
41
4.4 Vergleich mit und ohne Staulippe bei v = 100 km/h Die nun folgenden Frequenzspektren zeigen einen qualitativen Vergleich der
Messungen mit angebauter, teilentfernter und komplett demontierter Staulippe.
Zunächst sollen alle Messpositionen im vorderen rechten Radkasten (Position 2 bis 6)
bei einer Geschwindigkeit von 100 km/h gegenübergestellt werden. Die Messposition
1 (vor Staulippe) und 7 (Außenhaut) nehmen eine gesonderte Stellung ein, da diese
sich nicht direkt im Radkasten befinden und sich hierdurch andere
strömungsbezogene Effekte einstellen. Die Korrelation der akustischen Wirkung im
Innenraum mit den Druckschwankungen an der Außenseite und den Radhäusern
findet zu einem späteren Zeitpunkt dieser Arbeit statt (siehe Kapitel 5).
In den folgenden Spektren sind jeweils drei Verläufe gezeigt. Die schwarze Kurve
stellt hierbei die unveränderte Fahrzeugkonfiguration mit Lippe dar. Der violette (ohne
äußere Lippe) und der grüne Verlauf (ohne innere und äußere Lippe) repräsentieren
die Messungen ohne Lippen.
4.4.1 Positionen im Radkasten (Pos. 2 bis 6)
0 500 1000 1500 2000Hz
50
60
70
80
90
100
110dB
Acquisition: 21:39:51 h 22.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Radkasten über Lippe (mit_Lippe_100_km_h_Wdh ) APS Lp= 116.4dB Lp(A)= 110.8dB Radkasten über Lippe (ohne_Lippe_außen_100_km_h_Wdh ) APS Lp= 115.7dB Lp(A)= 109.5dB Radkasten über Lippe (ohne_Lippe_außen_innen_100_km_h_wdh ) APS Lp= 113.7dB Lp(A)= 109.0dB
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Abb. 4.24: Frequenzspektrum Vergleich der Konfigurationen (Radkasten über Lippe)
4 Messung und Auswertung der Messdaten
FH DFachhochschule Düsseldorf
Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
42
0 500 1000 1500 2000Hz
50
60
70
80
90
100
110dB
Acquisition: 21:39:51 h 22.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Radkasten über Lufteinlass (mit_Lippe_100_km_h_Wdh ) APS Lp= 114.9dB Lp(A)= 107.8dB Radkasten über Lufteinlass (ohne_Lippe_außen_100_km_h_Wdh ) APS Lp= 113.8dB Lp(A)= 107.0dB Radkasten über Lufteinlass (ohne_Lippe_außen_innen_100_km_h_wdh ) APS Lp= 113.6dB Lp(A)= 106.7dB
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Abb. 4.25: Frequenzspektrum Vergleich der Konfigurationen (Radkasten über Lufteinlass)
0 500 1000 1500 2000Hz
50
60
70
80
90
100
110dB
Acquisition: 21:39:51 h 22.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Radkasten über 2 (mit_Lippe_100_km_h_Wdh ) APS Lp= 114.4dB Lp(A)= 107.6dB Radkasten über 2 (ohne_Lippe_außen_100_km_h_Wdh ) APS Lp= 115.5dB Lp(A)= 106.8dB Radkasten über 2 (ohne_Lippe_außen_innen_100_km_h_wdh ) APS Lp= 115.6dB Lp(A)= 106.9dB
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Abb. 4.26: Frequenzspektrum Vergleich der Konfigurationen (Radkasten über 2)
4 Messung und Auswertung der Messdaten
FH DFachhochschule Düsseldorf
Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
43
0 500 1000 1500 2000Hz
50
60
70
80
90
100
110dB
Acquisition: 21:39:51 h 22.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Radkasten über 4 (mit_Lippe_100_km_h_Wdh ) APS Lp= 115.2dB Lp(A)= 110.3dB Radkasten über 4 (ohne_Lippe_außen_100_km_h_Wdh ) APS Lp= 117.6dB Lp(A)= 109.7dB Radkasten über 4 (ohne_Lippe_außen_innen_100_km_h_wdh ) APS Lp= 115.0dB Lp(A)= 109.5dB
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Abb. 4.27: Frequenzspektrum Vergleich der Konfigurationen (Radkasten über 4)
0 500 1000 1500 2000Hz
50
60
70
80
90
100
110dB
Acquisition: 21:39:51 h 22.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Radkasten hinten (mit_Lippe_100_km_h_Wdh ) APS Lp= 120.3dB Lp(A)= 108.5dB Radkasten hinten (ohne_Lippe_außen_100_km_h_Wdh ) APS Lp= 123.2dB Lp(A)= 107.2dB Radkasten hinten (ohne_Lippe_außen_innen_100_km_h_wdh ) APS Lp= 126.0dB Lp(A)= 108.4dB
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Abb. 4.28: Frequenzspektrum Vergleich der Konfigurationen (Radkasten hinten)
4 Messung und Auswertung der Messdaten
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44
In allen Vergleichsmessungen der im Radkasten aufgenommenen Signale bei einer
Fahrgeschwindigkeit von 100 km/h weist der Verlauf der Frequenzspektren keinen
signifikanten Unterschied einzelner Frequenzkomponenten auf. Lediglich im Bereich
bis etwa 500 Hz liegen die Schalldruckpegel bei den Messungen ohne Staulippen
(pink und grün) der Positionen 3, 4 und 6 über denen der Messungen mit Staulippe.
Im Frequenzbereich ab ca. 1000 Hz dominieren die Schalldruckpegel an allen
Mikrofonpositionen der unveränderten Fahrzeugkonfiguration mit Staulippe im Schnitt
um 1 bis 4 dB. Die schon erwähnten geometrischen Resonanzen sind ebenfalls
deutlich erkennbar. Da sich die vorhandene Radhausgeometrie nicht grundlegend
ändert, treten sie sowohl bei Messungen mit als auch ohne Staulippen bei denselben
Frequenzen auf.
4.4.2 Positionen im Innenraum (Pos. 8 und 9) Für die Analyse der strömungsinduzierten Geräusche im Innenraum verdeutlichen die
folgenden beiden Diagramme die spektrale Zusammensetzung im unteren
Frequenzbereich.
0 500 1000 1500 2000Hz
10
20
30
40
50
60
70
80
90
dB
Acquisition: 21:39:51 h 22.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Fußraum (mit_Lippe_100_km_h_Wdh ) APS Lp= 93.5dB Lp(A)= 70.8dB Fußraum (ohne_Lippe_außen_innen_100_km_h_wdh ) APS Lp= 95.2dB Lp(A)= 68.7dB
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Abb. 4.29: Vergleich mit und ohne Lippe v = 100 km/h (Fußraum, unbewertet)
0 100 200 300 400 500 600H
30
40
50
60
70
80
90
dB
4 Messung und Auswertung der Messdaten
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45
0 500 1000 1500 2000Hz
10
20
30
40
50
60
70
80
90
dB
Acquisition: 21:39:51 h 22.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Kopfstütze (mit_Lippe_100_km_h_Wdh ) APS Lp= 91.1dB Lp(A)= 66.1dB Kopfstütze (ohne_Lippe_außen_innen_100_km_h_wdh ) APS Lp= 94.4dB Lp(A)= 64.3dB
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Abb. 4.30: Vergleich mit und ohne Lippe v = 100 km/h (Kopfstütze, unbewertet)
Es zeigt sich, dass sich die Spektren im Gegensatz zu den Außenmessungen anhand
einzelner Frequenzkomponenten unterscheiden, obwohl sich der Verlauf scheinbar
deutlich ähnelt. Vergrößert man hierzu den Bereich bis 500 Hz ist ein klarer Anstieg
des Pegels um etwa 10 dB der Messung ohne Staulippe bei einer Frequenz von 278
Hz erkennbar. Auch die Wiederholungsmessung zeigt hier einen vergleichbaren
Anstieg bei 280 Hz. Die für den Gesamtpegel ausschlaggebenden Frequenzanteile
liegen hierbei bei 70 Hz und deren Harmonischen bei 140 Hz, 210 Hz und 280 Hz.
Diese entsprechen ziemlich genau den Vielfachen der Motordrehzahl bei einer
Geschwindigkeit von 100 km/h (siehe Tab. 4.1).
Auch bei der Messposition 9 (Kopfstütze) kommen diese so genannten
Hauptspektrallinien bei den gleichen Frequenzen vor (Abbildung 4.25). Lediglich die
Höhe der Schalldruckpegel unterscheiden sich im Durchschnitt um etwa 3 dB. Der
markante Pegelunterschied bei 278 Hz in Abbildung 4.29 ist allerdings nicht so
deutlich erkennbar.
0 100 200 300 400 500 60030
40
50
60
70
80
90
dB
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4.4.3 Positionen Unterboden/Außenbereich (Pos. 1 und 7)
0 500 1000 1500 2000Hz
60
70
80
90
100
110dB
Acquisition: 21:39:51 h 22.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Unterboden vor_Lippe (mit_Lippe_100_km_h_Wdh ) APS Lp= 118.3dB Lp(A)= 108.3dB Unterboden vor_Lippe (ohne_Lippe_außen_innen_100_km_h_wdh ) APS Lp= 113.4dB Lp(A)= 109.1dB
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Abb. 4.31: Vergleich mit und ohne Lippe v = 100 km/h (Unterboden vor Lippe, unbewertet)
0 500 1000 1500 2000Hz
60
70
80
90
100
110dB
Acquisition: 21:39:51 h 22.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Außenhaut (mit_Lippe_100_km_h_Wdh ) APS Lp= 124.6dB Lp(A)= 107.8dB Außenhaut (ohne_Lippe_außen_innen_100_km_h_wdh ) APS Lp= 123.8dB Lp(A)= 106.5dB
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Abb. 4.32: Vergleich mit und ohne Lippe v = 100 km/h (Außenhaut, unbewertet)
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Abgesehen von den Pegeldifferenzen im unteren Frequenzbereich sind an der
Position Unterboden vor Lippe in einem Bereich von 800 Hz bis 1000 Hz deutlichere
Pegelschwankungen der Messung ohne Lippen zu sehen. Sie liegen in etwa um 4 dB
höher als die Pegel mit Staulippe.
Anders sieht es bei der Messposition Außenhaut in Abbildung 4.32 aus. Hier treten
die oben erwähnten Pegelschwankungen nicht so offensichtlich hervor. Die
ermittelten Schalldruckpegel der Messung mit Lippe liegen allerdings im Bereich
zwischen 1000 Hz und 1500 Hz klar über denen ohne Lippen, was auch schon an
anderen Messpositionen im Radkasten festgestellt werden konnte (siehe Kapitel 4.4).
4.5 Vergleich mit und ohne Staulippe bei v = 150 km/h
Einen interessanteren Vergleich bezüglich der Umströmung des Fahrzeuges bieten
die Darstellungen der Frequenzspektren bei höheren Fahrgeschwindigkeiten. Da ab
einer Geschwindigkeit von etwa 100 km/h die Strömungsablösungen unter
Grenzschichteinflüssen den dominierenden Teil des Innengeräuschs ausmachen,
werden diese sich wahrscheinlich bei v = 150 km/h stärker bemerkbar machen. Im
unteren Geschwindigkeitsbereich sind wie schon erwähnt eher die Roll- und
Antriebsgeräusche die bestimmenden Größen für die Innenraumakustik. Die
Farbzuordnung ist identisch der in Kapitel 4.4.
4 Messung und Auswertung der Messdaten
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48
4.5.1 Positionen im Radkasten (Pos. 2 bis 6)
0 500 1000 1500 2000Hz
60
70
80
90
100
110dB
Acquisition: 21:44:11 h 22.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Radkasten über Lippe (mit_Lippe_150_km_h_Wdh ) APS Lp= 121.1dB Lp(A)= 114.5dB Radkasten über Lippe (ohne_Lippe_außen_150_km_h ) APS Lp= 122.3dB Lp(A)= 114.1dB Radkasten über Lippe (ohne_Lippe_außen_innen_150_km_h_wdh ) APS Lp= 120.1dB Lp(A)= 113.9dB
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Abb. 4.33: Frequenzspektrum Vergleich der Konfigurationen (Radkasten über Lippe)
0 500 1000 1500 2000Hz
60
70
80
90
100
110dB
Acquisition: 21:44:11 h 22.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Radkasten über 2 (mit_Lippe_150_km_h_Wdh ) APS Lp= 116.5dB Lp(A)= 111.4dB Radkasten über 2 (ohne_Lippe_außen_150_km_h ) APS Lp= 122.3dB Lp(A)= 111.5dB Radkasten über 2 (ohne_Lippe_außen_innen_150_km_h_wdh ) APS Lp= 122.6dB Lp(A)= 112.4dB
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Abb. 4.34: Frequenzspektrum Vergleich der Konfigurationen (Radkasten über 2)
4 Messung und Auswertung der Messdaten
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49
0 500 1000 1500 2000Hz
60
70
80
90
100
110dB
Acquisition: 21:44:11 h 22.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Radkasten über 4 (mit_Lippe_150_km_h_Wdh ) APS Lp= 117.0dB Lp(A)= 112.6dB Radkasten über 4 (ohne_Lippe_außen_150_km_h ) APS Lp= 124.4dB Lp(A)= 112.7dB Radkasten über 4 (ohne_Lippe_außen_innen_150_km_h_wdh ) APS Lp= 122.7dB Lp(A)= 113.1dB
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Abb. 4.35: Frequenzspektrum Vergleich der Konfigurationen (Radkasten über 4)
0 500 1000 1500 2000Hz
60
70
80
90
100
110
120dB
Acquisition: 21:44:11 h 22.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Radkasten hinten (mit_Lippe_150_km_h_Wdh ) APS Lp= 127.1dB Lp(A)= 114.0dB Radkasten hinten (ohne_Lippe_außen_150_km_h ) APS Lp= 130.7dB Lp(A)= 114.2dB Radkasten hinten (ohne_Lippe_außen_innen_150_km_h_wdh ) APS Lp= 135.4dB Lp(A)= 118.7dB
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Abb. 4.36: Frequenzspektrum Vergleich der Konfigurationen (Radkasten hinten)
4 Messung und Auswertung der Messdaten
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50
Im Allgemeinen ähneln sich auch bei Geschwindigkeiten von 150 km/h die Verläufe
der Spektren aller Fahrzeugkonfigurationen. Im unteren Frequenzbereich liegen die
Pegel der Messungen ohne Staulippen teilweise deutlich über denen mit Lippe. Einzig
das Spektrum der Position Radkasten über Lippe zeigt hier einen gegenläufigen
Effekt. Ob diese Unterschiede allerdings ausschließlich auf die geänderte
Fahrzeugkonfiguration zurückzuführen sind, ist fraglich, denn nicht alle
Messpositionen zeigen einen solchen Verlauf. Schaut man sich, abgesehen von den
Pegeldifferenzen im unteren Frequenzbereich, den Bereich zwischen 1000 Hz und
1500 Hz an, zeichnen sich bei den Messungen ohne Staulippe einzelne
Frequenzkomponenten deutlicher ab. Da sich jene Effekte an allen Messpositionen
zeigen, könnte dies ein Indiz auf die unterschiedliche akustische Wirkung der
Fahrzeugkonfigurationen darstellen. Die bereits in Kapitel 4.2 und 4.3 genannten
Effekte der geometrischen Resonanzen sind auch bei diesem Vergleich erkennbar.
Des Weiteren ist zu beobachten, dass sich bei den Messungen ohne Lippe
besonders bei hohen Geschwindigkeiten einzelne Frequenzkomponenten im Bereich
zwischen 1 kHz und 1,5 kHz durch das direkte Anströmen des Reifens deutlicher
abzeichnen. Mit einem ∆f von etwa 21 Hz bei einer Geschwindigkeit von 150 km/h
entsprechen sie ziemlich genau der Raddrehzahl.
Generell ist ein Anstieg des Schalldruckpegels in diesem Frequenzbereich für beide
Fahrzeugkonfigurationen zu verzeichnen. Hierzu kann die Oberflächenstruktur bzw.
das Reifenprofil als Erklärung dienen. Die Anzahl der einzelnen Profilblöcke um den
Abrollumfang betrug ca. 60. Mit dem Reifendurchmesser und der gefahrenen
Geschwindigkeit (150 km/h) ergibt sich eine Profilfrequenz von ca. 1300 Hz. Für eine
Geschwindigkeit von 100 km/h ergibt sich entsprechend eine Profilfrequenz von ca.
860 Hz.
4 Messung und Auswertung der Messdaten
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51
4.5.2 Positionen im Innenraum (Pos. 8 und 9)
0 500 1000 1500 2000Hz
20
30
40
50
60
70
80
90
dB
Acquisition: 21:44:11 h 22.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Fußraum (mit_Lippe_150_km_h_Wdh ) APS Lp= 97.7dB Lp(A)= 74.2dB Fußraum (ohne_Lippe_außen_innen_150_km_h_wdh ) APS Lp= 100.5dB Lp(A)= 74.8dB
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Abb. 4.37: Vergleich mit und ohne Lippe v = 150 km/h (Fußraum, unbewertet)
0 500 1000 1500 2000Hz
20
30
40
50
60
70
80
90
dB
Acquisition: 21:44:11 h 22.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Kopfstütze (mit_Lippe_150_km_h_Wdh ) APS Lp= 96.0dB Lp(A)= 71.2dB Kopfstütze (ohne_Lippe_außen_innen_150_km_h_wdh ) APS Lp= 99.7dB Lp(A)= 71.1dB
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Abb. 4.38: Vergleich mit und ohne Lippe v = 150 km/h (Kopfstütze, unbewertet)
0 100 200 300 400 500 60030
40
50
60
70
80
90
dB
0 100 200 300 400 500 60030
40
50
60
70
80
90
dB
4 Messung und Auswertung der Messdaten
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52
Abbildungen 4.37 und 4.38 zeigen die gemessenen Innenraumgeräusche bei einer
Geschwindigkeit von 150 km/h. Auch hier ist ein nahezu gleicher Spektrenverlauf der
Messungen mit und ohne Staulippe zu erkennen. Selbst im unteren Frequenzbereich
zeigen sich keine deutlichen Pegelunterschiede wie im Radkasten. Vielmehr ist
besonders hier ein vermehrtes Auftreten von einzelnen Frequenzanteilen zu
beobachten. Zwar existieren diese, bis auf die Komponente bei 207 Hz, in beiden
Spektren, doch schlagen mit einer Pegeldifferenz von bis zu 4 dB gegenüber der
Messung mit Staulippe deutlicher zu Buche. Die Fußraummessung zeigt bei beiden
Fahrzeugkonfigurationen zwischen 400 Hz und 600 Hz harmonische Ausschläge, die
sich alle Δf = 26 Hz wiederholen. Bei der Messung an der Kopfstütze sind diese nicht
so deutlich erkennbar. Die ausgeprägten Peaks bei 311 Hz, 363 Hz und 415 Hz
liegen jeweils um Δf = 52 Hz auseinander. Auffällig ist hierbei, dass das Δf an der
Kopfstütze doppelt so groß ist wie im Fußraum und zugleich die Motordrehzahl bei
150 km/h etwa 3100 1/min beträgt, was einer Frequenz von ziemlich genau 52 Hz
entspricht. Diese Ausschläge könnten also mit der Motordrehzahl zusammenhängen.
Die schon bei den Außenmessungen beobachteten Frequenzkomponenten zwischen
1000 Hz und 1500 Hz sind bei beiden Innenraummessungen ebenfalls zu erkennen.
Der Abstand zueinander beträgt durchschnittlich etwa 21 Hz. Die Raddrehzahl bei
einem Reifendurchmesser von 615 mm und einer Geschwindigkeit von 150 km/h
beträgt 21,6 Hz. Auch die Analyse anderer Fahrgeschwindigkeiten zeigt ein solches
Verhalten. In Anbetracht dessen, lässt sich ein Zusammenhang zwischen
Raddrehzahl und aufgenommenen Frequenzkomponenten vermuten.
Bezüglich eines Vergleiches zwischen Straßen- und Windkanalmessungen geben die
beiden folgenden Diagramme Auskunft. Leider lag bei der Bearbeitung der
vorliegenden Arbeit lediglich eine Windkanalmessung, also ohne Roll- und
Antriebsgeräusch, zum Einfluss einer Staulippeverlängerung seitens BMW vor. Da
nicht ersichtlich war, an welcher Position genau das Mikrofon befestigt war und die
Messung zudem mit einer Geschwindigkeit von 180 km/h durchgeführt wurde, ist ein
quantitativer Vergleich schwierig. Trotzdem sollen die beiden Spektren hier
gegenübergestellt werden.
4 Messung und Auswertung der Messdaten
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Messung: BMW Fahrversuche Kopfstütze (ohne_Lippe_außen_innen_150_km_h_wdh ) APS Lp= 91.0dB Lp(A)= 71.1dB Kopfstütze (mit_Lippe_150_km_h_Wdh ) APS Lp= 89.7dB Lp(A)= 71.2dB
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31.5 100 315 1k 3.15k 10kHz
20
30
40
50
60
70dB
Acquisition: 15:38:56 h 23.10.2007
Abb. 4.39: Straßenmessung bei 150 km/h (Kopfstütze)
Abb. 4.40: Windkanalmessung BMW bei 180 km/h (Bereich Fahrer)
Sowohl die Straßen- als auch die Windkanalmessung zeigen bei der Konfiguration mit
Lippe bzw. verlängerter Lippe im tieffrequenten Bereich eine Verbesserung auf (grün
gefärbter Bereich). Allerdings sind die gemessenen Unterschiede auf der Straße so
gering, dass sie im Rahmen der Messungenauigkeit nicht zwangsläufig auf den
Einfluss der Staulippe zurückzuführen sind.
16 25 40 63 100 160 250 400 630 1k 1.6k 2.5k 4k 6.3k 10kFrequenz/Hz
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70dB(A) Gesamtpegel: dB(A)
E92_MH_050415/E92_13 [B]-1
75.0dB(A)
E92, Fu lly taped, w ie 06,jedochUBV SerienstandV = 180 km/h ; Beta = 0°
E92_MH_050415/E92_33 [B]-1E92, Fu lly taped, w ie 11,jedochmit Abrißle iste 30mm,mittig 500mm offenV =180 km/h ; Beta = 0°
Thema: E92 Windgeräusch
Typ: Messpunkte: Mikro vorn links außenMikro vorn links außen
Messort: Akustik-WindkanalAuftraggeber: HöllBearbeiter: SchrederDatum: 15.04.2005
74.9dB(A)
V318481
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4.5.3 Positionen Unterboden/Außenbereich (Pos. 1 und 7)
0 500 1000 1500 2000Hz
60
70
80
90
100
110dB
Acquisition: 21:44:11 h 22.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Unterboden vor_Lippe (mit_Lippe_150_km_h_Wdh ) APS Lp= 119.3dB Lp(A)= 113.9dB Unterboden vor_Lippe (ohne_Lippe_außen_innen_150_km_h_wdh ) APS Lp= 118.9dB Lp(A)= 116.6dB
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Abb. 4.41: Vergleich mit und ohne Lippe v = 150 km/h (Unterboden vor Lippe, unbewertet)
0 500 1000 1500 2000Hz
70
80
90
100
110
120dB
Acquisition: 21:44:11 h 22.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Außenhaut (mit_Lippe_150_km_h_Wdh ) APS Lp= 131.8dB Lp(A)= 118.0dB Außenhaut (ohne_Lippe_außen_innen_150_km_h_wdh ) APS Lp= 133.7dB Lp(A)= 120.3dB
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Abb. 4.42: Vergleich mit und ohne Lippe v = 150 km/h (Außenhaut, unbewertet)
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Die schon bei einer Fahrgeschwindigkeit von 100 km/h beobachteten Schwankungen
des Schalldruckpegels sind auch bei v = 150 km/h zu beobachten. Selbst die
Messposition Außenhaut zeigt in einem Bereich zwischen 1200 Hz und 1500 Hz ein
solches Verhalten. Im Vergleich sind die markanten Stellen im Spektrum auf Grund
der höheren Geschwindigkeit zu höheren Frequenzen verschoben. Abbildung 4.42
zeigt zudem einen wesentlich harmonischeren Verlauf als das bei 100 km/h der Fall
ist. Außerdem liegen die Schalldruckpegel bei hohen Geschwindigkeiten mit Lippe,
mit Ausnahme des unteren Frequenzbereiches in Abbildung 4.41, durchweg
unterhalb der ohne Lippe.
4.6 Oktav- und Terzspektren
Da in der Fahrzeugakustik unter Umständen der gesamte Frequenzbereich des
menschlichen Gehörs von Bedeutung sein kann, sollen im Folgenden alle
aufgezeichneten Geräusche zusätzlich anhand von Terzspektren ausgewertet
werden. Der Vorteil einer solchen Analyse liegt darin, dass bei einer logarithmischen
Frequenzskalierung jeder Frequenzbereich gleich gewichtet dargestellt wird. Welche
Art des Filters hierbei zu wählen ist, hängt von der Messaufgabe selbst und der
geforderten Messgenauigkeit ab. Allgemein kann man sagen, dass je breitbandiger
das akustische Filter gewählt wird, desto geringer wird die Auflösung des Signals im
Amplitudenspektrum. Das bedeutet, dass mit zunehmender Filterbreite das
„Amplitudengebirge“ geglättet wird und Einzelheiten des Spektrums verschwinden.
Zugleich wird man erkennen, dass mit zunehmender Filterbreite das
Amplitudenspektrum ansteigt. Dies hängt mit der Summation der einzelnen Pegel
zusammen. Die Summe von beispielsweise 7 Oktaven muss natürlich das gleiche
Ergebnis liefern wie die Summe von 21 (= 7 x 3) Terzen. Abbildung 4.43 zeigt hierzu
ein Frequenzspektrum mit drei verschiedenen Filtereinstellungen für einen Oktav-,
Terz- und Schmalbandfilter. Auf der Abszisse sind die Oktavmittenfrequenzen für den
menschlichen Hörbereich aufgetragen. Tabelle 4.2 zeigt die Terzmittenfrequenzen
und deren obere und untere Grenzfrequenzen, die nach DIN 45651 und DIN 45401
festgelegt sind und mit Hilfe unten stehender Gleichung berechnet werden können.
Somit wird der gesamte Hörbereich durch 30 aneinander gereihte Terze abgedeckt.
4 Messung und Auswertung der Messdaten
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Die im Folgenden eingesetzten Filter mit relativ konstanter Bandbreite werden oft als
1/n-Oktav-Filter bezeichnet, wobei n eine natürliche Zahl darstellt (n = 1: 1/1-Oktav =
Oktave; n = 3: 1/3-Oktav = Terz; n = 6: 1/6-Oktav = 1/2 Terz).
Die Bandbreite ∆f eines Filters mit relativ konstanter Bandbreite berechnet sich zu
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛−⋅=−=Δ
nn
muo ffff2
2
212 . (Gl. 4.1)
fm/Hz 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200
fu/Hz 22,4 28,2 35,5 44,7 56,2 70,7 89,1 112 141 178
fo/Hz 28,2 35,5 44,7 56,2 70,7 89,1 112 141 178 224
fm/Hz 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000
fu/Hz 224 282 355 447 562 707 891 1122 1413 1778
fo/Hz 282 355 447 562 707 891 1122 1413 1778 2239
fm/Hz 2500 3150 4000 5000 6300 8000 10000 12500 16000 20000
fu/Hz 2239 2818 3548 4467 5623 7079 8913 11220 14130 17780
fo/Hz 2818 3548 4467 5623 7079 8913 11200 14130 17780 22390
Tab. 4.2: Terzmittenfrequenzen und deren obere und untere Grenzfrequenzen
Die im Terz- und Schmalbandspektrum hervortretenden Töne bei 80 Hz und 1250 Hz
gehen im unten gezeigten Oktavspektrum praktisch unter, da sie durch das
Zusammenfassen mit den benachbarten Terzen eingeebnet werden.
Abb. 4.43: verschiedene Frequenzanalysen eines Geräusches /12/
4 Messung und Auswertung der Messdaten
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4.6.1 1/6 Oktavspektren (Pos. 2 bis 6)
31.5 100 315 1k 3.15k 10kHz
70
80
90
100
110
120dB
Acquisition: 21:44:11 h 22.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Radkasten über Lippe (mit_Lippe_150_km_h_Wdh ) APS Lp= 118.9dB Lp(A)= 114.5dB Radkasten über Lippe (ohne_Lippe_außen_150_km_h ) APS Lp= 119.0dB Lp(A)= 114.1dB Radkasten über Lippe (ohne_Lippe_außen_innen_150_km_h_wdh ) APS Lp= 116.9dB Lp(A)= 113.9dB
www.muellerbbm-vas.de PAK 5.4
Abb. 4.44: 1/6 Oktavspektren Pos. Radkasten über Lippe (unbewertet)
31.5 100 315 1k 3.15k 10kHz
70
80
90
100
110
dB
Acquisition: 21:44:11 h 22.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Radkasten über Lufteinlass (mit_Lippe_150_km_h_Wdh ) APS Lp= 114.4dB Lp(A)= 111.0dB Radkasten über Lufteinlass (ohne_Lippe_außen_150_km_h ) APS Lp= 116.1dB Lp(A)= 111.1dB Radkasten über Lufteinlass (ohne_Lippe_außen_innen_150_km_h_wdh ) APS Lp= 117.0dB Lp(A)= 111.7dB
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Abb. 4.45: 1/6 Oktavspektren Pos. Radkasten über Lufteinlass (unbewertet)
4 Messung und Auswertung der Messdaten
FH DFachhochschule Düsseldorf
Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
58
31.5 100 315 1k 3.15k 10kHz
70
80
90
100
110
120dB
Acquisition: 21:44:11 h 22.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Radkasten über 2 (mit_Lippe_150_km_h_Wdh ) APS Lp= 114.6dB Lp(A)= 111.4dB Radkasten über 2 (ohne_Lippe_außen_150_km_h ) APS Lp= 117.1dB Lp(A)= 111.5dB Radkasten über 2 (ohne_Lippe_außen_innen_150_km_h_wdh ) APS Lp= 120.1dB Lp(A)= 112.4dB
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Abb. 4.46: 1/6 Oktavspektren Pos. Radkasten über 2 (unbewertet)
31.5 100 315 1k 3.15k 10kHz
70
80
90
100
110
120dB
Acquisition: 21:44:11 h 22.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Radkasten über 4 (mit_Lippe_150_km_h_Wdh ) APS Lp= 115.4dB Lp(A)= 112.6dB Radkasten über 4 (ohne_Lippe_außen_150_km_h ) APS Lp= 118.3dB Lp(A)= 112.7dB Radkasten über 4 (ohne_Lippe_außen_innen_150_km_h_wdh ) APS Lp= 119.0dB Lp(A)= 113.1dB
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Abb. 4.47: 1/6 Oktavspektren Pos. Radkasten über 4 (unbewertet)
4 Messung und Auswertung der Messdaten
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Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
59
31.5 100 315 1k 3.15k 10kHz
70
80
90
100
110
120
130dB
Acquisition: 21:44:11 h 22.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Radkasten hinten (mit_Lippe_150_km_h_Wdh ) APS Lp= 124.5dB Lp(A)= 114.0dB Radkasten hinten (ohne_Lippe_außen_150_km_h ) APS Lp= 127.6dB Lp(A)= 114.2dB Radkasten hinten (ohne_Lippe_außen_innen_150_km_h_wdh ) APS Lp= 133.6dB Lp(A)= 118.8dB
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Abb. 4.48: 1/6 Oktavspektren Pos. Radkasten hinten (unbewertet)
Die Abbildungen zeigen die mit einem Terzfilter analysierten Messsignale bei einer
Geschwindigkeit von v = 150 km/h für die drei Fahrzeugkonfigurationen. Das
Prüfstandakustiksystem (PAK) bietet in der Nachauswertung für die Betrachtung von
Oktav- und Terzspektren fünf verschiedene Parameter an. Diese sind 1/1, 1/3, 1/6,
1/12 und 1/24 Oktaven. Die 1/3 Oktaven entsprechen wie bereits erwähnt einer Terz.
Für die Untersuchung der Messdaten bietet das 1/6 Oktavfilter (entspricht demnach
1/2 Terzfilter) eine genügend hohe Auflösung um Unterschiede bezüglich der
Staulippe zu erhalten.
Die Gegenüberstellung veranschaulicht, dass bis auf die Position Radkasten über
Lippe die gemessenen und durch das Filter gewichteten Schalldruckpegel bei den
Messungen mit Lippe bis zu einer Frequenz von ca. 1000 Hz deutlich unterhalb den
übrigen liegen. Die in den Schmalbandspektren auftretenden Schwankungen des
Schalldruckpegels im Bereich von 1000 Hz bis 1500 Hz sind auf Grund der
Bandbreite des gewählten Filters nicht mehr sichtbar. Die Bandbreite beträgt hier
nach Gleichung 4.1 für n = 6 und einer Mittenfrequenz von 1000 Hz etwa 116 Hz. Das
bedeutet, dass die Schalldruckpegel zwischen der unteren Grenzfrequenz fu = 944 Hz
und der oberen Grenzfrequenz fo = 1060 Hz durch das Zusammenfassen geglättet
4 Messung und Auswertung der Messdaten
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Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
60
werden. Durch diese Operation können natürlich einzelne Peaks in diesem Bereich
nicht mehr aufgelöst bzw. dargestellt werden. Bei relativ konstanten Filtern werden
die Durchlassbereiche der Filter mit zunehmender Mittenfrequenz proportional breiter,
so dass auch dementsprechend die darin enthaltene Energiedichte größer wird und
somit auch die gefilterten Pegel ansteigen.
4 Messung und Auswertung der Messdaten
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Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
61
4.6.2 1/6 Oktavspektren (Pos. 8 und 9)
31.5 100 315 1k 3.15k 10kHz
30
40
50
60
70
80
90
dB
Acquisition: 21:44:11 h 22.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Fußraum (mit_Lippe_150_km_h_Wdh ) APS Lp= 94.3dB Lp(A)= 74.2dB Fußraum (ohne_Lippe_außen_150_km_h ) APS Lp= 93.3dB Lp(A)= 73.5dB Fußraum (ohne_Lippe_außen_innen_150_km_h_wdh ) APS Lp= 95.3dB Lp(A)= 74.8dB
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Abb. 4.49: 1/6 Oktavspektren Pos. Fußraum (unbewertet)
31.5 100 315 1k 3.15k 10kHz
30
40
50
60
70
80
90
dB
Acquisition: 21:44:11 h 22.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Kopfstütze (mit_Lippe_150_km_h_Wdh ) APS Lp= 90.0dB Lp(A)= 71.2dB Kopfstütze (ohne_Lippe_außen_150_km_h ) APS Lp= 88.6dB Lp(A)= 70.4dB Kopfstütze (ohne_Lippe_außen_innen_150_km_h_wdh ) APS Lp= 91.2dB Lp(A)= 71.1dB
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Abb. 4.50: 1/6 Oktavspektren Pos. Kopfstütze (unbewertet)
4 Messung und Auswertung der Messdaten
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Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
62
4.6.3 1/6 Oktavspektren (Pos. 1 und 7)
31.5 100 315 1k 3.15k 10kHz
70
80
90
100
110
dB
Acquisition: 21:44:11 h 22.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Unterboden vor_Lippe (mit_Lippe_150_km_h_Wdh ) APS Lp= 118.0dB Lp(A)= 113.9dB Unterboden vor_Lippe (ohne_Lippe_außen_150_km_h ) APS Lp= 118.2dB Lp(A)= 115.3dB Unterboden vor_Lippe (ohne_Lippe_außen_innen_150_km_h_wdh ) APS Lp= 117.5dB Lp(A)= 116.6dB
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Abb. 4.51: 1/6 Oktavspektren Pos. Unterboden vor Lippe (unbewertet)
31.5 100 315 1k 3.15k 10kHz
70
80
90
100
110
120
130dB
Acquisition: 21:44:11 h 22.10.2007
Messung: BMW Fahrversuche Außenhaut (mit_Lippe_150_km_h_Wdh ) APS Lp= 130.4dB Lp(A)= 118.0dB Außenhaut (ohne_Lippe_außen_150_km_h ) APS Lp= 130.7dB Lp(A)= 119.0dB Außenhaut (ohne_Lippe_außen_innen_150_km_h_wdh ) APS Lp= 132.1dB Lp(A)= 120.3dB
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Abb. 4.52: 1/6 Oktavspektren Pos. Außenhaut (unbewertet)
4 Messung und Auswertung der Messdaten
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63
4.7 Analyse drehzahlabhängiger Vorgänge
Eine besondere Darstellungsform von Spektren ist das so genannte Campbell- oder
Wasserfalldiagramm. Es findet vorzugsweise dort Anwendung, wo
drehzahlabhängige bzw. zeitabhängige Abläufe akustisch analysiert werden müssen.
Somit ist es speziell für den Einsatz in der Fahrzeugakustik von Bedeutung. Die
Besonderheit des Campbelldiagramms liegt darin begründet, dass es erkennen lässt,
welche spektralen Anteile auf drehzahlabhängige Vorgänge zurückzuführen sind oder
von strukturakustischen Eigenschaften herrühren und wie sich die Spektren mit der
Zeit ändern /9/. Gewöhnlich wird auf eine der beiden Achsen (hier x-Achse) die Zeit
oder eine zeitproportionale Größe (hier Drehzahl) und auf die andere Achse (y-
Achse) die schmalbandig analysierte Frequenz dargestellt. Da das
Campbelldiagramm eine dreidimensionale Darstellung eines sich zeitlich ändernden
akustischen Zustandes abbildet, sind zudem auf der virtuellen z-Achse die
Pegelwerte farbig gekennzeichnet. Die quantitative Zuordnung ist anhand einer
farblich abgestuften Skala möglich.
Generell sind zwei verschiedene Arten von Linien im Campbelldiagramm zu
erkennen. Zum einen sind dies die von einem Ursprung ausgehenden, also die
drehzahl- bzw. zeitabhängigen und zum anderen die drehzahl- bzw. zeitinvarianten
Linien, also diejenigen, die durch die Struktureigenschaften verursacht werden. Beide
Arten dieser Linien kommen meist mehrfach vor und weisen auf höhere Ordnungen
bzw. höherer Strukturmoden hin. Dort im Spektrum, wo sich diese beiden Arten von
Linien schneiden, kommt es zur Resonanz. An diesen Punkten werden häufig hohe
Pegel gemessen.
Aufgenommen wurden die Signale bei einer Beschleunigungsfahrt im 5. Gang von
100 km/h auf 170 km/h und einem Ausrollen von 170 km/h auf 100 km/h
(eingekuppelt) in beiden Fahrzeugkonfigurationen mit und ohne Staulippe.
4 Messung und Auswertung der Messdaten
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Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
64
4.7.1 Beschleunigung von 100 km/h auf 170 km/h
Die im Folgenden dargestellten Campbelldiagramme zeigen die von dem Fahrzeug
während einer Beschleunigungsfahrt emittierten unbewerteten Schalldruckpegel
gemessen im Radkasten an ausgewählten Mikrofonpositionen (links: ohne Lippe,
rechts: mit Lippe).
2200 2400 2600 2800 3000 3200 34001/min
0
500
1000
1500
2000Hz
30
40
50
60
70
80
90
100
dBrms
123456789101112131415161718192021222324252627282930
0 5 10 15 20 25 30s100
120140160
km/h
dB rms
Unterboden vor_Lippe
Editors: BMW_Fahrversuche_3d_Standard /ohne Lippe/3D_Standard_Drehzahl.pak_flyWagner/PAK/MESSDATEN/ BMW_Fahrversuche_20071022 /ohne_Lippe_außen_innen_100-170_km_h
BMW FahrversucheA59
Fahrgeschw.
2200 2400 2600 2800 3000 3200 34001/min
0
500
1000
1500
2000Hz
30
40
50
60
70
80
90
100
dBrms
123456789101112131415161718192021222324252627282930
0 5 10 15 20 25 30s100
120140160
km/h
dB
Unterboden vor_Lippe
Editors: BMW_Fahrversuche_3d_Standard /mit Lippe/3D_Standard_Drehzahl.pak_flyWagner/PAK/MESSDATEN/ BMW_Fahrversuche_20071022 /mit_Lippe_100-170_km_h
BMW FahrversucheA59
Fahrgeschw.
Abb. 4.53: Campbelldiagramme Pos. Unterboden vor Lippe, Beschleunigen
2200 2400 2600 2800 3000 3200 34001/min
0
500
1000
1500
2000Hz
30
40
50
60
70
80
90
100
dBrms
123456789101112131415161718192021222324252627282930
0 5 10 15 20 25 30s100
120140160
km/h
dB rms
Radkasten über Lippe
Editors: BMW_Fahrversuche_3d_Standard /ohne Lippe/3D_Standard_Drehzahl.pak_flyWagner/PAK/MESSDATEN/ BMW_Fahrversuche_20071022 /ohne_Lippe_außen_innen_100-170_km_h
BMW FahrversucheA59
Fahrgeschw.
2200 2400 2600 2800 3000 3200 34001/min
0
500
1000
1500
2000Hz
30
40
50
60
70
80
90
100
dBrms
123456789101112131415161718192021222324252627282930
0 5 10 15 20 25 30s100
120140160
km/h
dB
Radkasten über Lippe
Editors: BMW_Fahrversuche_3d_Standard /mit Lippe/3D_Standard_Drehzahl.pak_flyWagner/PAK/MESSDATEN/ BMW_Fahrversuche_20071022 /mit_Lippe_100-170_km_h
BMW FahrversucheA59
Fahrgeschw.
Abb. 4.54: Campbelldiagramme Pos. Radkasten über Lippe, Beschleunigen
ohne Lippe
ohne Lippe
mit Lippe
mit Lippe
4 Messung und Auswertung der Messdaten
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Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
65
Der Vergleich der in den Abbildungen 4.53 und 4.54 dargestellten
Beschleunigungsfahrten zeigt an den Positionen Unterboden vor Lippe und
Radkasten über Lippe im unteren Frequenzbereich deutlich höhere Schalldruckpegel
bei den Messungen mit Staulippe, erkennbar anhand der roten Färbung. Ebenfalls
sticht bei hohen Drehzahlen bzw. Geschwindigkeiten der Bereich zwischen 1300 Hz
und 1600 Hz mit etwas höheren Pegeln hervor. Die durch strukturakustische
Eigenschaften herrührenden waagerechten Linien im Campbell Diagramm (Abb.
4.54) sind auch in den jeweiligen Frequenzspektren in Kapitel 4.2 bzw. 4.3 ersichtlich.
Auf Grund von geometrischen Resonanzen im Radkasten entstehen im
aufgezeichneten Geschwindigkeitsbereich sowohl Verstärkungen als auch
Auslöschungen von Schalldruckpegeln an einzelnen Frequenzen, welche bei hohen
Strömungsgeschwindigkeiten höhere Werte liefern. Die Betrachtung der
drehzahlabhängigen Vorgänge gibt Auskunft darüber, wie sich die spektralen Anteile
mit steigender Drehzahl verändern. Die Schnittpunkte dieser vom Nullpunkt
ausgehenden Linien mit den waagerechten Linien liefern, abgesehen von den
tieffrequenten Anteilen, auch hier die höchsten Pegelwerte im Spektrum. In Abbildung
4.53 der Position Unterboden vor Lippe sind nahezu keine strukturakustischen
Phänomene zu beobachten. Da das Messmikrofon hier direkt in der Strömung
angebracht ist und keine geometrischen Effekte, wie dies im Radkasten der Fall ist,
auftreten, spielen lediglich drehzahlabhängige Vorgänge eine Rolle.
2200 2400 2600 2800 3000 3200 34001/min
0
500
1000
1500
2000Hz
30
40
50
60
70
80
90
100
dBrms
123456789101112131415161718192021222324252627282930
0 5 10 15 20 25 30s100
120140160
km/h
dB
Radkasten über 4
Editors: BMW_Fahrversuche_3d_Standard /ohne Lippe/3D_Standard_Drehzahl.pak_flyWagner/PAK/MESSDATEN/ BMW_Fahrversuche_20071022 /ohne_Lippe_außen_innen_100-170_km_h
BMW FahrversucheA59
Fahrgeschw.
2200 2400 2600 2800 3000 3200 34001/min
0
500
1000
1500
2000Hz
30
40
50
60
70
80
90
100
dBrms
123456789101112131415161718192021222324252627282930
0 5 10 15 20 25 30s100
120140160
km/h
dB rms
Radkasten über 4
Editors: BMW_Fahrversuche_3d_Standard /mit Lippe/3D_Standard_Drehzahl.pak_flyWagner/PAK/MESSDATEN/ BMW_Fahrversuche_20071022 /mit_Lippe_100-170_km_h
BMW FahrversucheA59
Fahrgeschw.
Abb. 4.55: Campbelldiagramme Pos. Radkasten über 4, Beschleunigen
ohne Lippe mit Lippe
4 Messung und Auswertung der Messdaten
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Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
66
Abbildung 4.55 an der Position Radkasten über 4 zeigt im Gegensatz zu Abbildung
4.53 eher strukturakustische Effekte als drehzahlabhängige. Dort wo sich die beiden
Linien schneiden kommt es zu den höchsten Werten des Schalldruckpegels. Gleiches
ist auch in Abbildung 4.56 ersichtlich. Der Vergleich mit den Frequenzspektren
verschiedener Geschwindigkeiten in den Abbildungen 4.12 und 4.21 an diesen
Messpositionen bestätigt dies. Ein weiterer Unterschied, der bei allen Mikrofonen im
Radkasten festzustellen ist, sind die deutlich niedrigeren Schalldruckpegel der
Konfiguration mit Staulippe im unteren Frequenzbereich. Der Anbau der Staulippe
sorgt, wie auch die Strömungssimulationen in Kapitel 7 zeigen, für eine drastische
Strömungsumlenkung im Bereich des Übergangs von Unterboden zu Radkasten.
2200 2400 2600 2800 3000 3200 34001/min
0
500
1000
1500
2000Hz
30
40
50
60
70
80
90
100
dBrms
123456789101112131415161718192021222324252627282930
0 5 10 15 20 25 30s100
120140160
km/h
dB rms
Radkasten hinten
Editors: BMW_Fahrversuche_3d_Standard /ohne Lippe/3D_Standard_Drehzahl.pak_flyWagner/PAK/MESSDATEN/ BMW_Fahrversuche_20071022 /ohne_Lippe_außen_innen_100-170_km_h
BMW FahrversucheA59
Fahrgeschw.
2200 2400 2600 2800 3000 3200 34001/min
0
500
1000
1500
2000Hz
30
40
50
60
70
80
90
100
dBrms
123456789101112131415161718192021222324252627282930
0 5 10 15 20 25 30s100
120140160
km/h
dB rms
Radkasten hinten
Editors: BMW_Fahrversuche_3d_Standard /mit Lippe/3D_Standard_Drehzahl.pak_flyWagner/PAK/MESSDATEN/ BMW_Fahrversuche_20071022 /mit_Lippe_100-170_km_h
BMW FahrversucheA59
Fahrgeschw.
Abb. 4.56: Campbelldiagramme Pos. Radkasten hinten, Beschleunigung
Die Auswertung der Beschleunigungsfahrt für eine Innenraummessung ist in
nachstehenden beiden Campbell Diagramme zu sehen (Abb. 4.57). Im Gegensatz zu
den Außenmessungen wurde die Auswertung hier mit einem A-bewerteten Filter
durchgeführt, um die Drehzahlordnungen im unteren Frequenzbereich aufzeigen zu
können. Strukturakustische Effekte treten bei den Innenraummessungen nicht auf.
Deutlich sind hier allerdings die Drehzahlharmonischen zu erkennen, die bei den
übrigen Außenmessungen durch zusätzliche Geräusche überlagert sind. Der Theorie
nach ist die zweite Drehzahlharmonische, bedingt durch die Zündprozesse eines
ohne Lippe mit Lippe
4 Messung und Auswertung der Messdaten
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Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
67
Vierzylinders, am signifikantesten. Dies ist auch in den Diagrammen in Kombination
mit deren Vielfachen zu sehen. Ein großer Unterschied bezüglich der
Schalldruckpegel beider Fahrzeugkonfigurationen ist jedoch nicht festzustellen.
2200 2400 2600 2800 3000 3200 34001/min
0
100
200
300
400
500Hz
0
10
20
30
40
50
60
dBrms
1
2
3
4
5
6
7
89101112130 5 10 15 20 25 30
s100120140160
km/h
dB
Kopfstütze
Editors: BMW_Fahrversuche_3d_Standard /ohne Lippe/3D_Standard_Drehzahl.pak_flyWagner/PAK/MESSDATEN/ BMW_Fahrversuche_20071022 /ohne_Lippe_außen_innen_100-170_km_h
BMW FahrversucheA59
Fahrgeschw.
2200 2400 2600 2800 3000 3200 34001/min
0
100
200
300
400
500Hz
0
10
20
30
40
50
60
dBrms
1
2
3
4
5
6
7
89101112130 5 10 15 20 25 30
s100120140160
km/h
dB
Kopfstütze
Editors: BMW_Fahrversuche_3d_Standard /mit Lippe/3D_Standard_Drehzahl.pak_flyWagner/PAK/MESSDATEN/ BMW_Fahrversuche_20071022 /mit_Lippe_100-170_km_h
BMW FahrversucheA59
Fahrgeschw.
Abb. 4.57: Campbelldiagramme Pos. Kopfstütze (A-bewertet), Beschleunigen
ohne Lippe mit Lippe
4 Messung und Auswertung der Messdaten
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Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
68
4.7.2 Ausrollen von 170 km/h auf 100 km/h Im Gegensatz zu den in Kapitel 4.14.1. gezeigten Diagrammen geben die nun
folgenden Campbelldiagramme einen Einblick, wie sich die emittierten Geräusche bei
einem Ausrollen von 170 km/h auf 100 km/h mit eingekuppeltem 5. Gang verhalten.
2200 2400 2600 2800 3000 3200 34001/min
0
500
1000
1500
2000Hz
30
40
50
60
70
80
90
100
dBrms
123456789101112131415161718192021222324252627282930
0 5 10 15 20 25 30s110
130150170
km/h
dB rms
Unterboden vor_Lippe
Editors: BMW_Fahrversuche_3d_Standard /ohne Lippe/3D_Standard_Drehzahl.pak_flywagner/PAK/MESSDATEN/ BMW_Fahrversuche_20071022 /ohne_Lippe_außen_innen_170-100_km_h_wd
BMW FahrversucheA59
Fahrgeschw.
2200 2400 2600 2800 3000 3200 34001/min
0
500
1000
1500
2000Hz
30
40
50
60
70
80
90
100
dBrms
123456789101112131415161718192021222324252627282930
0 5 10 15 20 25 30s80
100120140160
km/h
dB
Unterboden vor_Lippe
Editors: BMW_Fahrversuche_3d_Standard /mit Lippe/3D_Standard_Drehzahl.pak_flywagner/PAK/MESSDATEN/ BMW_Fahrversuche_20071022 /mit_Lippe_170-100_km_h
BMW FahrversucheA59
Fahrgeschw.
Abb. 4.58: Campbelldiagramme Pos. Unterboden vor Lippe, Ausrollen
2200 2400 2600 2800 3000 3200 34001/min
0
500
1000
1500
2000Hz
30
40
50
60
70
80
90
100
dBrms
123456789101112131415161718192021222324252627282930
0 5 10 15 20 25 30s110
130150170
km/h
dB rms
Radkasten über Lippe
Editors: BMW_Fahrversuche_3d_Standard /ohne Lippe/3D_Standard_Drehzahl.pak_flywagner/PAK/MESSDATEN/ BMW_Fahrversuche_20071022 /ohne_Lippe_außen_innen_170-100_km_h_wd
BMW FahrversucheA59
Fahrgeschw.
2200 2400 2600 2800 3000 3200 34001/min
0
500
1000
1500
2000Hz
30
40
50
60
70
80
90
100
dBrms
123456789101112131415161718192021222324252627282930
0 5 10 15 20 25 30s80
100120140160
km/h
dB rms
Radkasten über Lippe
Editors: BMW_Fahrversuche_3d_Standard /mit Lippe/3D_Standard_Drehzahl.pak_flywagner/PAK/MESSDATEN/ BMW_Fahrversuche_20071022 /mit_Lippe_170-100_km_h
BMW FahrversucheA59
Fahrgeschw.
Abb. 4.59: Campbelldiagramme Pos. Radkasten über Lippe, Ausrollen
ohne Lippe
ohne Lippe mit Lippe
mit Lippe
4 Messung und Auswertung der Messdaten
FH DFachhochschule Düsseldorf
Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
69
Die Campbelldiagramme der Messungen mit Staulippe an den Positionen Unterboden
vor Lippe und Radkasten über Lippe unterscheiden sich wie auch bei den
Beschleunigungsfahrten an den gleichen Stellen. Im unteren Frequenzbereich weisen
sie geringfügig höhere Schalldruckpegel auf. Abbildung 4.58 illustriert allerdings im
linken Teilbild in einem Bereich bis 2000 Hz einen allgemein höheren Pegel, wobei
die Drehzahlordnungen im Gegensatz zum rechten Teilbild nicht mehr so deutlich
erkennbar sind. Ein Vergleich der Diagramme in Abbildung 4.59 zeigt einen gewissen
Unterschied bei Frequenzen zwischen 1300 Hz und 1600 Hz. Die Schalldruckpegel
der Messung ohne Staulippe liegen in diesem Frequenzbereich, jedenfalls bei
höheren Drehzahlen bzw. Geschwindigkeiten, niedriger. Umgekehrt sieht es bei
Frequenzen um 900 Hz aus. Hier treten ab einer Drehzahl von ca. 2900 min-1
(entspricht etwa 140 km/h) vermehrt strukturakustische Effekte auf. Auch ist im linken
Teilbild deutlich die 30. Harmonische ab jener Frequenz ausgeprägt. Diese fehlt bei
der Messung mit Lippe gänzlich.
2200 2400 2600 2800 3000 3200 34001/min
0
500
1000
1500
2000Hz
30
40
50
60
70
80
90
100
dBrms
123456789101112131415161718192021222324252627282930
0 5 10 15 20 25 30s110
130150170
km/h
dB
Radkasten über 4
Editors: BMW_Fahrversuche_3d_Standard /ohne Lippe/3D_Standard_Drehzahl.pak_flywagner/PAK/MESSDATEN/ BMW_Fahrversuche_20071022 /ohne_Lippe_außen_innen_170-100_km_h_wd
BMW FahrversucheA59
Fahrgeschw.
2200 2400 2600 2800 3000 3200 34001/min
0
500
1000
1500
2000Hz
30
40
50
60
70
80
90
100
dBrms
123456789101112131415161718192021222324252627282930
0 5 10 15 20 25 30s80
100120140160
km/h
dB rms
Radkasten über 4
Editors: BMW_Fahrversuche_3d_Standard /mit Lippe/3D_Standard_Drehzahl.pak_flywagner/PAK/MESSDATEN/ BMW_Fahrversuche_20071022 /mit_Lippe_170-100_km_h
BMW FahrversucheA59
Fahrgeschw.
Abb. 4.60: Campbelldiagramme Pos. Radkasten über 4, Ausrollen
Ähnliches ist auch bei der Position Radkasten über 4 zu beobachten. Auffällig ist hier
ebenfalls die stark ausgebildete 30. Harmonische bei der Messung ohne Lippe.
Außerdem stechen sowohl der untere Frequenzbereich und der zwischen 800 Hz und
1100 Hz im Gegensatz zum rechten Teilbild deutlicher hervor.
ohne Lippe mit Lippe
4 Messung und Auswertung der Messdaten
FH DFachhochschule Düsseldorf
Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
70
Am auffälligsten bei den Ausrollversuchen ist allerdings der Unterschied der beiden
Fahrzeugkonfigurationen an der Messposition Radkasten hinten (Abbildung 4.61). Die
Schalldruckpegel im tieffrequenten Bereich sind im linken Teilbild wesentlich
dominierender, auch die 30. Harmonische ist sichtbar. Lediglich ab einer Drehzahl
von 3000 min-1 im Bereich von 1500 Hz sind die Pegel mit Staulippe höher.
2200 2400 2600 2800 3000 3200 34001/min
0
500
1000
1500
2000Hz
30
40
50
60
70
80
90
100
dBrms
123456789101112131415161718192021222324252627282930
0 5 10 15 20 25 30s110
130150170
km/h
dB rms
Radkasten hinten
Editors: BMW_Fahrversuche_3d_Standard /ohne Lippe/3D_Standard_Drehzahl.pak_flywagner/PAK/MESSDATEN/ BMW_Fahrversuche_20071022 /ohne_Lippe_außen_innen_170-100_km_h_wd
BMW FahrversucheA59
Fahrgeschw.
2200 2400 2600 2800 3000 3200 34001/min
0
500
1000
1500
2000Hz
30
40
50
60
70
80
90
100
dBrms
123456789101112131415161718192021222324252627282930
0 5 10 15 20 25 30s80
100120140160
km/h
dB
Radkasten hinten
Editors: BMW_Fahrversuche_3d_Standard /mit Lippe/3D_Standard_Drehzahl.pak_flywagner/PAK/MESSDATEN/ BMW_Fahrversuche_20071022 /mit_Lippe_170-100_km_h
BMW FahrversucheA59
Fahrgeschw.
Abb. 4.61: Campbelldiagramme Pos. Radkasten hinten, Ausrollen
Das A-bewertete Innenraumgeräuschspektrum an der Position Kopfstütze ist in
Abbildung 4.62 zu sehen. Wie schon bei den Beschleunigungsfahrten zeigen die
Campbelldiagramme keine signifikanten Unterschiede beider
Fahrzeugkonfigurationen. Strukturakustische Phänomene, wie sie an den übrigen
Positionen zu beobachten sind, treten hier ebenfalls nicht auf. Im Vergleich zu den
Innenraumspektren der Hochfahrt in Abbildung 4.57 erscheinen alle
Drehzahlharmonischen, sowohl für die Messung mit als auch ohne Staulippe, weniger
hervor. Dies hängt damit zusammen, dass der Motor beim Ausrollen zwar
eingekuppelt ist, allerdings nicht unter Last steht. Somit ist nur die 2. Harmonische
einigermaßen sichtbar.
ohne Lippe mit Lippe
4 Messung und Auswertung der Messdaten
FH DFachhochschule Düsseldorf
Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
71
2200 2400 2600 2800 3000 3200 34001/min
0
100
200
300
400
500Hz
0
10
20
30
40
50
60
dBrms
1
2
3
4
5
6
7
89101112130 5 10 15 20 25 30
s110130150170
km/h
dB rms
Kopfstütze
Editors: BMW_Fahrversuche_3d_Standard /ohne Lippe/3D_Standard_Drehzahl.pak_flywagner/PAK/MESSDATEN/ BMW_Fahrversuche_20071022 /ohne_Lippe_außen_innen_170-100_km_h_wd
BMW FahrversucheA59
Fahrgeschw.
2200 2400 2600 2800 3000 3200 34001/min
0
100
200
300
400
500Hz
0
10
20
30
40
50
60
dBrms
1
2
3
4
5
6
7
89101112130 5 10 15 20 25 30
s80100120140160
km/h
dB rms
Kopfstütze
Editors: BMW_Fahrversuche_3d_Standard /mit Lippe/3D_Standard_Drehzahl.pak_flywagner/PAK/MESSDATEN/ BMW_Fahrversuche_20071022 /mit_Lippe_170-100_km_h
BMW FahrversucheA59
Fahrgeschw.
Abb. 4.62: Campbelldiagramme Pos. Kopfstütze (A-bewertet), Ausrollen
ohne Lippe mit Lippe
5 Korrelationsmesstechnik
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Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
72
5 Korrelationsmesstechnik Im Allgemeinen stellt eine Korrelation die Beziehung von zwei oder mehr statistischen
Variablen dar. Sie ist ein Maß für die Ähnlichkeit der zu untersuchenden Funktionen.
Als Beispiel sollen hier die an zwei unterschiedlichen Orten gemessenen
Druckschwankungen genannt sein. Zu beachten ist jedoch, dass nicht zwangsläufig
eine der Größen die andere kausal beeinflusst oder generell irgendein kausaler
Zusammenhang besteht.
Man unterscheidet in der Korrelationsmesstechnik zwei sich ähnelnde Methoden.
Zum einen können stark verrauschte, periodische Signale mit Hilfe der
Autokorrelation noch recht genau gemessen und analysiert werden, zum anderen
stellt die Kreuzkorrelation ein wirksames Mittel zur Untersuchung von
Übertragungswegen und zur Ortung von Geräuschquellen dar. Liegen zwei Signale
im Zeitbereich vor können so Aussagen über die strukturelle Ähnlichkeit beider
Signale getroffen werden.
Abb. 5.1: annähernd identischer Verlauf
In Abbildung 5.1 ist anschaulich dargestellt, dass der Mittelwert des Produktes der
Momentanwerte beider Signale x(t) und y(t) einen Zusammenhang liefert, solange
diese Zusammenhänge zu jeweils gleichen Zeitpunkten bestehen.
Abb. 5.2: zeitverschobene Signale
5 Korrelationsmesstechnik
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Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
73
Sehr häufig treten allerdings Zeitverläufe wie in Abbildung 5.2 gezeigt auf. Hier ist
zunächst keine Korrelation beider Signale zu erkennen. Allerdings lassen sich mit
Hilfe der Kreuzkorrelationsfunktion auch zeitverschobene Beziehungen ermitteln, d.h.
Zusammenhänge zwischen x(t) und y(t±τ). Genau diese Art der Korrelation ist für den
Vergleich der gemessenen Signale im Radkasten und Innenraum von Bedeutung.
Mathematisch lassen sich die genannten Zusammenhänge der Korrelationsanalyse
folgendermaßen beschreiben:
komplexe Fouriertransformation
∫−
⋅=T
T
tj dtethh ωω )()( 11
Spektraldichte (Fouriertransformierte der Autokorrelationsfunktion)
tdedtthtthTT
hhS tjT
ˆ)()ˆ(12
)()()( ˆ
011
*11
11ωωωω ⋅⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡⋅+=
⋅= ∫ ∫
+∞
∞−
Kreuzspektraldichte (Fouriertransformierte der Kreuzkorrelationsfunktion)
tdedtthtthTT
hhS tjT
ˆ)()ˆ(12
)()()( ˆ
021
*21
12ωωωω ⋅⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡⋅+=
⋅= ∫ ∫
+∞
∞−
reelle Kohärenzfunktion
)()()()()(
2211
*12122
ωωωωωγ
SSSS⋅⋅
=
Die reelle Kohärenzfunktion )(2 ωγ gibt den quantitativen Zusammenhang zweier
Signale im Frequenzbereich an. Hierbei ist die Kreuzspektraldichte mit der
Gl. 5.1
Gl. 5.4
Gl. 5.3
Gl. 5.2
5 Korrelationsmesstechnik
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Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
74
Spektraldichte der beiden Signale normiert, so dass die Kohärenzfunktion nur Werte
zwischen 0 und 1 annehmen kann. Durch genügend häufige Mittelung der
Kohärenzfunktion werden die in beiden Signalen dominierend vorkommenden
Signalanteile hervorgehoben; abgeschwächt werden diese, die nur in einem Signal
existieren /8/. Dies ist leicht anhand der Gleichung 5.3 für die Kreuzspektraldichte zu
sehen. Die nicht gemeinsamen Signalanteile gehen hier nur linear ein und mitteln sich
somit heraus. Die Anteile, die in der jeweiligen Spektraldichte quadratisch
Berücksichtigung finden, mitteln sich entsprechen nicht heraus.
Da bei der Berechnung des Kreuzleistungsspektrums die FFT-Daten des ersten
Kanals mit den konjugiert komplexen FFT-Daten des zweiten Kanals multipliziert
werden, erhält man im Gegensatz zum Autoleistungsspektrum eine Aussage über die
Phaseninformation. Trägt man diese über die Frequenz auf, lassen sich zusätzlich
Aussagen über die Schallausbreitung und Schallrichtung treffen. Konkret bedeutet
das für die Untersuchungen im Radkasten, dass sich anhand des Phasengradienten
feststellen lässt, ob sich der Schall von Kanal A nach B oder umgekehrt ausbreitet.
Ein positiver Phasengradient entspricht in diesem Fall einem Schalleinfall von hinten.
Aus der Steigung des Phasengradienten lässt sich des Weiteren die Art der
Schallausbreitung ableiten. Eine Unterscheidung von akustischen und turbulenten
(strömungsbedingten) Druckschwankungen innerhalb einzelner Frequenzbereiche ist
somit anhand des Phasenspektrums möglich.
5.1 Korrelation der Messdaten (Referenz: Innenraummikrofone)
Im Folgenden sollen die Messdaten entsprechend dem oben genannten
Zusammenhang der Korrelationsanalyse ausgewertet werden. Hierbei werden die
aufgenommenen Signale im Innenraum mit denen an der Außenseite bzw. im
Radkasten korreliert. Zunächst werden die Kreuz- und Phasenspektren einiger außen
liegenden Messpositionen (Messung ohne Lippe in rot, Messung mit Lippe in blau)
mit dem als Referenzkanal gewähltem Signal im Fußraum und an der Kopfstütze
(Messkanal 8 und 9) dargestellt.
5 Korrelationsmesstechnik
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Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
75
Kohärenz- und Phasenspektrum (Referenzkanal 8: Fußraum)
0 500 1000 1500 2000 [Hz]0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
[.]
0 500 1000 1500 2000 [Hz]-200
-100
0
100
200
[deg]
Unterboden vor_Lippe (mit_Lippe_150_km_h_na_CPS_Ref8 )Kreuz-Ref.kanal: Fußraum (mit_Lippe_150_km_h_na_CPS_Ref8 )
Kohärenz
Phase
0 500 1000 1500 2000 [Hz]0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
[.]
0 500 1000 1500 2000 [Hz]-200
-100
0
100
200
[deg]
Radkasten über 2 (mit_Lippe_150_km_h_na_CPS_Ref8 )Kreuz-Ref.kanal: Fußraum (mit_Lippe_150_km_h_na_CPS_Ref8 )
Kohärenz
Phase
0 500 1000 1500 2000 [Hz]0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
[.]
0 500 1000 1500 2000 [Hz]-200
-100
0
100
200
[deg]
Radkasten hinten (mit_Lippe_150_km_h_na_CPS_Ref8 )Kreuz-Ref.kanal: Fußraum (mit_Lippe_150_km_h_na_CPS_Ref8 )
Kohärenz
Phase
5 Korrelationsmesstechnik
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Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
76
Kohärenz- und Phasenspektrum (Referenzkanal 9: Kopfstütze)
0 500 1000 1500 2000 [Hz]0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
[.]
0 500 1000 1500 2000 [Hz]-200
-100
0
100
200
[deg]
Unterboden vor_Lippe (mit_Lippe_150_km_h_na_CPS_Ref9 )Kreuz-Ref.kanal: Kopfstütze (mit_Lippe_150_km_h_na_CPS_Ref9 )
Kohärenz
Phase
0 500 1000 1500 2000 [Hz]0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
[.]
0 500 1000 1500 2000 [Hz]-200
-100
0
100
200
[deg]
Radkasten über 2 (mit_Lippe_150_km_h_na_CPS_Ref9 )Kreuz-Ref.kanal: Kopfstütze (mit_Lippe_150_km_h_na_CPS_Ref9 )
Kohärenz
Phase
0 500 1000 1500 2000 [Hz]0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
[.]
0 500 1000 1500 2000 [Hz]-200
-100
0
100
200
[deg]
Radkasten hinten (mit_Lippe_150_km_h_na_CPS_Ref9 )Kreuz-Ref.kanal: Kopfstütze (mit_Lippe_150_km_h_na_CPS_Ref9 )
Kohärenz
Phase
5 Korrelationsmesstechnik
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Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
77
Ein Vergleich der Spektren zeigt eine gewisse Ähnlichkeit sowohl für den Messkanal
8 als auch 9. Die Kohärenzen im unteren Frequenzbereich gehen gegen null. Ab etwa
800 Hz sind einzelne Frequenzkomponenten bis zu eine Kohärenz von 0,7 zu
erkennen. Anhand der Phasenspektren können bei der Korrelation zwischen Außen-
und Innenraummessungen keine sinnvollen Zusammenhänge ermittelt werden. Dies
hängt mit dem hohen Grad an Übertragungswegen zwischen Radkasten,
Unterboden, Außenhaut und Innenraum zusammen.
5.2 Korrelation der Messdaten (Referenz: Mikrofone im Radkasten)
Eine interessantere Betrachtung liefert die Korrelationsanalyse der
Druckschwankungen im Radkasten untereinander. Zu sehen sind die resultierenden
Kohärenzen und Phasenverläufe der zu korrelierenden Signale des Mikrofons Nr. 3
und 5 (Kreuzreferenzkanal: Radkasten über Lufteinlass bzw. Radkasten über 4) und
Mikrofon Nr. 2 (Radkasten über Lippe) (blau: Messungen mit Lippe, rot: Messungen
ohne Lippe).
0 500 1000 1500 2000 [Hz]0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
[.]
0 500 1000 1500 2000 [Hz]-200
-100
0
100
200
[deg]
Radkasten über Lippe (mit_Lippe_150_km_h_na_CPS_Ref5 )Kreuz-Ref.kanal: Radkasten über 4 (mit_Lippe_150_km_h_na_CPS_Ref5 )
Kohärenz
Phase
Abb. 5.3: Kohärenz- und Phasenspektrum (Ref.-Kan.: Radkasten über 4)
5 Korrelationsmesstechnik
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78
0 500 1000 1500 2000 [Hz]0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
[.]
0 500 1000 1500 2000 [Hz]-200
-100
0
100
200
[deg]
Radkasten über Lippe (mit_Lippe_150_km_h_na_CPS_Ref3 )Kreuz-Ref.kanal: Radkasten über Lufteinlass (mit_Lippe_150_km_h_na_CPS_Ref3 )
Kohärenz
Phase
Abb. 5.4: Kohärenz- und Phasenspektrum (Ref.-Kan.: Radkasten über Lufteinlass)
Im Vergleich zu den Kohärenzspektren der Innenraummessungen treten hier deutlich
mehr gleiche Frequenzanteile auf. Deren Kohärenzen liegen in einem
Frequenzbereich von 700 Hz bis 1600 Hz teilweise bei 0,9. Ein Vergleich der mit und
ohne Staulippe korrelierten Signale zeigt auch hier eindeutige Analogien.
Anhand der in Abb. 5.3 und 5.4 dargestellten Phasenverläufe lassen sich nun die
erwähnten Zusammenhänge der Schallausbreitung näher erläutern. Abbildung 5.5
zeigt hierzu eine Prinzipskizze der Mikrofonanordnung im Radkasten.
Abb. 5.5: Mikrofonanordnung
Durch Kenntnis der Abstände Δx zwischen den einzelnen Mikrofonen ist es nunmehr
möglich, die Art der Schallausbreitung festzustellen.
Referenzmikrofone
Mikrofon Kanal 2
5 3
5 Korrelationsmesstechnik
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79
5.2.1 Schallausbreitung im Radkasten
Die Berechnung der Verzögerungszeit erfolgt anhand der Steigung des
Phasengradienten. In den Abbildungen 5.3 und 5.4 sind diese Bereiche
gekennzeichnet.
Die Verzögerungszeit folgt aus
π
πϕ
ωϕ
2
2360
⋅Δ
⋅°°Δ
=Δ
=f
tverz . Gl. 5.5
Mit tverz und dem Abstand der Mikrofone ergibt sich die Geschwindigkeit zu
verztxv Δ
= Gl. 5.6
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit beträgt für den in Abbildung 5.3 gezeigten Verlauf
mit Δφ° = 360°, Δf = 600 Hz und Δx = 0,52 m in etwa v = 324 m/s
(Schallgeschwindigkeit bei 5°C: 334,5 m/s).
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit für den zweiten Verlauf (Abb. 5.4) beträgt mit Δφ° =
308°, Δf = 102 Hz und Δx = 0,26 m in etwa v = 31 m/s (Fahrgeschwindigkeit: ca. 42
m/s).
Es zeigt sich, dass sich sowohl hohe Ausbreitungsgeschwindigkeiten nahe der
Schallgeschwindigkeit als auch niedrigere, die in etwa im Bereich der
Fahrgeschwindigkeit liegen, ergeben. Ein steiler Phasengradient (Abb. 5.4) bedeutet
hierbei eine bezüglich der Schallgeschwindigkeit langsame Ausbreitung. Sie wird
durch die Strömung selbst, bzw. den turbulenten Druckschwankungen, verursacht.
Hingegen besagt eine geringe Steigung (Abb. 5.3), dass es sich um eine
Geräuschausbreitung im Sinne akustischer Druckschwankungen handelt.
Zudem kann, wie schon eingangs erwähnt, anhand des positiven oder negativen
Phasengradienten die Ausbreitungsrichtung ermittelt werden. Bei einem positiven
Gradient trifft der Schall somit mit einer gewissen Verzögerung am Mikrofon 2 ein. Die
Ausbreitung erfolgt also von hinten, entgegen der äußeren Fahrzeugumströmung.
6 Psychoakustische Gesichtspunkte
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Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
80
6 Psychoakustische Gesichtspunkte
Bei der Beurteilung von Betriebsgeräuschen gehen Hersteller und Kunden derzeit oft
unterschiedliche Wege. Während Ingenieure der Hersteller meist nur die rein
physikalischen Maßstäbe zur Schallanalyse heranziehen, beurteilt der Kunde das
Geräusch mit seinem Gehör. Hierdurch können sich unterschiedliche Beurteilungen
für ein und dasselbe Geräusch ergeben. Aus diesem Grund entstehen zunehmend
Anforderungen an die Produkte, die die akustische Auswirkung unter
gehörbezogenen, psychoakustischen Aspekten bewerten. Im Folgenden werden die
grundlegenden Eigenschaften von psychoakustischen Hörempfindungen für die
Qualitätsbeurteilung von Schallen vorgestellt. (Quelle: Simulation von
Hörempfindungen mit PAK, U. Widmann, Müller-BBM GmbH, Planegg bei München)
Die akustische Wahrnehmung spiegelt die spezifische Wirkung eines
Schallereignisses, die auch als Hörereignis bezeichnet wird, wieder. Sie lässt sich in
verschiedenen Wahrnehmungskomponenten aufteilen, ähnlich der Aufteilung der
Geschmackswahrnehmung in bitter, süß, salzig und sauer. Eine Gegenüberstellung
von Reiz- und Wahrnehmungsgrößen gibt nachstehende Tabelle wieder. (Quelle:
Taschenbuch der Technischen Akustik, Gerhard Müller und Michael Möser, 3.
erweiterte und überarbeitete Auflage, Springer Verlag)
6 Psychoakustische Gesichtspunkte
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81
6.1 Reizgrößen und deren psychoakustische Komponenten
Dominante Reizgrößen Wahrnehmungsgrößen
Schalldruckpegel [dB] Lautheit [sone]
Lautstärkepegel [phon]
Frequenz [Hz] Tonheit [Bark]
Verhältnistonhöhe [mel]
Modulationsgrad [%]
Modulationsfrequenz [Hz] Rauhigkeit [asper]
Frequenz [Hz] Schärfe [acum]
Modulationsgrad [%]
Modulationsfrequenz [Hz] Schwankungsstärke [vacil]
Spektrale Komponenten [dB] Ausgeprägtheit der Tonhöhe
Klanghaftigkeit [dB]
Impulsdauer [s] Subjektive Dauer
Impulshaftigkeit [IU]
Schalldruckpegel [dB]
Frequenz [Hz] Dichte [dasy]
Tab. 6.1: Gegenüberstellung von Reiz- und Wahrnehmungsgrößen
In der linken Spalte der Tabelle sind die dominanten physikalischen Parameter
(Reizgrößen), in der rechten Spalte alle dazugehörigen psychoakustischen
Komponenten der Wahrnehmung aufgelistet. Die zu den jeweiligen Größen
gehörenden Einheiten sind in eckigen Klammern vermerkt. Für die psychoakustische
Untersuchung der aufgenommen Fahrgeräusche sind in diesem Fall lediglich die
Lautheit und die Schärfe von Interesse, die nachfolgend näher erläutert werden. Die
übrigen Wahrnehmungsgrößen spielen hierbei eher eine untergeordnete Rolle und
sollen nicht weiter berücksichtigt werden.
6 Psychoakustische Gesichtspunkte
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82
6.2 Lautheit und Lautstärke
Die Lautheit eines Schallereignisses kann mit hoher Genauigkeit durch das von
Zwicker vorgeschlagene Berechnungsverfahren nach DIN 45631 für stationäre
Geräusche ermittelt und umgesetzt werden. Die Darstellung erfolgt in Sone über
Bark. Eine Gesamtlautheit eines gemessenen Schallereignisses ergibt sich somit aus
der eingeschlossenen Fläche unterhalb der Lautheitsverteilung Sone über den
Terzen (1/3-Terzbänder). Gegenüber einem Terzspektrum wird dabei eine
Verdeckung zu hohen Frequenzen als zusätzlicher Anteil berücksichtigt. Für
instationäre Schalle muss das Lautheitsmodell erweitert werden, da hier zeitliche
Verdeckungseffekte, insbesondere die Nachverdeckung berücksichtig werden
müssen. Das Prüfstandakustiksystem PAK bietet hierzu Möglichkeiten die Lautheit
auch instationärer Schalle in Einklang mit der subjektiven Beurteilung zu bestimmen.
Die Wahrnehmung der Lautstärke hängt von dem Schalldruckpegel, der Frequenz,
der Bandbreite des Schallereignisses und den Verdeckungseffekten ab. Die
frequenzabhängige Lautstärkewahrnehmung des Menschen kann für Töne oder
schmalbandige Geräusche in Abhängigkeit der genannten Faktoren bei der
Pegelbestimmung durch die Kurven gleicher Lautstärke (Abb. 6.2) korrigiert werden.
Nach DIN 1318 besitz der frequenzbewertete Lautstärkepegel Ls die Einheit Phon.
Für breitbandige Geräusche sind zur Ermittlung der Lautstärke Hörversuche
notwendig. Hierbei wird dem Lautstärkepegel ein Zahlenwert zugeordnet, der dem
Schalldruckpegel eines gleich lauten 1 kHz Tones (Sinus) identisch ist.
6 Psychoakustische Gesichtspunkte
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83
Abb. 6.1: Zusammenhang zwischen Sone und Phon (Quelle: Wikipedia.org)
Abbildung 6.1 zeigt die Lautheitsfunktion für einen 1 kHz Ton. Oberhalb von 40 Phon
(bzw. dB) entspricht eine Zunahme von 10 Phon (bzw. dB) einer Verdoppelung der
empfundenen Lautstärke. Unterhalb von 40 Phon ist der Verlauf nicht mehr linear, es
genügen niedrigere Schallpegeldifferenzen zur Verdoppelung der
Lautstärkewahrnehmung. (Quelle: Zwicker 1982, S.81)
Abb. 6.2: Kurven gleicher Lautstärke nach Fletscher/Munson und Robinson/Dadson (Quelle: Wikipedia.org)
6 Psychoakustische Gesichtspunkte
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84
Den Zusammenhang zwischen Lautstärke und Schalldruckpegel für sämtliche
Frequenzen des Hörbereichs geben die Kurven gleicher Lautstärke wieder. Sie
wurden als erstes von H. Fletcher und A. W. Munson 1933 mit sinusförmigen
Einzeltönen aus Mittelwerten einer großen Anzahl von „normalhörenden“ Personen
ermittelt (Abb. 6.2 links). Als Grundlage für den heutigen Standard (ISO 226:2003)
gelten die von Robinson und Dadson 1956 experimentell ermittelten Kurven gleicher
Lautstärke (Abb. 6.2 rechts). Sie veranschaulichen die spektrale Empfindlichkeit des
menschlichen Gehörs. Bei 1 kHz sind der Lautstärke- und der Schalldruckpegel
zahlenmäßig gleich. Die 0 phon Kurve (threshold) entspricht hierbei dem
Frequenzgang der Hörschwelle.
6.2.1 Darstellung der Lautheit Die Darstellung der Lautheit erfolgt, wie oben erwähnt, in Sone über Bark. Die Bark-
Skala ist eine psychoakustische Skala für die wahrgenommene Tonhöhe. Die
Einteilung erfolgt von 0,2 bis 24 Bark. Eine Verdopplung des Bark-Wertes bedeutet
hierbei, dass der Ton doppelt so hoch empfunden wird.
Die Empfindung der Tonhöhe hängt direkt davon ab, an welcher Stelle im Innenohr
Nervenzellen angeregt werden. Im Innenohr wird in der Gehörschnecke die sog.
Basilarmembran durch Schall zum Schwingen angeregt. Es besteht ein linearer
Zusammenhang zwischen dem Abstand der erregten Nervenzellen vom Ende der
Basilarmembran und dem Bark-Wert. Den Zusammenhang zwischen
Basilarmembran, Bark- und Frequenzskala gibt die nachfolgende Grafik wieder
(Quelle: Wikipedia; für weitere Informationen sei hier auf die einschlägige Literatur
verwiesen).
6 Psychoakustische Gesichtspunkte
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85
Abb. 6.3: Zusammenhang zwischen Basilarmembran, Bark- und Frequenzskala (Quelle: Wikipedia.org)
Das Abbilden eines Geräusches auf dieser Membran erfolgt dabei in einzelnen
Bereichen, den sog. Frequenzgruppen. Man unterscheidet 24 solcher Gruppen, die in
Tabelle 6.2 angegeben sind /7/.
Frequenzgruppe (Bark) Mittenfrequenz (Hz) Bandbreite (Hz)
150
100
2150100
3250100
4350100
5450110
6 570 120
7700140
8840150
Frequenzgruppe (Bark) Mittenfrequenz (Hz) Bandbreite (Hz)
91000
160
101170
190
111370
210
121600
240
131850
280
14 2150
320
152500
380
162900
450Frequenzgruppe (Bark) Mittenfrequenz (Hz) Bandbreite (Hz)
173400
550
184000
700
194800
900
2058001100
2170001300
22 8500 1800
23105002500
24135003500
Tab. 6.2: Frequenzgruppen des menschlichen Ohres /13/
Die Folgenden Abbildungen geben die Lautheitsverteilung einiger ausgewählter
Positionen im Radkasten, an der Außenhaut und im Innenraum wieder. Dargestellt ist
die Lautheit in Sone auf der y-Achse und äquivalent zur Frequenzskala die Größe
Bark auf der x-Achse. Zu beachten ist bei dieser Betrachtungsweise, dass die Einheit
der Lautheit als Funktion der Frequenzabhängigkeit Bark als Sone/Bark geführt wird,
was dimensionell zwar richtig ist, allerdings als verwirrend empfunden werden kann,
da Sone und Bark keine Einheiten im Sinne üblicher Dimensionen darstellen.
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BMW_Fahrversuche_20071022/mit_Lippe_150_na_psy Spez. Lautheit Radkasten über Lippe BMW_Fahrversuche_20071022/ohne_Lippe_150_na_psy Spez. Lautheit Radkasten über Lippe BMW_Fahrversuche_20071022/mit_Lippe_100_na_psy Spez. Lautheit Radkasten über Lippe BMW_Fahrversuche_20071022/ohne_Lippe_100_na_psy Spez. Lautheit Radkasten über Lippe
Abb. 6.4: psychoakustische Bewertung der Pos. Radkasten über Lippe für zwei Geschwindigkeiten
Die Abbildungen 6.4 bis 6.9 veranschaulichen die Lautheitsverteilung für zwei
unterschiedliche Geschwindigkeiten (blau / grün: 100 km/h; schwarz / rot: 150 km/h)
sowohl mit als auch ohne Staulippe. Es zeigt sich, dass neben der herkömmlichen
Bewertung von Geräuschen unter Benutzung des Schalldruckpegels mit Hilfe von
psychoakustischen Größen eine Quantifizierung der durch die Staulippe erzeugten
Effekte zwar möglich ist, ob eine Beurteilung von strömungsinduzierten Geräuschen
allerdings sinnvoll ist, bleibt zu bezweifeln.
Bei Auswertung der Messposition Radkasten über Lippe fällt auf, dass über den
gesamten Frequenzgruppenbereich bei beiden Geschwindigkeiten die
psychoakustische Lautstärke (Lautheit) der Konfiguration mit Lippe überwiegt. Anders
sieht es bei den Messpositionen Radkasten über 2 und 4 aus (Abbildung 6.5 und 6.6).
Hier dominieren zunächst die Lautheiten ohne Lippe (Kurve schwarz und blau) bis
etwa 5 bzw. 7 Bark. Ab hier wechselt diese Dominanz bis sich die Kurven bei ca. 15
Bark wieder angleichen.
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BMW_Fahrversuche_20071022/mit_Lippe_150_na_psy Spez. Lautheit Radkasten über 2 BMW_Fahrversuche_20071022/ohne_Lippe_150_na_psy Spez. Lautheit Radkasten über 2 BMW_Fahrversuche_20071022/mit_Lippe_100_na_psy Spez. Lautheit Radkasten über 2 BMW_Fahrversuche_20071022/ohne_Lippe_100_na_psy Spez. Lautheit Radkasten über 2
Abb. 6.5: psychoakustische Bewertung der Pos. Radkasten über 2 für zwei Geschwindigkeiten
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BMW_Fahrversuche_20071022/mit_Lippe_150_na_psy Spez. Lautheit Radkasten über 4 BMW_Fahrversuche_20071022/ohne_Lippe_150_na_psy Spez. Lautheit Radkasten über 4 BMW_Fahrversuche_20071022/mit_Lippe_100_na_psy Spez. Lautheit Radkasten über 4 BMW_Fahrversuche_20071022/ohne_Lippe_100_na_psy Spez. Lautheit Radkasten über 4
Abb. 6.6: psychoakustische Bewertung der Pos. Radkasten über 4 für zwei Geschwindigkeiten
6 Psychoakustische Gesichtspunkte
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88
Für die Messposition Außenhaut zeigt Abbildung 6.7 unter Berücksichtigung der
Messgenauigkeit und der Reproduzierbarkeit einen nahezu identischen Verlauf der
Lautheitsverteilung. Auffällig hierbei ist, dass die psychoakustische Lautstärke in etwa
doppelt so hohe Werte liefert als das bei den Positionen im Radkasten der Fall ist.
Der Anbau der Staulippe führt also zu keiner nennenswerten Abweichung der
spezifischen Lautheit in diesem Bereich des Fahrzeuges.
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BMW_Fahrversuche_20071022/mit_Lippe_150_na_psy Spez. Lautheit Außenhaut BMW_Fahrversuche_20071022/ohne_Lippe_150_na_psy Spez. Lautheit Außenhaut BMW_Fahrversuche_20071022/mit_Lippe_100_na_psy Spez. Lautheit Außenhaut BMW_Fahrversuche_20071022/ohne_Lippe_100_na_psy Spez. Lautheit Außenhaut
Abb. 6.7: psychoakustische Bewertung der Pos. Außenhaut für zwei Geschwindigkeiten
Ähnliches ist an den Positionen Fußraum und Kopfstütze ebenfalls zu sehen. Der
Einfluss der Staulippe zeigt auch hier keinen bedeutsamen Unterschied auf die
Lautheit im Innenraum des Fahrzeuges. Es bleibt hingegen festzustellen, dass die
Lautheit im Bereich des Fußraumes um etwa 2 bis 3 Sone höher liegt als das an der
Kopfstütze der Fall ist.
6 Psychoakustische Gesichtspunkte
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BMW_Fahrversuche_20071022/mit_Lippe_150_na_psy Spez. Lautheit Fußraum BMW_Fahrversuche_20071022/ohne_Lippe_150_na_psy Spez. Lautheit Fußraum BMW_Fahrversuche_20071022/mit_Lippe_100_na_psy Spez. Lautheit Fußraum BMW_Fahrversuche_20071022/ohne_Lippe_100_na_psy Spez. Lautheit Fußraum
Abb. 6.8: psychoakustische Bewertung der Pos. Fußraum für zwei Geschwindigkeiten
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Wagner 31.03.2008 16:38:43 h
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BMW_Fahrversuche_20071022/mit_Lippe_150_na_psy Spez. Lautheit Kopfstütze BMW_Fahrversuche_20071022/ohne_Lippe_150_na_psy Spez. Lautheit Kopfstütze BMW_Fahrversuche_20071022/mit_Lippe_100_na_psy Spez. Lautheit Kopfstütze BMW_Fahrversuche_20071022/ohne_Lippe_100_na_psy Spez. Lautheit Kopfstütze
Abb. 6.9: psychoakustische Bewertung der Pos. Kopfstütze für zwei Geschwindigkeiten
6 Psychoakustische Gesichtspunkte
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90
6.3 Schärfe
Die Schärfe stellt einen wesentlichen Teil der Klangfarbe dar. Sie besitzt die Einheit
acum. Definitionsgemäß wird der Schärfe eines Schmalbandrauschens mit der
Mittenfrequenz 1 kHz und einem Pegel von 60 dB eine Schärfe von 1 acum
zugeordnet. Die Abhängigkeit der Schärfe von der Mittenfrequenz eines
Schmalbandrauschens ist in Abbildung 6.10 dargestellt und gibt eine wesentliche
Empfindungsfunktion für die Schärfe an. Demnach wächst die Schärfe mit
wachsender Mittenfrequenz bei niedrigen Frequenzen weniger als bei hohen
Frequenzen. Ein besonderer Anwendungsfall besteht darin, dass durch Zumischen
bestimmter tieffrequenter Schallanteile die Schärfe von Schallen erniedrigt werden
kann. Nach Widmann steigt hierdurch zwar die Lautheit geringfügig an, doch wird
häufig das Klangbild durch die geringere Schärfe bevorzugt.
Abb. 6.10: Abhängigkeit der Schärfe von der Mittenfrequenz
Abbildung 6.10 gibt die Schärfe von Schmalbandrauschen (durchgezogen),
Tiefpassrauschen (punktiert) und Hochpassrauschen (gestrichelt) als Funktion der
Mittenfrequenz fm, der oberen Grenzfrequenz fgo, bzw. der unteren Grenzfrequnz fgu
an. (Quelle: Zwicker 1982, S. 84)
7 Aerodynamische Vorgänge an Rädern und Radhäusern
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Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
91
7 Aerodynamische Vorgänge an Rädern und Radhäusern
Die Untersuchung von aerodynamischen sowie aeroakustischen Vorgängen an
Rädern und Radhäusern erlangte erst in den letzten Jahren an Bedeutung. Der in
diesem Bereich hohe Grad an Hohlräumen, kantigen Lenkern und abgestellten
Blechen führen zu stark unebenen, zerklüfteten Flächen, die nicht nur einen
erheblichen Strömungswiderstand verursachen (nach Garrone & Masoero (1986) sind
Räder, Radhäuser und Unterboden für einen PKW mit cW ≈ 0,3 etwa für gut die Hälfte
des Lustwiderstandes verantwortlich), sondern auch in hohem Maße eine Quelle für
Strömungsgeräusche offenbaren. Gerade der Widerstand des Rades im Radhaus
stellt strömungstechnisch gesehen ein interessantes Gebiet dar. Das Rad und der
Reifen selbst bilden einen stumpfen Körper, der während der Fahrt schiebend
angeströmt wird. Die Durchströmung des Radhauses ist zudem stark verwirbelt
(turbulent), die Reynoldszahl beträgt hier bei Geschwindigkeiten über 100 km/h mehr
als 1 x 106 /14/.
Um das direkte Anströmen der Reifen zu vermeiden bzw. zu verringern und dadurch
eine bessere Umströmung dieser Region zu erhalten wurde seitens BMW und
anderen Automobilherstellern die schon mehrfach erwähnte Staulippe angebracht.
Mehrere Konfigurationen dieses Bauteils wurden in der Vergangenheit konstruiert und
schließlich verbaut. Die heutige Ausführung, die auch an dem Versuchsfahrzeug
installiert war, deckt die gesamte Tiefe der vorderen Radhäuser ab. An den hinteren
ist sie nur ca. 200 mm lang, was in etwa der Reifenbreite entspricht.
Der Theorie nach beschreibt Wolf-Heinrich Hucho in seinem Buch „Aerodynamik des
Automobils“ auch die strömungstechnischen Vorgänge an Reifen und Radhäusern.
Hier wird beispielsweise auf die Unterschiede eines frei angeströmten Rades und
eines am Fahrzeug installiertem eingegangen. Ebenfalls wird diskutiert, in wie weit
sich Abweichungen bezüglich der Größe des Widerstandsbeiwertes bei
verschiedenen Versuchsausbedingungen ergeben, sprich, wie diese im Windkanal
und bei Berechnungen darzustellen sind. Dabei wurden Antworten auf folgende
Fragen gesucht, die auch für die Darstellung der Strömungstopologie von Interesse
sind:
7 Aerodynamische Vorgänge an Rädern und Radhäusern
FH DFachhochschule Düsseldorf
Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
92
• Welcher Fehler wird gemacht, wenn sich das Rad eines Autos bei der
Messung nicht dreht?
• Ist es zulässig, das sich drehende Rad in einem kleinen Abstand über dem
Boden der Messstrecke rotieren zu lassen?
• Müssen die Relativbewegung der Fahrbahn und die Drehung der Räder
unbedingt dargestellt werden?
Auf die Beantwortung der Fragen im Einzelnen soll an dieser Stelle verzichtet
werden, da diese in der o.g. Literatur eingehend behandelt wurden. Es sei lediglich
gesagt, dass die Fahrzeughersteller einen erheblichen Aufwand betreiben, ihre
Windkanäle sowohl für aeroakustische Untersuchungen als auch zur Reproduzierung
der Wechselwirkung zwischen Rad, Straße und Fahrzeug zu optimieren.
Für die in dieser Arbeit durchgeführten CFD-Simulationen wurde darauf geachtet,
nicht nur die Relativbewegung zwischen Straße und Fahrzeug, sondern auch die
Drehbewegung der Räder, entsprechend der zu simulierenden Geschwindigkeit, zu
berücksichtigen, wobei nur ein kleiner Teil des Fahrzeuges (Radkasten und Rad)
schematisch abgebildet wurde.
7.1 Schematischer Strömungsverlauf um einen Reifen im Radkasten
Im Folgenden sollen kurz die Strömungsverläufe, die Hucho in seinem Buch
veröffentlichte, gezeigt werden, um sie später mit den Ergebnissen der CFD-
Simulationen vergleichen zu können.
Abbildung 7.1 illustriert zunächst die Umströmung eines stehenden Rades ohne
Bodeneinfluss bei symmetrischer Zuströmung.
7 Aerodynamische Vorgänge an Rädern und Radhäusern
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Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
93
Abb. 7.1: Umströmung eines stehenden Rades /14/
Deutlich sind die sich an dem höchsten bzw. niedrigsten Punkt der Kontur
ablösenden Längswirbel zu erkennen. Sie ziehen (Bild links unten) von beiden Seiten
her Luft in das Totwassergebiet hinter dem Reifen. Sind allerdings die Schultern des
Reifen rund ausgebildet (rechtes Teilbild), wird die Vorderseite anliegend umströmt.
Dies hat zur Folge, dass sich die entstehenden Längswirbelpaare erst auf der
Rückseite ablösen und ihre Drehrichtung derjenigen der kantigen Schultern
entgegengesetzt ist. Diese Wirbelpaare ziehen Luft von oben und unten in das
Totwassergebiet (Bild rechts unten).
Für den Fall des auf einem Boden stehenden Rades verändert sich die Strömung
dahingehend, dass aufgrund der nun unsymmetrischen Anströmung der Staupunkt
nach unten wandert und es somit am Boden zur Ablösung der Bodengrenzschicht
kommt. Dies hat zur Folge, dass sich um den Reifen, wie in Abbildung 7.2 skizziert,
ein so genannter Hufeisenwirbel, ähnlich der Umströmung eines Gebäudes,
ausbildet. Ob auch das in Abbildung 7.2 gezeigte untere Wirbelpaar entsteht, ist
hierbei ungewiss. Aus der Tatsache, dass auf der Rückseite des auf dem Boden
stehenden Rades keine Wirbelablösung auftritt, lässt sich schließen, dass genau wie
im rechten Teilbild in Abbildung 7.1 die Überströmung nach unten gezogen ist.
7 Aerodynamische Vorgänge an Rädern und Radhäusern
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Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
94
Abb. 7.2: Umströmung um ein sich abrollendes Rad /14/
Für ein sich abrollendes Rad stellt sich nach Fackrell & Harvey (1973) der in
Abbildung 7.3 skizzierte Effekt ein. Die Strömung ist ebenfalls unsymmetrisch
ausgebildet und wird infolge der Zähigkeit in einer dünnen Schicht vom Rad
mitgeschleppt. Diese sehr dünne Schicht bildet sich hinter der Reifenaufstandsfläche
(auch Latsch genannt) bei jeder Umdrehung von neuem mit der Dicke null.
Unmittelbar vor dem Rad bildet sich ein freier Staupunkt, der mit steigender Drehzahl
nach unten wandert. Vor dem höchsten Punkt stellt sich zudem ein freier Ablösepunkt
ein.
Abb. 7.3: Entstehung des "Jetting"-Effektes /14/
7 Aerodynamische Vorgänge an Rädern und Radhäusern
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Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
95
Abgebildet ist ebenfalls die Entstehung des „Jetting“-Effektes, der sich sowohl vor als
auch nach der Reifenaufstandsfläche bildet. Er sorgt dafür, dass die Luft vor der
Vorderkante der Reifenkontaktfläche seitlich herausgepresst wird (Abbildung 7.3 links
unten). Im Zwickel (dreiseitiges Flächenstück, das aus runden und rechteckigen
Formen besteht) hinter dem Reifen wird die Luft durch den hier herrschenden
Unterdruck seitlich hineingezogen und von der Drehbewegung nach oben gefördert.
Setzt man nun das Rad realitätsgetreu in den Radkasten wird die Umströmung
gegenüber dem frei rollenden Rad vollkommen verändert. Nach Fabijanic (1996), der
die Strömung in einem zylindrisch glatten Radhaus abbildete, entstand nachstehende
Skizze.
Abb. 7.4: Strömungslinien in einem zylindrisch glatten Radhaus /14/
Die Strömung wird im vorderen Teil des Radhauses nach oben gezogen und trifft an
der Kante A auf die am Fahrzeugkörper vorbei strömende Luft. An dieser Stelle kann
mit einem sich aufrollenden Längswirbel gerechnet werden, der vermutlich durch die
im Bereich B austretende Luft gestört wird und zu Ablösungen im schraffierten Gebiet
führt.
Anhand der festgestellten Strömungsverläufe der oben dargestellten verschiedenen
Konfigurationen kann folgendes Strömungsfeld um das im Radhaus bei mitbewegtem
Boden abrollende Rad abgeleitet und skizziert werden (Abbildung 7.5).
7 Aerodynamische Vorgänge an Rädern und Radhäusern
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96
Abb. 7.5: skizzierte Längswirbel im Bereich des vorderen Radhauses bei abrollendem Reifen und mitbewegter Straße /14/
7.2 Darstellung der Strömungstopologie durch CFD
Um die Strömungsverhältnisse im Bereich des rotierenden Vorderrades visualisieren
zu können, sind sowohl stationäre wie auch transiente CFD (Computational Fluid
Dynamics) Berechnungen mit dem Simulationstool ANSYS CFX durchgeführt
worden. Bekanntermaßen gibt es eine Reihe von verschiedenen
Berechnungsverfahren, die für ein und denselben Strömungsvorgang zu stark
unterschiedlichen Ergebnissen führen. Da dem Lösen von Differentialgleichungen
eine Diskretisierung bzw. ein Meshing des zunächst kontinuierlich definierten
geometrischen Bauteils zuvorkommt, stellt dieser Algorithmus eine der wichtigsten
Aufgaben eines solchen Berechnungstools dar. Die Netzgenerierung des unter
Autodesk Inventor 10 erzeugten Geometriemodells des vorderen linken Radkastens
erfolgte mit dem in ANSYS CFX implementierten automatischen CFX Vernetzer.
Durch geringfügige Änderungen der Einstellungen lassen sich mit diesem Tool die
Kantenlängen und Knotenabstände der gewünschten Netzqualität anpassen. Hierbei
muss natürlich auch die verfügbare Rechenkapazität für eine wirtschaftliche
Simulationsdauer beachtet werden. Die Simulationen wurden auf einer Workstation
mit einem 64 bit Dual Core Prozessor und einem Arbeitsspeicher von 8 Gigabyte
gemäß Ansys Spezifikation für 64 bit Desktopsysteme durchgeführt. (Quelle:
7 Aerodynamische Vorgänge an Rädern und Radhäusern
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http://www1.ansys.com//cgi-bin/HardwareSupport/recommended/recommended.html)
Die durchschnittliche Rechendauer für eine stationäre Strömungssimulation (ca.
611.000 Knoten, ca. 3.050.000 Elemente *) belief sich auf etwa 2,5 Stunden. Für die
Berechnung eines transienten Strömungsvorganges erhöhte sich die Zeit auf etwa
neun Stunden.
7.3 Vom Simulationsaufbau über die Simulation zur Auswertung
Generell lässt sich eine Strömungssimulation in folgende vier Arbeitsschritte
unterteilen, die im Folgenden kurz erläutert werden:
Modellbildung
Vernetzung
Strömungsberechnung
Auswertung der Simulationsergebnisse
Unter der Modellbildung versteht man das Abbilden von Teilstücken der Realität, um
z.B. Aussagen über deren Verhalten in der Wirklichkeit treffen zu können. Die
Modellbildung stellt hierbei eine Abstraktion der Realität dar, weil diese in den
meisten Fällen zu komplex ist, um sie genau abzubilden. Daher macht es Sinn,
lediglich die wesentlichen Einflussfaktoren zu identifizieren und zu modellieren, die für
den betrachteten Prozess relevant sind. Das abgebildete Modell ist also nicht exakt,
sondern es muss genau genug sein.
* Die Anzahl der Elemente ist hier größer als die Anzahl der Knoten, da sich die einzelnen Volumenelemente, wie sie hier durch Tetraeder-, Pyramiden- und Prismenelementen gebildet werden, Knotenpunkte teilen. Ein Knotenpunkt bildet also die Ecke mehrerer angrenzender Volumenelementen.
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Für den konkreten Fall der Modellierung des Radkastens bedeutet das ein Wegfallen
von geometrischen Details, die für die Strömungssimulation nicht von
ausschlaggebender Bedeutung sind. Dies sind zum Beispiel alle Radaufhängungen,
sowie Querlenker und Bremskomponenten, die zu einer zu komplexen Geometrie
geführt hätten. Ebenfalls wurden starke Vereinfachungen im Bezug auf die
Ausbildung des Radhauses selbst und die Unterbodenbeschaffenheit getroffen. Da
sowohl der linke als auch der rechte Radkasten nahezu die gleiche geometrische
Form besitzt, konnte hierbei zur Reduzierung des Rechenvorganges diese
Symmetrieeigenschaft ausgenutzt werden.
Der nächste Schritt besteht darin, das in ANSYS importierte Modell sinnvoll zu
vernetzen, um alle strömungsrelevanten Effekte mit zu berücksichtigen. Da das
Softwarepaket ANSYS 11 bereits ein sehr gutes, für Strömungsprobleme optimiertes,
automatisches Vernetzungstool CFX-Mesh beinhaltet, wurde dieses verwendet und
auf weitere Softwarevernetzer verzichtet. CFX-Mesh erzeugt mit nur wenigen
Benutzereingaben ein qualitativ hochwertiges, unstrukturiertes Rechengitter mit
Tetra-, Prismen- und Pyramiden-Elementen.
Bevor nun die eigentliche Strömungsberechnung gestartet werden kann, müssen
zunächst wichtige Definitionen im CFX-Pre vorgenommen werden. Hierzu zählen die
Eingabe von Stoffdaten, Randbedingungen und Solverparametern. Nachstehende
Abbildung zeigt die implementierten Randbedingungen.
Abb. 7.6: Randbedingungen für die Simulation
ω = 21,6 Hz
cUnterboden = 0 km/h
cRadhaus = 0 km/h
cStraße = 150 km/h
c∞ = 150 km/h
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7.4 Ergebnisse der Strömungssimulationen mit und ohne Staulippe
Die Ergebnisse der Strömungssimulationen können direkt im Anschluss der
Berechnung im CFX-Postprozessor visuell dargestellt werden. Das Erzeugen von
einfachen Vectorplots und Strömungslinien lässt sich ohne weiteres durchführen. Die
folgenden Abbildungen zeigen die Strömungstopologie im und um den Radkasten im
Vergleich. Um eine möglichst feine Auflösung des Strömungsverhaltens zu erhalten,
wurden die stationären wie auch die instationären Berechnungen mit einem aus rund
3 Millionen Elementen bestehenden Netz vorgenommen. Zur Berechnung kam ein
sog. Hybrid-Verfahren zum Einsatz, welches sowohl die wandnahen Effekte in
Kombination mit einer entsprechenden Netzverfeinerung an den Wandgrenzschichten
berücksichtigt als auch den Charakter der Hauptströmung mit Hilfe der Large-Eddy
Simulation erfasst.
Zunächst werden die Geschwindigkeitsverteilungen an einzelnen ausgewählten
Positionen im Relativsystem, d.h. aus der Sicht eines sich mit dem Fahrzeug
bewegten Beobachters, betrachtet. Der Grenzschichteinfluss des Unterbodens ist hier
unter Berücksichtigung des Rechengitters und der Randbedingungen aufgezeigt.
Abb. 7.7: Vernetzung mit unstrukturiertem und strukturiertem Gitter
Tetrahedral (unstructed) volume mesh
Inflated (structured) volume mesh
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100
Mit Hilfe der Funktion Inflation ist es möglich, markante Bereiche für die Simulation
von Grenzschichteinflüssen zu optimieren. Dem ansonsten unstrukturierten Gitter
kann ein strukturiertes Gitter (Rechteckelemente) wie in Abbildung 7.7 angegliedert
werden. Weitere Parameter, wie beispielsweise die Größe der einzelnen Elemente,
können hierzu angegeben werden. Folgende Abbildungen geben einen Eindruck,
welche Geschwindigkeitsprofile sich nach denen in Abbildung 7.6 und 7.7 gezeigten
Randbedingungen und Gittereigenschaften einstellen.
Abb. 7.8: Geschwindigkeitsprofile an unterschiedlichen Positionen
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Das obere Teilbild zeigt das Geschwindigkeitsprofil (Vektorplot) an sechs
unterschiedlichen Positionen. An der ersten Position (Region: Einlass) ist kein
Einfluss der Grenzschicht zu erkennen. Das Geschwindigkeitsprofil ist gleichmäßig.
Anders sieht es bereits nach zehn Zentimetern in Strömungsrichtung aus. An dieser
Stelle ist der Einfluss deutlich sichtbar. Nahe dem Unterboden hat die Strömung
bedingt durch die Wandhaftung nur eine geringe bzw. gar keine
Geschwindigkeitskomponente in x-Richtung. Zu beachten ist, dass der
Geschwindigkeitsbereich hier lediglich von 30 m/s bis 42 m/s (Ausnahme: rechtes
Teilbild) reicht, um auch kleine Änderungen sichtbar zu machen. In ähnlicher Weise
verhält sich die Strömung auch in den weiter hinten gelegenen Positionen. An den
Stellen, wo die Strömung keine Beschleunigung erfährt, herrscht durchweg
Anströmgeschwindigkeit. Dies ist auch in unmittelbarer Straßennähe der Fall. Kurz
hinter der Reifenaufstandsfläche stellt sich, bedingt durch den hier vorliegenden
Unterdruck, sogar eine rückwärts gerichtete Strömung ein. Nachstehende Abbildung
zeigt das hierdurch entstehende Wirbelgebiet direkt hinter der Reifenaufstandsfläche
sowie den seitlich ausgebildeten Längswirbel.
Abb. 7.9: wirbelbehaftete Gebiete hinter der Reifenaufstandsfläche
seitlicher Längswirbel
Wirbelgebiet unmittelbar hinter Reifenaufstandsfläche
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Für ein tieferes Verständnis der Gegebenheiten im Bereich des Radkasten können
Gebiete durch die dort herrschende Wirbelzähigkeit (Eddy Viscosity) bzw.
Wirbelviskosität aufgezeigt werden. Sie berücksichtigt den gegenüber der laminaren
reibungsbehafteten Strömung größeren Energiebedarf in den Wirbeln und beim
Wirbelzerfall. Die Wirbelzähigkeit ist somit im Gegensatz zur kinematischen Viskosität
kein Stoffbeiwert, sondern ein von der Turbulenzstruktur abhängiger Parameter.
Abb. 7.10: Wirbelzähigkeit untere Grenze Radkasten
Abb. 7.11: Wirbelzähigkeit unterer Bereich Radkasten
Abb. 7.12: Wirbelzähigkeit mittlerer Bereich Radkasten
mit Lippe
mit Lippe
mit Lippe
ohne Lippe
ohne Lippe
ohne Lippe
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103
Im unteren Grenzbereich des Radkastens ist die Wirbelzähigkeit bei der Konfiguration
mit Lippe deutlich erkennbar. Je weiter man sich jedoch nach oben bewegt, nimmt
diese Größe zahlenmäßig ab. In den rechten Teilbildern nimmt sie hingegen zu.
Außerdem befindet sich der Bereich, in dem die Wirbelzähigkeit ihre höchsten Werte
annimmt, recht nahe an der Radhauswand. Die Simulation mit Staulippe zeigt hier
einen gewissen Puffer. Die in den vorherigen Kapiteln dargestellten
Frequenzspektren für den Bereich „Radkasten hinten“ zeigten eine deutliche
Erhöhung der Druckschwankungen im Frequenzbereich bis 1 kHz. Angesichts dieser
Erkenntnis lässt sich ein Zusammenhang zwischen aufgezeichneten
Druckschwankungen und simulierter Turbulenzstruktur (Wirbelviskosität) vermuten.
Die folgenden Abbildungen geben einen Eindruck über die Geschwindigkeiten in den
drei Raumrichtungen.
7.4.1 Geschwindigkeitsverteilung in y-Richtung
Abb. 7.13: Geschwindigkeitsverteilung in y-Richtung (2 cm über Straße)
Abb. 7.14: Geschwindigkeitsverteilung in y-Richtung (5 cm über Straße)
mit Lippe ohne Lippe
mit Lippe ohne Lippe
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Abb. 7.15. Geschwindigkeitsverteilung in y-Richtung (10 cm über Straße)
Abb. 7.16: Geschwindigkeitsverteilung in y-Richtung (15 cm über Straße)
Abb. 7.17: Beispiel Hitzdrahtmessung am Unterboden (Geschwindigkeitsverteilung) /1/
mit Lippe
mit Lippe
ohne Lippe
ohne Lippe
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7.4.2 Geschwindigkeitsverteilung in x-Richtung
Abb. 7.18: Geschwindigkeitsverteilung in x-Richtung (direkt hinter Staulippe)
Abb. 7.19: Geschwindigkeitsverteilung in x-Richtung (20 cm hinter Staulippe)
Abb. 7.20: Geschwindigkeitsverteilung in x-Richtung (40 cm hinter Staulippe)
mit Lippe
mit Lippe
ohne Lippe
ohne Lippe
mit Lippe ohne Lippe
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Abb. 7.21: Geschwindigkeitsverteilung in x-Richtung (60 cm hinter Staulippe)
Abb. 7.22: Geschwindigkeitsverteilung in x-Richtung (80 cm hinter Staulippe)
mit Lippe ohne Lippe
mit Lippe ohne Lippe
Ausbildung eines Längswirbels an Karosserieaußenhaut
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7.4.3 Geschwindigkeitsverteilung in z-Richtung
Abb. 7.23: Geschwindigkeitsverteilung in z-Richtung (Reifen außen)
Abb. 7.24: Geschwindigkeitsverteilung in z-Richtung (Reifen mittig)
Abb. 7.25: Geschwindigkeitsverteilung in z-Richtung (kurz hinterm Reifen)
Die Abbildungen geben die Geschwindigkeitsverteilungen an den jeweils gezeigten
ebenen Schnitten wieder. Deutlich sind die höheren Strömungsgeschwindigkeiten der
mit Lippe
mit Lippe
mit Lippe
ohne Lippe
ohne Lippe
ohne Lippe
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108
linken Teilbilder zu erkennen. Sie entstehen dadurch, dass die Luft im Bereich der
Staulippe einen geringeren Querschnitt zu durchströmen hat und somit beschleunigt
wird. In Abbildung 7.25 ist zu beobachten, dass die Strömung ohne Lippe im Bereich
des Radhauses kurz hinter dem Reifen zwar nicht so stark beschleunigt wird, wie bei
der Konfiguration mit Lippe, allerdings prallt die Strömung mit einer höheren
Geschwindigkeit auf die hintere Kante des Radhauses. Hierdurch entsteht eine
größere Druckbeaufschlagung in diesem Bereich. Die in den Abbildungen 7.11 und
7.12 zahlenmäßig höheren Wirbelzähigkeiten nahe der hinteren Radhauswand
können hiermit in Zusammenhang gebracht werden. Die Wechselwirkung zwischen
fluktuierender Druckbeaufschlagung fester Körper und der dortigen Wirbelzähigkeit
führen vermutlich zu den überhöhten Schalldruckpegeln im Radkasten bei den
Messungen ohne Lippe.
Abb. 7.26: 3D Streamlines der Geschwindigkeit (kurz vor Lippe)
Abbildung 7.26 zeigt den durch die Staulippe veränderten seitlichen
Strömungsverlauf. Im rechten Teilbild stellt sich eine nahezu symmetrische Verteilung
ein. Die Luft wird gleichermaßen links und rechts um den Reifen gelenkt. Das linke
Teilbild hingegen zeigt einen eher unsymmetrischen Verlauf mit erhöhter
Strömungsgeschwindigkeit. Auffällig ist auch der schon in Abbildung 7.22 zu sehende
seitliche Längswirbel.
mit Lippe ohne Lippe
Ausbildung eines Längswirbels an Karosserieaußenhaut
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7.5 Monitoring von Wirbelstrukturen mittels Q-Kriterium
Den Abbildungen zufolge bilden sich für beide Konfigurationen, mit und ohne
Staulippe, die schon in Kapitel 7.4 erwähnten seitlichen Längswirbel aus. Um diese
Wirbel anschaulich abbilden zu können (monitoring), muss im ANSYS CFX
Postprozessor eine geeignete Größe eingeführt werden. Diese soll in der Lage sein,
sowohl die Stärke eines Wirbels zu beschreiben, als auch Wirbel von parallelen
Scherschichten, z.B. an Wänden, zu unterscheiden. Im Folgenden wird gezeigt, wie
sich eine solche Größe (nach CFX Berlin Q-Kriterium genannt) mit Hilfe von
Scherraten- und Wirbelstärketensor hinreichend genau beschreiben und in ANSYS
CFX implementieren lässt.
Im Allgemeinen wird die Scherung durch den Gradienten der Geschwindigkeit
j
i
xu
zw
zv
zu
yw
yv
yu
xw
xv
xu
u∂∂
=
⎟⎟⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
∂∂
∂∂
∂∂
∂∂
∂∂
∂∂
∂∂
∂∂
∂∂
=∇rv
beschrieben. Dieser kann durch die Beziehung
( )( )TuuS rvrv∇+∇⋅=
21 und ( )( )Tuu rvrv
∇−∇⋅=Ω21
in den symmetrischen Scherratentensor S und den antimetrischen Wirbelstärketensor
Ω überführt werden zu:
Ω+=∇ Surv
Aus diesen beiden Tensoren leitet sich das Q-Kriterium folgendermaßen ab:
( ) 021 22 >−Ω⋅= SQ
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In ausgeschriebener Form ergibt sich Q durch:
( )
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡∂∂
∂∂
+∂∂
∂∂
+∂∂
∂∂
−⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛∂∂
+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂∂
+⎟⎠⎞
⎜⎝⎛∂∂
⋅−=
∂
∂
∂∂⋅−=
−ΩΩ⋅=
yw
zv
zu
xw
yu
xv
zw
yv
xu
xu
xu
SSQ
i
j
j
i
ijijijij
222
21
21
21
In dieser Gleichung für das Q-Kriterium sind die Geschwindigkeitsgradienten zur
Darstellung von Wirbelstrukturen in allen drei Koordinatenrichtungen berücksichtigt.
Folglich kann Q in nachstehender Form direkt als Variable im ANSYS CFX
Postprozessor definiert werden:
Q = -0.5*Velocity u.Gradient X^2-0.5*Velocity v.Gradient Y^2-0.5*Velocity w.Gradient Z^2-Velocity
v.Gradient X*Velocity u.Gradient Y-Velocity w.Gradient X*Velocity u.Gradient Z-Velocity v.Gradient
Z*Velocity w.Gradient Y
Wirbel können somit als Isofläche durch die Variable Q dargestellt werden. Folgende
Abbildungen zeigen die durch Q berechneten Wirbelstrukturen.
mit Lippe ohne Lippe
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111
Abb. 7.27: Monitoring von Wirbelstrukturen mittels Q-Kriterium
Anhand obiger Abbildungen ist deutlich der unterschiedliche Verlauf der sich
ausbildenden Längswirbel zu erkennen. Während im Bereich des Unterbodens sich
an beiden Fahrzeugkonfigurationen der Strömungsverlauf ähnelt, gibt es eine
Diskrepanz an der Außenseite hinter dem Radhaus. Hier bildet sich bei demontiertet
Staulippe ein an der Karosseriehaut nach hinten ausbreitender Längswirbel. Bei der
Simulation mit Staulippe fehlt dieser gänzlich. Vermutlich sorgt das durch die
Staulippe bedingte Umlenken der Luftströmung dafür, dass ein geringerer
Volumenstrom durch den Spalt zwischen Radkastenhaut und Reifen geleitet wird.
Das im nächsten Abschnitt vorgestellte Berechnungsverfahren zum Aufzeigen von
Wirbelstrukturen läuft schematisch etwas anders ab. Die Ergebnisse zeigen aber
einen vergleichbaren Verlauf wie bei der Berechnung mittels Q-Kriterium. Die
Längswirbel sind allerdings etwas breiter ausgeformt.
mit Lippe
mit Lippe
ohne Lippe
ohne Lippe
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7.6 Monitoring von Wirbelstrukturen durch die Helizitätsdichte
Eine andere Möglichkeit zum Monitoring von Wirbeln kann mit Hilfe der
Helizitätsdichte erreicht werden. Hierbei beschreibt der Wirbelvektor (Vorticity-Vector)
die Rotation des Geschwindigkeitsfeldes an einer bestimmten Stelle und lässt sich
über das Vektorprodukt des Nabla-Operators und des Geschwindigkeitsvektors an
dieser Stelle berechnen. Formal läuft die Berechnung nach folgendem Schema ab:
Die Rotation eines Geschwindigkeitsfeldes ωr ist definiert als
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛=
⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
∂∂
−∂∂
∂∂
−∂∂
∂∂
−∂∂
=∂∂
∂∂
∂∂
=×∇=≡ζηξ
ω
yu
xv
xw
zu
zv
yw
wvuzyx
kji
uurot rrr mit ( )wvuu ,,=r .
Das nicht normierte Skalarprodukt des Wirbelvektors ωr und des
Geschwindigkeitsvektors ur ist ein Maß für die lokale Helizität, bzw. Helizitätsdichte h:
ζηξζηξ
ω wvuwvu
uh ++=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛⋅⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛=⋅=
rr
Jetzt kann h in nachstehender Form als zusätzliche Variable in ANSYS CFX
eingeführt werden:
h = Velocity u * (Velocity w.Gradient Y-Velocity v.Gradient Z)+Velocity v * (Velocity u.Gradient Z-Velocity
w.Gradient X)+Velocity w * (Velocity v.Gradient X-Velocity u.Gradient Y)
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Abb. 7.28: Monitoring von Wirbelstrukturen mittels Helizitätsdichte
mit Lippe ohne Lippe
mit Lippe ohne Lippe
mit Lippe ohne Lippe
8 Ausstehende Validierung - Ausblick
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8 Ausstehende Validierung - Ausblick
Die Straßenmessungen haben gezeigt, dass es mit Hilfe von Wandmikrofonen
möglich ist, Druckschwankungen in strömungsbehafteten Gebieten zu messen. Um
einen direkten Vergleich zwischen Straße und Windkanal zu erhalten, wäre es
sinnvoll gewesen, dass soweit instrumentierte Fahrzeug im Anschluss an die realen
Straßenfahrten im Windkanal zu vermessen. So hätten weitere Rückschlüsse auf das
aeroakustische Verhalten des Fahrzeuges bzw. der Staulippe gezogen werden
können.
Obwohl versucht wurde alle Parameter, wie Geschwindigkeit, Fahrbahnbelag und
Verkehrsaufkommen in allen Messungen konstant zu halten, konnte eine
hundertprozentige Reproduzierbarkeit nicht gewährleistet werden. Daher sollte bei
zukünftigen Messungen darauf geachtet werden, dass auch Einflussfaktoren wie z.B.
die Windverhältnisse am Messtag mit berücksichtigt werden. Fahrten auf
abgetrennten Messarealen an ein und demselben Tag sind hierbei zu bevorzugen.
Die CFD Rechnungen zeigten, dass die Staulippe auch an Stellen des Fahrzeuges
einen Einfluss hat, die im Vorhinein nicht direkt abgeschätzt werden konnten.
Demzufolge würden weitere Messungen mit Wandmikrofonen an den markanten
Stellen an der Seitenhaut vermutlich zusätzliche Erkenntnisse liefern. Ferner wäre ein
Vergleich von CFD Rechnungen der hier verwendeten Geometrie mit der
Originalgeometrie des Fahrzeuges für eine Validierung interessant.
9 Zusammenfassung
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die akustische Wirkung der Staulippe
eines 3er BMWs untersucht. Hierzu wurden sowohl reelle Fahrversuche auf
öffentlichen Straßen als auch numerische Berechnungen im Bereich des rotierenden
Vorderrades durchgeführt. Im Vordergrund standen hierbei zum einen die Korrelation
der Druckschwankungen an der Außenseite bzw. im Radkasten mit den Geräuschen
im Fahrzeuginnenraum und zum anderen das Aufzeigen der Strömungstopologie
mittels CFD Rechnungen. Um den Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit sowie den
Entstehungsmechanismus von Geräuschen und strömungsinduzierten Schwingungen
9 Zusammenfassung
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115
bereits im Quellbereich besser verstehen zu können, wurde der PKW mit insgesamt
sieben Wandmikrofonen im Außenbereich und zwei ICP-Mikrofonen im Innenraum
ausgestattet. Die Fahrversuche fanden bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten mit
und ohne Staulippe statt.
Die Auswertung der Messdaten im Innenraum des Fahrzeuges ergab bei
Geschwindigkeiten bis 150 km/h keine nennenswerten Unterschiede beider
Konfigurationen. Lediglich in einem Frequenzband zwischen 450 Hz und 600 Hz bzw.
1200 Hz und 1400 Hz zeigt das Schmalbandspektrum bei den Messungen ohne
Staulippen eine leichte Erhöhung einzelner Frequenzanteile um 3 dB bis 5 dB. Da
diese sich alle 21 Hz (entspricht der Raddrehzahl) wiederholenden Peaks bei den
Messungen mit Lippe nicht vorhanden waren, liegt es nahe, zu vermuten, dass sie
aus der direkten Anströmung des Reifenprofils resultieren. Allerdings sind diese
einzelnen tonalen Komponenten im Innenraum bedingt durch zusätzliche
Geräuschquellen durch das Antriebs- und Rollgeräusch überdeckt und somit nicht
hörbar. Messungen im Aeroakustik Windkanal der BMW Group zeigen hingegen ohne
den Einfluss von Antriebs- und Rollgeräuschen (stehendes Rad, kein bewegter
Unterboden) sowohl an der Fahrerposition als auch im Fondbereich eine merkliche
Verbesserung im tieffrequenten Bereich.
Der Anbau der Staulippe unmittelbar vor dem Radkasten sorgt für eine Umlenkung
der Strömung vom Reifen und Unterboden weg. Aus dieser Strömungsumlenkung
resultieren besonders im Radkasten deutlich unterschiedliche Druckverteilungen, die
zu geringeren Schalldruckpegeln im Frequenzbereich bis 1000 Hz führen. Anders
sieht es an den beiden Messpositionen unmittelbar vor und hinter der Staulippe aus.
Die Staulippe stellt hier ein strömungsmechanisches Hindernis dar, an der sich die
Strömung zunächst staut und an dessen Vorderkante bzw. im Nachlauf sich Wirbel
ablösen. Diese Ablösungen stellen vermutlich den Grund für die höheren
Druckschwankungen in diesem Bereich dar.
Die strömungsakustische Analyse von drehzahlabhängigen Vorgängen zeigt sowohl
für Beschleunigungsfahrten als auch bei Ausrollversuchen nahezu identische
Ergebnisse. Die Drehzahlharmonischen sind bedingt durch die Volllast des Motors bei
einer Beschleunigung im Innenraum deutlicher ausgeprägt und hörbar. Anhand der
9 Zusammenfassung
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116
Campbelldiagramme lässt sich schließen, dass nicht nur drehzahlabhängige Abläufe
sondern auch strukturakustische Effekte im Radkasten für die Geräuschentstehung
von Bedeutung sind. Deutliche Unterschiede der Messungen mit und ohne Staulippe
sind auch hier, zumindest im Bereich des Radhauses, ersichtlich.
Die Betrachtung der Korrelationsanalyse liefert für benachbarte Messpositionen im
Radhaus Kohärenzen, die in einem Frequenzbereich von etwa 700 Hz bis 1700 Hz
teilweise bei 0,9 liegen. Anhand der Phasengradienten lassen sich Rückschlüsse auf
die Art der Schallausbreitung ziehen. Es zeigt sich, dass sich die gemessenen
Druckschwankungen sowohl aus den turbulenten (durch die Strömung selbst) als
auch aus den akustischen Druckschwankungen zusammensetzen. Eine Korrelation
mit den im Innenraum aufgezeichneten Daten führte angesichts der komplexen
Übertragungswege zu keiner sinnvollen Aussage.
Unter Zuhilfenahme der Simulationssoftware ANSYS CFX wurde die
Strömungstopografie um das sich abrollende Rad im Radkasten abgebildet. Die
Staulippe sorgt für ein Umlenken der Strömung. Der Staupunkt verschiebt sich vom
Reifen weiter nach vorne, vor die Lippe. Somit wird ein direktes Anströmen des
Reifenprofils vermieden. Dieser Effekt ist deutlich anhand von Strömungslinien in
diesem Bereich zu erkennen. Es ist allerdings auch möglich, nicht nur die
Geschwindigkeitsverteilung anhand von Strömungslinien und Konturplots
aufzuzeigen, sondern auch Wirbelstrukturen durch geeignete Verrechnungen der
Geschwindigkeitsgradienten zu visualisieren. Die Ergebnisse dieser Verrechnung
zeigen deutliche Analogien zur Theorie nach Hucho. An beiden
Fahrzeugkonfigurationen treten sog. Hufeisenwirbel, ähnlich der Umströmung eines
Gebäudes, auf. Wird bei der Simulation auf den Anbau der Staulippe verzichtet, bildet
sich an der Außenseite, unmittelbar hinter dem Radhaus, ein Längswirbel aus, der
unter Umständen für zusätzliche Fluid-Struktur-Wechselwirkungen sorgt und somit zu
Geräuschen führen kann, die durch die Karosseriehaut in den Innenraum des
Fahrzeuges geleitet werden.
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Forschungsschwerpunkt Strömungsakustik
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