Optimieren von Prüfverfahren für Schall und Schwingung

In Personenkraftwagen sind die hinteren Lautsprecher typischerweise in einer waagerechten Platte, der Heckablage, hinter den Rücksitzen installiert. Ein Automobil-OEM benötigte Unterstützung bei der Untersuchung der niederfrequenten Schwingungseigenschaften der Heckablage und der Entwicklung einer objektiven Metrik für den Einsatz in der Entwicklungsphase zur Minimierung von durch den Lautsprecher verursachten störenden BSR-Geräuschen (Buzz, Squeak and Rattle - Brummen, Quietschen und Klappern). Um die Leistungsunterschiede in dieser Branche zu verstehen und das Erstellen von Zielvorgaben auf Bauteilebene für die zukünftige Produktion zu unterstützen wurden in sechs verschiedenen Fahrzeugen Daten erfasst. Zur Charakterisierung der Modal- und Schwingungseigenschaften der Heckablage in jedem Fahrzeug wurden sowohl unter Betriebsbedingungen (mit Lautsprecher) als auch durch künstliche Anregung (durch einen Impulshammer) erzeugte Daten erfasst. Die dynamische Steifigkeit, Eigenfrequenzen, Formen von Schwingungsmoden und Betriebsschwingformen wurden anhand der Messdaten bestimmt und genutzt, um eine objektive Metrik für durch Lautsprecher in der Heckablage verursachte BSR-Geräusche zu entwickeln.

Blindenorganisationen sind besorgt, dass Fahrzeuge zu leise und dadurch zu einer Gefahr für Fußgänger mit beeinträchtigtem Sehvermögen werden. Zu Beurteilung alternativer Testverfahren für die Bewertung der Wahrnehmbarkeit leiser Fahrzeuge durch Blinde führten wir eine Untersuchung in Zusammenarbeit mit der University of California, Davis durch. An der Juryuntersuchung im Rahmen der National Federation of the Blind of California Conference nahmen auf freiwilliger Basis blinde Veranstaltungsbesucher teil. Ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor wurde zu einem Elektrofahrzeug umgebaut und an jeder Ecke Lautsprecher montiert.

Skizze des Versuchsaufbaus

Beispiel: An blinden Jurymitgliedern vorbeifahrendes Fahrzeug 

Das Fahrzeug wurde drei Mal unter unterschiedlichen Bedingungen an den Freiwilligen vorbeigefahren. Die Testpersonen hoben ihre Hand, wenn sie das Fahrzeug hörten; die Entfernungen von den Testpersonen wurden schriftlich festgehalten. Die Ergebnisse dieser Untersuchung deuten darauf hin, dass der Wegfall der normalen Geräusche von Verbrennungsmaschinen die Fähigkeit blinder Menschen, sich nähernde Fahrzeuge zu unterscheiden, beeinträchtigen kann und dass möglicherweise ein Mechanismus zur Erzeugung eines Ersatzgeräuschs erforderlich ist, um dieses Risiko auszuschließen.

> Investigation into the detection of a quiet vehicle by the blind community (Tagungspapier)

Ein asiatischer OEM für Nutzfahrzeuge musste ein optimiertes Akustikpaket für einen Lkw entwickeln.

 

Wir wurden um Schulung in NVH-Testverfahren und Modellierungsstrategien der Statistischen Energieanalyse (SEA) gebeten. In Zusammenarbeit mit einem CAE-Partner entwickelten und implementierten wir einen Prüfplan zur Zerlegung des Gesamtgeräuschs im Innenraum des Lastwagens in Körperschall- und Luftschall-Beiträge und entwickelten kosten- und leistungsoptimierte Akustikmaßnahmen für den Innenraum.

 Ein Ingenieur des Fahrzeug-OEMs war mit unseren beiden Ingenieuren und dem CAE-Partner für die Dauer des Projekts vor Ort, um in den NVH-Test- und SEA-Verfahren geschult zu werden. Mit Abschluss des Projekts wurden dem Kunden NVH-Ergebnisse, SEA-Modelle und Empfehlungen für die Optimierung des Akustikpakets zur Verfügung gestellt.

> SEA Modeling and Validation of a Truck Cab for Sound Package Optimization (Tagungsbeitrag)
> Optimization of the Sound Package of a Truck using Statistical Energy Analysis (Tagungsbeitrag)

Ein nordamerikanischer Automobil-OEM wollte einen Prüfstand zur Bestimmung der akustischen Übertragungsverluste entwickeln, um die Prüfung einer gesamten Auspuffanlage bis hinunter auf 20 Hz zu ermöglichen.

Ausgehend von einem Impedanzmessrohr des Typs 4206 entwickelten und fertigten wir eine äußerst niederfrequente Geräuschquelle zur Abgabe höherer Schalldruckpegel zum Testen der gesamten Auspuffanlage mit einem guten Frequenzgang bis hinunter auf 20 Hz. Darüber hinaus entwickelten und fertigten wir die für den Anschluss der Auspuffanlage an die Standarddurchmesser von 100 mm und 29 mm des Impedanzmessrohrs erforderlichen Bauteile. Ebenso fertigten wir ein Paar Terminierungselemente mit hinreichend unterschiedlichen Impedanzen, um Prüfungen basierend auf der so-genannten 2-Last-Terminierungsmethode zu ermöglichen. Im Rahmen des Entwicklungsprozesses wurde mithilfe eines einfachen Schalldämpfers als Testobjekt das Prüfsystem validiert. Nach Abschluss der Tests erhielt der OEM eine Schulung für den Betrieb des Prüfstands und kann nun eigenständig Übertragungsverluste messen.

Von einem Automobil-OEM erhielten wir eine Anfrage für die Entwicklung eines Werkzeugs zur Zerlegung und Synthese des Vorbeifahrtgeräuschs. Es wurden Methoden für die Prüfung und Auswertung entwickelt, um das Vorbeifahrtgeräusch auf Fahrzeugebene anhand von auf Bauteilebene erfassten Daten physikalischer und/oder analytischer Quellen abzuschätzen. Die Methoden ermöglichen die Abschätzung der akustischen Gesamtsignatur eines Fahrzeugs in der Vorbeifahrt zusammen mit den Beiträgen jeder der Hauptgeräuschquellen zum gesamten und dominanten Frequenzinhalt. Diese Information kann auf zwei sehr unterschiedliche Weisen genutzt werden: Zum einen zur Abschätzung des Vorbeifahrtgeräuschpegels für neue Konstruktionsalternativen auf Bauteilebene, basierend auf physikalischen Tests und/oder analytischen Vorhersagen. Zum anderen zur Spezifikation einer Zielvorgabe für den Vorbeifahrtgeräuschpegel und Berechnung des erforderlichen Akustikverhaltens für die dominanten Schallquellen.

> Vehicle Pass-by Noise Estimations for Component-Level Design (Tagungspapier)

Ein Automobil-OEM musste das Akustikpaket in seinen Serien-Lkws optimieren und überflüssig gewordene Notlösungen beseitigen, die vor und nach der Markteinführung eingebaut wurden, um die erforderlichen NVH-Eigenschaften zu erreichen.

Zu den Projektzielen gehörten

• die Optimierung des freigegebenen NVH-Pakets, um Verbesserungen bei Kosten und Gewicht zu erzielen, ohne die NVH-Eigenschaften zu beeinträchtigen
• die Entwicklung eines praxisnahen, effizienten und zuverlässigen Prozesses zur Optimierung der Entwicklung von NVH-Paketen durch Integration von Test- und Analysewerkzeugen.

Erreicht wurden die Zielvorgaben durch Entwicklung eines Syntheseprozesses, der es ermöglichte, für alternative NVH-Paket-Konfigurationen Geräuschpegel im Innenraum vorherzusagen. Es erfolgte eine Synthese, mit und ohne Änderungen, der Akustikbeiträge vom Antriebsstrang über bestimmte Übertragungswege in den Kabineninnenraum; dadurch konnte man sich Szenarien mit unterschiedlichen Akustikpaketen anhören und Metriken für die Schallqualität berechnen, um die kostengünstigste Konfiguration zu identifizieren.

 

> SEA Modeling and Validation of a Truck Cab for Sound Package Optimization (Tagungsbeitrag)
> Optimization of the Sound Package of a Truck using Statistical Energy Analysis (Tagungsbeitrag)

 

Ein Fahrzeug-OEM wollte den Einfluss eines Ersatz-Antriebsstrangs in einem Serienfahrzeug auf die Klangqualität bewerten, ohne den Antriebsstrang tatsächlich austauschen zu müssen. Wir setzten einen neuen Prozess auf, der ein experimentelles SPC-Modell des vorhandenen Fahrzeugs und Antriebsstrangs im Zeitbereich nutzte. Dies ermöglichte uns den virtuellen Austausch der Antriebsstränge. Unterschiedliche Motoren konnten virtuell im SPC-Modell implementiert und die Ergebnisse angehört und mit bestehenden Plattformzielvorgaben verglichen werden. Hauptziel des Projekts war die Entwicklung eines den Ingenieuren des OEMs vollkommen offenstehenden Prozesses für Prüfung und Datenauswertung, der das proprietäre, frequenzbasierte Verfahren eines Zulieferers ersetzen sollte. Der neue Prozess ermöglicht die Vorwegnahme schwerwiegender Bedenken hinsichtlich der Klangqualität bei der Integration anderer/neuer Antriebsstränge in Serienfahrzeuge. Das Projekt zeigte auf, dass die SPC-Rekonstruktion des Klangs im Innenraum des Testfahrzeugs mit dem „virtuell“ getauschten Antriebsstrang sowohl im Stillstand als auch beim Anfahren sehr gut mit den Messdaten korreliert und man daher auf die Zuverlässigkeit dieses Ansatzes vertrauen kann, wenn es darum geht abzuschätzen, wie ein anderer Antriebsstrang in derselben Karosserie die Klangqualität beeinflusst.

Referenzpapier

Ein Hersteller von Werkstoffen für Schwingungsdämpfer benötigte Unterstützung bei der Entwicklung eines Testverfahrens zur Bestimmung der Durchlässigkeit seiner Werkstoffproben. Um die Durchlässigkeit eines Schwingungsdämpfers genau messen zu können, muss der Dämpfer mit einer realistischen Last beaufschlagt werden, da die Werkstoffeigenschaften von der statischen Belastung der Probe abhängig sind. Wir entwickelten einen Prüfaufbau zur Messung der Durchlässigkeit bei verschiedenen statischen Belastungen. Zum Messen der Kurven für die Durchlässigkeit verwendeten wir einen modal abgestimmten Impulshammer und Beschleunigungssensoren an den „fixierten“ und „aktiven“ Teilen der Montagevorrichtung. Das entwickelte Verfahren erwies sich als einfache und genaue Vorgehensweise zum Erzeugen von Kurven für die Durchlässigkeit von Werkstoffen für Gummidämpfer.

Ein Medizintechnik-Anbieter wandte sich an uns, um Unterstützung bei der Veränderung von Alarmtönen medizinischer Geräte zu erhalten, die dann formell durch eine Jury getestet werden sollten. Bei der Jurybewertung müssen die Töne so hörbar sein wie in einer realen Umgebung und als ob der Zuhörer sich an bestimmten Stellen im Raum befindet. Die vom Kunden gelieferten Alarmtöne wurden unabhängig von Nebengeräuschen oder der Umgebung aufgezeichnet, daher zielte dieses Projekt auf eine Synthese von Geräuschen ab, die einer realen Umgebung entsprechen. In einer medizinischen Einrichtung wurden Umgebungsgeräusche aufgezeichnet und Impulsantwortfunktionen gemessen. Die Aufzeichnungen aus der Umgebung lieferten den „Hintergrund“ für die Synthese-Geräusche, wobei für jede Aufzeichnung anhand der Impulsantwortfunktionen die Position des Zuhörers im Raum simuliert wurde. Die Synthese der Geräusche wurde genutzt, um für den Kunden eine Playback-Toolbox zu entwickeln, die bei den Jurybewertungen eingesetzt werden konnte.

Eine Tochtergesellschaft eines Automobilbauers von Nutzfahrzeugen und leichten Lkws entschied sich für uns als Anbieter von Unterstützung und Schulungen für Modaltests an Antriebsstrang, Karosserie und Verkleidung. Im Werk des Kunden in China wurden Schwingungsmessungen im Stillstand vorgenommen. Zur Unterstützung der CAE-Korrelationen des Kunden wurden Modaltests von Bauteilen und mehreren Fahrzeugkonfigurationen zusammen mit Messungen der Fahrzeugakustik und haptischen Sensibilität durchgeführt. Der Kunde erhielt von uns Schulungen zu experimentellen Modaltests, sodass er nun mehr tun kann, als lediglich Daten zu Frequenzgangfunktionen zu erfassen. Darüber hinaus ermöglichten die Schulungen dem Kunden eine weitere Unterstützung seiner CAE-Korrelationen auch nach Abschluss dieses Projekts.