Mikrofonarrayverfahren zur Messung der abgestrahlten

Schallleistung von Motorkomponenten

Gert Herold, Ennes SarradjBTU Cottbus - Senftenberg, Lehrstuhl Technische Akustik, E-Mail: herold@b-tu.de, sarradj@b-tu.de

Einleitung

Zur Minderung der Schallabstrahlung an Maschinenkom-ponenten ist eine genaue Charakterisierung der Schall-quellen von Interesse. Oft ist es jedoch nicht moglich,diese isoliert zu betrachten. Beim Betrieb eines Mo-tors etwa strahlen mehrere Komponenten gleichzeitigSchall unterschiedlicher Starke ab. Im Folgenden wird einauf Mikrofonarray-Messungen basierendes Beamforming-Verfahren vorgestellt, das es ermoglicht, die Schalllei-stung einzelner Motorkomponenten aus einer einzigenMessung zu ermitteln. Das Verfahren wird auf Messdatenaus Experimenten mit einem 4-Takt-Verbrennungsmotorangewendet und die Ergebnisse mit denen aus einem klas-sischem Hullflachenverfahren zur Schallleistungsbestim-mung nach Norm verglichen.

Beamforming mit CLEAN-SC

Fur das klassische Delay-and-Sum-Beamforming wird derSchalldruck synchron an mehreren Mikrofonpositionenaufgenommen. Die Signale werden in den Frequenzbe-reich transformiert und die Phase so verschoben, dass dieSchalllaufzeit zu beliebig gewahlten Fokuspunkten aus-geglichen wird. Die Summation der phasenverschobenenSignale ergibt den von diesen Fokuspunkten auf eine Re-ferenzposition (z.B. die Arraymitte) jeweils abgestrahltenSchalldruck, uberlagert mit einem Fehler durch die Abbil-dungseigenschaften des Arrays und Ungenauigkeiten imSchallausbreitungsmodell. Um diesen Fehler zu korrigie-ren, wird die erhaltene Quellkarte mithilfe des CLEAN-SC-Algorithmus’ [2] entfaltet.

Beamforming-Hullflachenverfahren

Das vorgestellte Verfahren orientiert sich an der Be-stimmung des Schallleistungspegels aus Schalldruck-messungen in DIN EN ISO 3746 [1]. Fur diesesHullflachenverfahren (HFV) werden die Schalldruckpegelauf den Mittelpunkten von funf Seiten eines gedachten,das Messobjekt umschließenden Quader gemessen. DerSchallleistungspegel LWA berechnet sich wie folgt:

LWA = LpA + 10 lgS

1 m2dB . (1)

LpA enthalt die gemittelten Schalldruckpegel sowie Kor-rekturfaktoren abhangig von der Messumgebung (reflek-tierende Flachen und Fremdgerausche). S ist die Summeder Messflachen.Das angepasste HFV verwendet ein Array aus auf derQuaderoberflache verteilten Mikrofonen, um an den Sei-tenmittelpunkten Schalldrucke zu bestimmen. Im Gegen-satz zur klassischen Methode liefert das Verfahren jedoch

nicht nur einen Schalldruckwert pro Seite, sondern denjeweils von allen gewahlten Fokuspunkten auf die Seiten-mitte abgestrahlten Schalldruck. Diese Schalldruckwer-te werden wiederum entsprechend uber die funf Seitengemittelt und nach Beaufschlagung der Korrekturfakto-ren in Schallleistungspegel umgerechnet. Das Ergebnisbesteht aus einer Kartierung der Quellen, die fur jedenFokuspunkt den von dort abgestrahlten Schallleistungs-pegel enthalt.

Messungen

Zur Validierung des Verfahrens wurden Messungen an ei-nem Vertikutierer durchgefuhrt, der mit einem einzylin-drigen 4-Takt-Verbrennungsmotor betrieben wird (sieheAbb. 1). Die 68 um das Gerat angeordneten Mikrofone

Abbildung 1: Benzinvertikutierer mit dem ihn umschließen-den Mikrofonarray (insgesamt 68 Mikrofone).

befinden sich auf einem Quader mit den Ausdehnungen(L×B×H) 1,5 m × 0,9 m × 0,9 m. Dies entspricht nichtvollstandig den Anforderungen der Norm, da der daringeforderte Mindestabstand der Seiten des Quaders zumMessobjekt konstruktionsbedingt nicht eingehalten wer-den konnte. Auf den kurzen Seiten befinden sich 13, aufden langen jeweils 14 Mikrofone. In Abb. 2 ist die An-ordnung der Mikrofone auf dem Quader dargestellt. Diegemessenen Schalldrucke konnen ohne weitere Korrekturgemittelt werden, da die Messungen im Freien stattfan-den und der Schalldruckpegel der Umgebungsgerauschemehr als 10 dB unter dem des Vertikutierers liegt.Die Auswertung findet auf einem ebenfalls qua-derformigen Fokusgitter mit regelmaßig angeordnetenGitterpunkten statt. Im Folgenden wird die Auswertungder Messung des Vertikutierers im Leerlaufbetrieb vorge-stellt. Weitere Parameter von Messung und Auswertungkonnen aus Tabelle 1 entnommen werden.

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Abbildung 2: Verteilung der Mikrofone auf den Quader-flachen (unten in

”aufgeklappter“ Projektion). Die jeweils

mittig liegenden Mikrofone sind grun gekennzeichnet.

Ergebnisse

Die Messdaten wurden mit der am Lehrstuhl fur Techni-sche Akustik der BTU Cottbus-Senftenberg entwickeltenSoftware Acoular [4] ausgewertet.In Abb. 3 sind die Schallleistungsspektren, wie sie sich

- mit dem HFV aus den mittig auf den Quaderflachenliegenden Mikrofonen

- mit dem HFV aus allen 68 Mikrofonen

- nach dem Beamforming-HFV mit Aufsummierungder Pegel an den Fokuspunkten

berechnen. Der Vergleich der Spektren zeigt, dass dermit dem Beamforming-HFV berechnete Schallleistungs-

Tabelle 1: Mess- und Auswerteparameter.

Messdauer 80 sAbtastrate 51200 HzFokusgitter (L×B×H) 1 m × 0,8 m × 0,8 mFokusgitter Auflosung 2,5 cmFFT-Fenstergroße 4096 SamplesFFT-Fensterfunktion HanningBeamforming DAS + CLEAN-SC [2]Steering-Vektor Variante IV aus [3]Hauptdiagonale der Kreuzspektralmatrix entfernt

125 250 500 1k 2k 4k 8k 16k

f in Hz

40

50

60

70

80

90

LW

Ain

dB

5-Punkte-Methode (LWA,ges = 88,2 dB)HFV mit Beamforming (LWA,ges = 82,7 dB)HFV mit 68 M. (LWA,ges = 86,5 dB)

Abbildung 3: Vergleich des berechneten Schallleistungs-pegelspektrums nach dem Hullflachenverfahren (mit 5 bzw.68 Mikrofonen) mit dem aufsummierten Schallleistungspegel-spektrum aus dem angepassten Verfahren.

pegel (82,7 dB) stets unter dem durch das klassischenVerfahren mit 5 Mikrofonen ermittelten Pegel (88,2 dB)liegt. Auch der mit allen Mikrofonen nach klassischemHFV ermittelte Schallleistungspegel liegt mit 86,5 dBnoch daruber. Fur die Abweichung der absoluten Pegel-werte kann es mehrere Grunde geben:

- Das verwendete Mikrofonarrayverfahren wertet nurQuellen im angegebenen Fokusbereich aus (z. B.werden Reflexionsquellen vom Boden ignoriert).

- Es treten Abweichungen durch die Wahl desSteering-Vektors auf (vgl. [3]).

- Die Entfernung der Hauptdiagonale der Kreuz-spektralmatrix fur einen besseren Signal-Rausch-Abstand beim Beamforming kann auch Einfluss aufden Gesamtpegel haben.

Der qualitative Verlauf der Spektren ist hingegen sehrahnlich, d. h., die Frequenzbander mit den jeweilshoheren bzw. niedrigeren Pegeln sind in allen Fallen diegleichen.Zur Veranschaulichung einer moglichen qualitativen Aus-wertung der Position und Ausdehnung der auftretendenQuellen sind in Abbildung 4 Quellkarten fur die Gesamt-schallleistung sowie drei exemplarische Terzbander auf-getragen. In den Abbildungen wurden Punkte mit einemSchallleistungspegel von bis zu 15 dB unter dem Maxi-mum eingefarbt und es ergibt sich ein Bild mit den Po-sitionen der leistungsstarksten Quellen.Wird die Gesamtschallleistung betrachtet (Abb. 4a),zeichnen sich zwei Hauptquellgebiete ab: zum einen imBereich der Abgasanlage (die auch wahrend des Betriebssubjektiv gut als Quelle ausgemacht werden kann) undzum anderen der Bereich des Zylinderkopfes.Im Terzband um 500 Hz (Abb. 4b) ist keine so eindeuti-ge Zuordnung mehr moglich. Neben Quellen an der Ab-gasanlage wird auch am Luftfilter und vom Tank Schallabgestrahlt.Bei Betrachtung des tieffrequenten 125-Hz-Terzbandswird der Zylinderkopf als Hauptquelle identifiziert (Abb.4c), wohingegen bei 6300 Hz die Abgasanlage dominiert(Abb. 4d).Ein differenzierteres Bild zeigt sich, wenn die Schalllei-stungsspektren einzelner Komponenten betrachtet wer-den. Dazu wird die Schallleistung derjenigen Gitter-punkte aufaddiert, die im Bereich der interessieren-

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100 160 250 400 630 1k 1.6k 2.5k 4k 6.3k 10k 16k

f in Hz

30

40

50

60

70

80

LW

Ain

dB

Abgasanlage (LWA=75,9 dB)

Keilriemen (LWA=65,8 dB)

Zylinderkopf (LWA=73,8 dB)Kurbelgehause (LWA=73,7 dB)

Abbildung 5: Mit dem Beamforming-Hullflachenverfahren ermittelte Schallleistungsspektren, integriert uber Einzelkompo-nenten des Vertikutierers (farbig) bzw. den gesamten Auswertebereich (schwarz).

(a) Breitband (b) 500 Hz Terzband

(c) 125 Hz Terzband (d) 6300 Hz Terzband

Abbildung 4: Quellkarten des berechneten Schallleistungs-pegels fur verschiedene Frequenzbander. Dynamik: 15 dB.

den Komponente liegen. Hier wurden beispielhaft qua-derformige Bereiche definiert, die jeweils die Abgasanla-ge, das Keilriemengehause, den Zylinderkopf sowie dasKurbelgehause umschließen. Die sich ergebenden Spek-tren sind in Abb. 5 aufgetragen.Auch hier ist erkennbar, dass der Auspuff in weitenTeilen die Hauptquelle darstellt. Insbesondere im Be-reich um 250 Hz sowie im Frequenzbereich zwischen 2 kHzund 10 kHz liegt der Schallleistungspegel deutlich uberden Pegelanteilen der anderen betrachteten Quellen undpragt die Charakteristik des Gesamtspektrums.Der Keilriemen liefert keinen signifikanten Beitrag zumSpektrum, was beim Leerlaufbetrieb des Motors auch zuerwarten ist.Der Zylinderkopf zeigt ebenfalls uber einen großen Fre-quenzbereich keine signifikante Schallabstrahlung. Erstbei niedrigen Frequenzen unter 200 Hz ist er die Haupt-quelle.Das Spektrum des Kurbelgehauses hat in weiten Berei-chen einen ahnlichen Verlauf wie das des Keilriemens,

zeigt jedoch im mittleren Frequenzbereich um 1 kHz so-gar hohere Pegelwerte als der Auspuff und bestimmt hierdie Gesamtcharakteristik des Schallleistungsspektrums.

Zusammenfassung

Das Beamforming-Hullflachenverfahren ist geeignet furdie differenzierte Charakterisierung gleichzeitig betriebe-ner Motorkomponenten. Neben der 3D-Lokalisierung derQuellbereiche mit der insgesamt hochsten Schallabstrah-lung konnen auch die Positionen der Hauptquellen ein-zelner Frequenzbereiche raumlich bestimmt werden.Im quantitativen Vergleich mit dem Hullflachenverfahrennach Norm zeigt sich, dass bei qualitativ vergleichbaremVerlauf des Spektrums die ermittelten Pegel unterschatztwerden. Mogliche Ursachen wurden benannt und konnendurch Auswertungen mit geanderten Parametern sowieweitere Experimente gezielt untersucht werden.Mit dem vorgestellten Verfahren ist es jedoch bereitsjetzt moglich, mit einer Messung diejenigen Komponen-ten des Motors zu bestimmen, die den Verlauf des Ge-samtschallleistungsspektrums charakterisieren. Daruberhinaus erlaubt es das Verfahren, zu uberprufen, bei wel-chen Frequenzen der Beitrag einzelner Komponenten ver-nachlassigbar ist.

Literatur

[1] DIN EN ISO 3746:2011-03, Akustik – Bestim-mung der Schallleistungs- und Schallenergiepegelvon Gerauschquellen aus Schalldruckmessungen –Hullflachenverfahren der Genauigkeitsklasse 3 ubereiner reflektierenden Ebene (ISO 3746:2010)

[2] P. Sijtsma: CLEAN based on spatial source cohe-rence. International Journal of Aeroacoustics (2007),6(4), 357–374, 2007

[3] E. Sarradj: Three-Dimensional Acoustic Source Map-ping with Different Beamforming Steering VectorFormulations. Advances in Acoustics and Vibration(2012), 1–12

[4] Acoular – Acoustic testing and source mapping soft-ware, URL: http://www.acoular.org/

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