[0001] Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verminderung des Geräuschpegels im Innenraum
eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
[0002] Bei einer bekannten Anordnung dieser Art (DE-Al 31 06 029) werden mit Hilfe eines
nahe dem Kopfbereich des Fahrers angeordneten Mikrofons als Geräuschsensor und eines
Lautsprechers unter Verwendung eines Sinus-Generators sinusförmige Schaltsignale mit
einer Frequenz erzeugt, die eine störende Frequenz im Geräuschpegel gerade aufheben
soll.
[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Geräuschpegel im Innenraum eines Fahrzeugs
in einem oder mehreren Frequenzbereich(en), dessen bzw. deren Frequenzen in Zusammenhang
mit den Hohlraumeigenfrequenzen des Innenraums stehen, durch aktive Dämpfung der
Hohlraumeigenschwingungsfrequenzen an allen Orten des Fahrzeuginnenraums zu senken.
[0004] Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des Anspruchs 1.
[0005] Die Ausbildung des Geräuschsensors als Helmholtz-Resonator mit einem darin untergebrachten
Mikrofon gewährleistet eine stabile Regelung und geeignete Filterung des aufgenommenen
Geräuschsignals ohne empfindliche Reaktion auf Veränderungen des akustischen Übertragungsverhaltens
des Fahrzeuginnenraumes, die sich zum Beispiel in Folge Öffnens der Türen, der Fenster
oder des Schiebedachs ergeben. Der Helmholtz-Resonator wirkt somit als akustisches
Filter mit dem Vorteil gegenüber herkömmlichen elektronischen Filtern, daß er aufgrund
der hier nur sehr geringen erforderlichen Filterdämpfungen ein sehr zeitstabiles Übertragungsverhalten
aufweist.
[0006] Der Helmholtz-Resonator ist vorzugsweise auf die zu dämpfende Hohlraumeigenfrequenz
abgestimmt. Die Dämpfung kann durch ein Dämpfungsmaterial, wie Watte, Wolle oder dergleichen
erfolgen, die im Resonatorhals oder Resonatorvolumen des Helmholtz-Resonators untergebracht
ist.
[0007] Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäß ausgebildeten Geräuschsensors besteht darin,
daß er sehr nahe neben dem oder den Lautsprechern installiert werden kann, die als
Stellglieder im Regelkreis wirken. Damit lassen sich auch bei hohen Regelkreisverstärkungen
Instabilitäten in Folge von Rückkopplungseffekten vermeiden.
[0008] Zur Geräuschminderung in einem breiten Frequenzband ist bevorzugt, wenn mehrere Geräuschsensoren
mit in Helmholtz-Resonatoren untergebrachten Mikrofonen vorgesehen werden, wobei die
einzelnen Helmholtz-Resonatoren jeweils auf unterschiedliche Hohlraumeigenfrequenzen
des Kraftfahrzeuges abgestimmt sind.
[0009] Die Regeleinrichtung läßt sich bei der Anordnung nach der Erfindung sehr einfach
gestalten. Vorzugsweise liegen bei der zuletzt beschriebenen Anordnung mit mehreren
Geräuschsensoren die Ausgangssignale der Geräuschsensoren in Parallelschaltung, wobei
das Ausgangssignal jedes Geräuschsensors individuell verstärkt bzw. abgeschwächt wird
und eine Phasendrehung erfährt. Darauf werden die Ausgangssignale der Geräuschsensoren
in mindestens einem Summierverstärker addiert und auf die als Stellglieder wirkenden
Lautsprecher geschaltet.
[0010] Die Anordnung mit mehreren Geräuschsensoren eröffnet die Möglichkeit ihrer Unterbringung
an mehreren Orten des Fahrzeuginnenraumes, an denen hohe Schalldrücke der betreffenden
Hohlraumeigenfrequenzen herrschen.
[0011] Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen
mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine herkömmliche Anordnung zur Verminderung des Geräuschpegels
im Innenraum eines Kraftfahrzeugs;
Fig. 2 die gemessene Schalldruckverteilung für die frequenzniedrigste Hohlraumresonanzschwingung
im Innenraum eines Fahrzeuges;
Fig. 3 die Nyquist-Stabilitätsortskurve einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Regeleinrichtung,
welche eine aktive Dämpfung einer oder mehrerer Hohlraumresonanzschwingungen eines
Kraftfahrzeuges bewirkt;
Fig. 4 ein Teilschema einer einfachen Anordnung gemäß der Erfindung;
Fig. 5 eine Gegenüberstellung von Diagrammen, wobei das Diagramm nach Figur 5a den
mittels eines Mikrofones erfaßten Schalldruck über der Frequenz und Figur 5b den mittels
eines Geräuschsensors nach der Erfindung erfaßten Schalldruck über der Frequenz darstellen;
Fig. 6 eine schematische Draufsicht auf ein Kraftfahrzeug, aus der die Orte der Unterbringung
von Geräuschsensor und Lautsprechern bei einer Anordnung nach der Erfindung ersichtlich
sind;
Fig. 7 ein Vergleichsdiagramm, welches den Verlauf des Schalldruckes über der Frequenz
in einem Kraftfahrzeug ohne die Anordnung nach der Erfindung und mit einer Anordnung
gemäß Figur 4 bzw. Figur 6 darstellt; und
Fig. 8, 9 Blockschaltbilder zweier Anordnungen gemäß der Erfindung mit jeweils vier
Geräuschsensoren und mehreren Lautsprechern.
[0012] Bei der Anordnung nach Figur 1 ist im Innenraum 2 eines PKW 1 im Kopfbereich des
Fahrers ein Mikrofon 3 angeordnet, dessen Ausgangssignal einem Regler 4 zugeführt
wird. Der Regler 4 erzeugt ein Stellsignal, das zu einem ebenfalls im Innenraum angeordneten
Lautsprecher 5, beispielsweise dem Lautsprecher eines Radiogerätes, zugeführt wird.
[0013] Das bei der konventionellen Anordnung sinusförmige Signal schwingt mit einer Phase,
welche gegenüber der Phase des mittels des Mikrofons 3 erfaßten Istsignals gerade
so verschoben ist, daß das vom Lautsprecher 5 abgestrahlte Schallsignal eine bestimmte
Frequenz des im Kopfbereich des Fahrers erfaßten Geräuschsignals gerade aufhebt.
[0014] Figur 2 zeigt die gemessene Schalldruckverteilung der Hohlraumresonanzschwingung
mit der tiefsten Frequenz eines bestimmten Kraftfahrzeuges. Die Eigenfrequenz dieser
Schwingung liegt bei Fahrzeugen der Mittel- und Oberklasse in der Größenordnung von
75Hz. Die nächsthöhere Hohlraumeigenfrequenz liegt im Bereich von ca. 150Hz. Die Zahlenwerte
für den Schalldruck in Dezibel (db) zeigen, daß die Maxima der Schalldruckverteilung
im Bereich des vorderen Fußraumes (117,5 db) und im Bereich des hinteren Fahrgastraumes
(113 db) liegen.
[0015] Figur 3 zeigt in einem Diagramm mit realer Abszisse und imaginärer Ordinate die Nyquist-Stabilitätsortskurve
eines offenen Regelkreises mit einem Verlauf, bei dessen Verwirklichung eine aktive
Dämpfung zu einer Geräuschpegelverringerung an allen Orten des Fahrzeuginnenraumes
führt. Mit E ist die zu dämpfende Hohlraumeigenfrequenz bezeichnet.
[0016] Figur 4 zeigt schematisch den Aufbau einer einfachen Anordnung gemäß der Erfindung.
Dabei umfaßt ein Geräuschsensor einen Helmholtz-Resonator, der als rechteckiger Hohlkörper
10 mit einer Öffnung 11 in einer Seitenfläche ausgebildet ist, und ein Mikrofon 12,
das innerhalb des Hohlkörpers 10 aufgenommen ist und dessen Ausgangssignal zu einer
Regeleinrichtung 13 geführt wird. Die Regeleinrichtung 13 erzeugt ein Stellsignal,
welches zu einem am oder nahe dem Ort eines Schalldruckmaximums (gemäß Figur 2) angeordneten
Lautsprecher 14 weitergeleitet wird. Der Helmholtz-Resonator 10 ist auf eine bestimmte
zu dämpfende Hohlraumeigenfrequenz des jeweiligen Kraftfahrzeugs abgestimmt, dessen
Geräuschpegel im Innenraum abgesenkt werden soll. Zum Erzeugen einer geeigneten Charakteristik
kann der Helmholtz-Resonator 10 durch Einbetten eines porösen Dämpfungs materials,
wie Watte, Wolle oder dergleichen, individuell präpariert werden.
[0017] Der Lautsprecher 14 ist an Orten im Innenraum angeordnet, an denen maximale Schalldrücke
herrschen, bei dem Beispiel gemäß Figur 2 im Bereich der Hutablage 6 oder im Fußraum
7, wie für Radiolautsprecher üblich, so daß die ohnehin vorgesehenen Lautsprecher
Verwendung finden können.
[0018] Figur 5 zeigt den Filterungseffekt des anhand der Figur 4 beschriebenen Geräuschsensors
mit Mikrofon 12 im Helmholtz-Resonator 10: Während in Figur 5a) mehrere Schalldruckspitzen
im Bereich verschiedener Eigenfrequenzen zu erkennen sind, die durch ein einfaches
Mikrofon ohne Helmholtz-Resonator erfaßt werden, zeigt die Figur 5b) den Filtereffekt
bei Messung am gleichen Ort mit einem Mikrofon, das gemäß Figur 4 in einem Helmholtz-Resonator
angeordnet ist. Dies ermöglicht einen gezielten Ansatz zur Minderung des durch eine
bestimmte Eigenfrequenz erzeugten Schalldruckes.
[0019] Die Anordnung nach Figur 4 ist beispielsweise gemäß Figur 6 in einem Fahrzeug untergebracht.
In Figur 6 sind gleiche Bezugszeichen wie in Figur 4 verwendet. Der Geräuschsensor
aus Mikrofon 12 und Helmholtz-Resonator 10 ist im Bereich der Hutablage 6 nahe den
ebenfalls in diesem Bereich untergebrachten Heck-Lautsprechern 14 angeordnet. Die
Regeleinrichtung 13 hat in diesem Fall zwei Ausgänge, die auf die beiden Lautsprecher
14, 14 wirken.
[0020] Figur 7 zeigt das Ergebnis der Maßnahme nach Figur 6, wobei die gestrichelte Kurve
den Schalldruck über der Frequenz ohne die geschilderten Maßnahmen der Erfindung und
die durchgezogene Kurve den Schalldruck im Innenraum über der Frequenz bei Anwendung
der Maßnahmen nach der Erfindung darstellen.
[0021] Die Figuren 8 und 9 zeigen Anordnungen, mit denen eine Schalldruckminderung für mehrere
Hohlraumeigenfrequenzen eines Fahrzeuges möglich ist.
[0022] Dabei sind vier Geräuschsensoren 10a, 10b, 10c, 10d mit entsprechenden Mikrofonen
12a, 12b, 12c, 12d vorgesehen, die auf Frequenzen f
a, f
b, f
c, f
d abgestimmt sind, welche besonders ausgeprägten Hohlraumeigenfrequenzen entsprechen.
[0023] Die Ausgangssignale der Mikrofone 12a bis 12d werden in die wie auch in den Figuren
8 und 9 mit 13 bezeichnete Regeleinrichtung eingegeben. Hier wird jedes Sensorsignal
in eine Reihenschaltung mit jeweils einem Verstärker 15a bis 15d, einem Phasenschieber
16a bis 16d und einem Filter 17a bis 17d eingegeben, wobei die Reihenschaltungen für
die einzelnen Sensorsignale parallel liegen, und bei der Ausführung nach Figur 8
einem gemeinsamen Summierverstärker 18 zugeführt, wo die Sensorsignale summiert und
einem Leistungsverstärker 19 für drei Lautsprecher 20, 21, 22 eingegeben werden. Die
Lautsprecher sind an verschiedenen, für die Geräuschminderung günstigen Orten im Fahrzeuginnenraum
angeordnet, die sich, wie oben angegeben, mit den üblichen Unterbringungsorten für
die Radiolautsprecher decken können.
[0024] Die Ausführung nach Figur 9, in der für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen wie
in Figur 8 verwendet sind, unterscheidet sich von der Ausführung nach Figur 8 dadurch,
daß die verstärkten, phasenverschobenen und gefilterten Sensorsignale in zwei parallel
geschaltete Summierverstärker 18A und 18B mit jeweils nachgeschalteten Leistungsverstärkern
19A und 19B eingegeben werden. Jeder Leistungsverstärker 19A, 19B versorgt eine eigene
Gruppe von jeweils drei Lautsprechern 20, 21, 22 und 23, 24, 25.
[0025] Die Regeleinrichtung 13 kann bei allen beschriebenen Ausführungen in analoger oder
digitaler Technik ausgeführt sein, wobei im letzteren Falle ein nicht gezeigter digitaler
Rechner die Signalverarbeitung übernehmen kann.
[0026] Charakteristisch für die Anordnung nach den Figuren 8 und 9 ist die parallele Anordnung
der Reihenschaltung 15, 16, 17 für jedes Sensorausgangssignal. Hierdurch läßt sich
eine individuelle Signalverarbeitung in Anpassung an die individuelle Abstimmung
des zugehörigen Geräuschsensors 10, 12 vor der Zusammenfassung der Signale in den
Summierverstärkern 18 erzielen.
[0027] Die Filter 17 können entsprechend dem Stand der Technik Tiefpaß-, Hochpaß-, Bandpaß-
bzw. Sperrfilter umfassen.
[0028] Auch bei Anordnung mehrerer Geräuschsensoren ergibt sich ein einfacher Aufbau der
Regeleinrichtung 13, wie die Figuren 8 und 9 zeigen.
1. Anordnung zur Verminderung des Geräuschpegels im Innenraum eines Kraftfahrzeugs
mit mindestens einem Geräuschsensor, mindestens einem Lautsprecher und einer Regeleinrichtung,
die als Istgröße das Ausgangssignal des Geräuschsensors erhält und ein den Lautsprecher
beaufschlagendes Stellsignal abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß als Geräuschsensor
ein in einem Helmholtz-Resonator (10) untergebrachtes Mikrofon (12) verwendet ist
und daß der Lautsprecher (14; 20-22;20-25) an oder nahe dem Ort maximalen Schalldruckes
von zu dämpfenden Hohlraumeigenfreqquenzen des Kraftfahrzeuges angeordnet ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nyquist-Stabilitätsortskurve
des Frequenzgangs vom offenen Regelkreis die positive reelle Achse bei einer Frequenz
schneidet, die mit der Eigenfrequenz (E) einer Hohlraumresonanz übereinstimmt.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Lautsprecher
(20-22;20-25) im Bereich der Hutablage (6) und/oder im vorderen Fußbereich (7) angeordnet
sind.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Helmholtz-Resonator
(10) auf die zu dämpfende Hohlraumeigenfrequenz abgestimmt ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dämpfungsmaterial,
wie Watte, Wolle oder dergleichen, im Resonatorhals oder Resonatorvolumen des Helmholtz-Resonators
(10) untergebracht ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Helmholtz-Resonator
(10) mit Mikrofon (12) nahe dem oder den Lautsprechern (14;20-22;20-25) angeordnet
ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere
Geräuschsensoren mit in Helmholtz-Resonatoren (10a-10d) untergebrachten Mikrofonen
(12a-12d) vorgesehen sind, wobei die einzelnen Helmholtz-Resonatoren jeweils auf unterschiedliche
Hohlraum-Eigenfrequenzen des Kraftfahrzeugs abgestimmt sind.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der
Geräuschsensoren in Parallelschaltung liegen, wobei das Ausgangssignal jedes Geräuschsensors
in eine Reihenschaltung aus einem Verstärker (15a-15d), einem Phasenschieber (16a-16d)
und gegebenenfalls einem Filter (17a-17d) oder einer Filtereinheit (Tiefpaß, Hochpaß,
Bandpaß) eingegeben wird.
9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale
der Geräuschsensoren in mindestens einem Summierverstärker (18;18A,18B) addiert werden.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung
(13) analog arbeitet.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung
(13) einen digitalen Rechner enthält, der die analog erfaßten und in digitale Signale
gewandelten Geräuschsignale nach einem eingespeicherten Programm verarbeitet.