Master Thesis - stroemungsakustik.de · Master Thesis Experimentelle und numerische Untersuchung zur Strömungsakustik der Staulippe eines 3er BMWs Bearbeiter: BEng Thomas Wagner

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



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



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



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



3


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




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.




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




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




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.




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/




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.




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




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



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




13

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




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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




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




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




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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




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.




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

www.muellerbbm-vas.de PAK 5.4

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


Abb. 3.8: Frequenzspektrum Kopfstütze (30 und 60 sec), Reproduzierbarkeit




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




21

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.




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




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



24


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).




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.




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


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





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





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





29

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




30

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


Abb. 4.6: Frequenzspektrum Kopfstütze mL, versch. Geschw.




31

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


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


Abb. 4.8: Frequenzspektrum Unterboden vor Lippe mL, versch. Geschw.

wandert mit Fahrgeschw.




32

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


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


Abb. 4.10: Frequenzspektrum Radkasten über Lufteinlass mL, versch. Geschw.

geometrische Resonanzen





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


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


Abb. 4.12: Frequenzspektrum Radkasten über 4 mL, versch. Geschw.





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


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


Abb. 4.14: Frequenzspektrum Außenhaut mL, versch. Geschw.





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


Abb. 4.15: Frequenzspektrum Kopfstütze oL, versch. Geschw.




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


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


Abb. 4.17: Frequenzspektrum Unterboden vor Lippe oL, versch. Geschw.





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


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


Abb. 4.19: Frequenzspektrum Radkasten über Lufteinlass oL, versch. Geschw.






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


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


Abb. 4.21: Frequenzspektrum Radkasten über 4 oL, versch. Geschw.





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


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


Abb. 4.23: Frequenzspektrum Außenhaut oL, versch. Geschw.





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.




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


Abb. 4.24: Frequenzspektrum Vergleich der Konfigurationen (Radkasten über Lippe)




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


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


Abb. 4.26: Frequenzspektrum Vergleich der Konfigurationen (Radkasten über 2)




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



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


Abb. 4.28: Frequenzspektrum Vergleich der Konfigurationen (Radkasten hinten)




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


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




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


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




46

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


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


Abb. 4.32: Vergleich mit und ohne Lippe v = 100 km/h (Außenhaut, unbewertet)




47

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.




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


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






49

0 500 1000 1500 2000Hz

60

70

80

90

100

110dB

Acquisition: 21:44:11 h 22.10.2007




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


Abb. 4.36: Frequenzspektrum Vergleich der Konfigurationen (Radkasten hinten)




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.




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


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


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




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.




53

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


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




54

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


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


Abb. 4.42: Vergleich mit und ohne Lippe v = 150 km/h (Außenhaut, unbewertet)




55

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.




56

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/




57

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


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


Abb. 4.45: 1/6 Oktavspektren Pos. Radkasten über Lufteinlass (unbewertet)




58

31.5 100 315 1k 3.15k 10kHz

70

80

90

100

110

120dB

Acquisition: 21:44:11 h 22.10.2007



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



Abb. 4.47: 1/6 Oktavspektren Pos. Radkasten über 4 (unbewertet)




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


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




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.




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


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


Abb. 4.50: 1/6 Oktavspektren Pos. Kopfstütze (unbewertet)




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


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


Abb. 4.52: 1/6 Oktavspektren Pos. Außenhaut (unbewertet)




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.




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


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


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



BMW FahrversucheA59

Fahrgeschw.

Abb. 4.54: Campbelldiagramme Pos. Radkasten über Lippe, Beschleunigen

ohne Lippe

ohne Lippe

mit Lippe

mit Lippe




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


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


BMW FahrversucheA59

Fahrgeschw.

Abb. 4.55: Campbelldiagramme Pos. Radkasten über 4, Beschleunigen

ohne Lippe mit Lippe




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


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


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





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


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


BMW FahrversucheA59

Fahrgeschw.

Abb. 4.57: Campbelldiagramme Pos. Kopfstütze (A-bewertet), Beschleunigen





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


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


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



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



BMW FahrversucheA59

Fahrgeschw.

Abb. 4.59: Campbelldiagramme Pos. Radkasten über Lippe, Ausrollen

ohne Lippe


mit Lippe




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


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


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.





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


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


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.





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


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


BMW FahrversucheA59

Fahrgeschw.

Abb. 4.62: Campbelldiagramme Pos. Kopfstütze (A-bewertet), Ausrollen


5 Korrelationsmesstechnik



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




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




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.




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




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




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)




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




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



80


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)




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.




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.




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)




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).




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.




86

0 5 10 15 20 25

bark0

5

10

15

20

25

30

sone/barkpeak

PAK 5.4 www.muellerbbm-vas.de

Editors: Psycho_1/Page 1/Wilo2D.pak_flyWagner/PAK/MESSDATEN/ BMW_Fahrversuche_20071022 /mit_Lippe_150_na_psy

http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/Strömungstechnik und Akustik

Wagner 31.03.2008 16:36:17 h

BMW FahrversucheA59

Fachhochschule DüsseldorfFH DSpez. Lautheit

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.




87

0 5 10 15 20 25

bark0

5

10

15

20

25

30

35

sone/barkpeak




Wagner 31.03.2008 16:36:54 h

BMW FahrversucheA59


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

0 5 10 15 20 25

bark0

5

10

15

20

25

30

sone/barkpeak




Wagner 31.03.2008 16:37:19 h

BMW FahrversucheA59


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




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.

0 5 10 15 20 25

bark0

10

20

30

40

50

60

70

sone/barkpeak




Wagner 31.03.2008 16:38:00 h

BMW FahrversucheA59


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.




89

0 5 10 15 20 25

bark0

1

2

3

4

5

6

7

8

sone/barkpeak




Wagner 31.03.2008 16:38:25 h

BMW FahrversucheA59


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

0 5 10 15 20 25

bark0

1

2

3

4

5

sone/barkpeak




Wagner 31.03.2008 16:38:43 h

BMW FahrversucheA59


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




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



91


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:




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.




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.




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/




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).




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:




97

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.




98

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




99

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




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




101

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




102

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




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)


mit Lippe ohne Lippe





104

Abb. 7.15. Geschwindigkeitsverteilung in y-Richtung (10 cm über Straße)


Abb. 7.17: Beispiel Hitzdrahtmessung am Unterboden (Geschwindigkeitsverteilung) /1/

mit Lippe

mit Lippe

ohne Lippe

ohne Lippe




105

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)


mit Lippe

mit Lippe

ohne Lippe

ohne Lippe





106





Ausbildung eines Längswirbels an Karosserieaußenhaut




107

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




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.


Ausbildung eines Längswirbels an Karosserieaußenhaut




109

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




110

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.





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




112

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)




113

Abb. 7.28: Monitoring von Wirbelstrukturen mittels Helizitätsdichte




8 Ausstehende Validierung - Ausblick



114

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



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



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.

10 Literaturverzeichnis



117

10 Literaturverzeichnis /1/ Ullrich, F.: Aeroakustik: Neue Potenziale für die Innengeräuschoptimierung.

Haus der Technik Essen, 4. Tagung: Aeroakustik; Wildau, 2006.

/2/ Helfer, M.: Aeroakustische Messungen an Kraftfahrzeugen in Windkanälen.

Haus der Technik Essen, 4. Tagung: Aeroakustik; Wildau, 2006.

/3/ Helfer, M.: Aerodynamische Schallquellen und ihr Beitrag zum

Fahrzeugaußengeräusch. Tagungsband der DAGA '02, 4.-7.3.2002, Bochum.

Oldenburg: Deutsche Gesellschaft für Akustik e.V., 2002. ISBN 3-9804568-6-2.

/4/ Product Data, Automotive Surface Microphone – Types 4949 and 4949B;

ATZ/MTZ-Konferenz Akustik – Akustik zukünftiger Fahrzeug- und

Antriebskonzepte, Stuttgart, Mai 2006.

/5/ Helfer, M.; Busch, J.: Contribution of Aerodynamic Noise Sources to Interior

and Exterior Vehicle Noise. In: Tagungsband des DGLR-Workshop

“Aeroacoustics of Cars”, Emmeloord (NL), 16.-17.11.1992.

/6/ Riegel, M.; Wiedemann, J.: Bestimmung des Windgeräuschanteils im

Vergleich zu Antriebs- und Rollgeräusch im Innenraum von Pkw. In: Bargende,

M.; Wiedemann, J. (Hrsg.): 5. Internationales Stuttgarter Symposium

Kraftfahrwesen und Verbrennungsmotoren 18.-20.2.2003. Renningen: Expert-

Verlag, 2003. ISBN 3-8169-2180-9.

/7/ Henn, H.; Reza Sinambari, G.; Fallen, M.: Ingenieurakustik - Grundlagen,

Anwendungen, Verfahren. Vieweg Verlag, Braunschweig / Wiesbaden, 3.

Auflage 2001. ISBN 3-528-28570-2.

/8/ Kameier, F.: Vorlesungsskript: Computerunterstützte Messdatenerfassung und

–verarbeitung.

10 Literaturverzeichnis



118

/9/ Storm, R.: Studienskript: Kompendium Maschinenakustik, Teil A:

Maschinenakustik – Grundlagen, Band 1. Darmstadt 2007.

/10/ Ocker, J., F. Porsche AG: Experimentelle Ermittlung der aerodynamisch

induzierten, spektralen Druckverteilung auf einer Fahrzeugoberfläche am

Beispiel des Porsche Cayenne. ATZ/MTZ-Konferenz Akustik – Akustik

zukünftiger Fahrzeug- und Antriebskonzepte, 17. u. 18. Mai 2006, Stuttgart.

/11/ Ahmed, S. R. und 25 Mitautoren: Akustik und Aerodynamik des

Kraftfahrzeuges. Grundlagen – Optimierungsmethoden – Mess- und

Versuchstechnik. expert-Verlag, 1995. ISBN 3-8169-1190-0.

/12/ Dietz, P.: Konstruktion lärmarmer Maschinen. Vorlesungsskript IMW TU

Clausthal; Clausthal-Zellerfeld: 1993.

/13/ Günther, B. C.; Hansen, K.H.; Veit, I.: Technische Akustik – Ausgewählte

Kapitel: Grundlagen, aktuelle Probleme und Messtechnik. 5. Auflage

Rennigen-Malmsheim: expert-Verlag, 1994.

/14/ Hucho, W. H.; Ahmed, S.R.: Aerodynamik des Automobils. ATZ/MTZ-

Fachbuch. 5. Auflage Wiesbaden: Vieweg Verlag, 2005. ISBN 3-528-03959-0.

/15/ Schönwald, S.: Bachelorthesis: Untersuchung strömungsinduzierter

Schwingungen. Düsseldorf, 2006.

/16/ Veit, I.: Technische Akustik; Grundlage der physikalischen, physiologischen

und Elektroakustik. Vogel Industrie Medien GmbH & Co. KG, Würzburg, 6.

Auflage 2005. ISBN-13: 978-3-8343-3013-0.

/17/ Müller, G.; Möser, M.: Taschenbuch der Technischen Akustik. Springer-Verlag

Berlin Heidelberg 2004, 3. Auflage. ISBN 3-540-41242-5.

/18/ Bendat, J. S.; Piersol, A. G.: Engineering Applications of Correlation and

Spectral Analysis. Sec. Edition. John Wiley & Sons, Inc. 1993. ISBN 0-471-

57055-9.

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Master Thesis - stroemungsakustik.de · Master Thesis Experimentelle und numerische Untersuchung zur Strömungsakustik der Staulippe eines 3er BMWs Bearbeiter: BEng Thomas Wagner