Verfahren zur Bestimmung der abgestrahlten Schalleistung von Schalldämpfern

J. Krüger, M. Nicolai

Eberspächer GmbH & Co KG, Abt. ESG, Eberspächerstr. 24, 73730 Esslingen

EinleitungBei der akustischen Bewertung von Abgasanlagen unterschei-det man im Allgemeinen zwischen dem Mündungsschall unddem über das Gehäuse der Abgasanlage abgestrahlten Körper-schall. Zur Bestimmung des Mündungsgeräusches wird derSchalldruckpegel meist in einem definiertem Abstand von derMündung gemessen. Dieser Mündungspegel ist je nach akusti-scher Auslegung aller Teilgeräusche am Fahrzeug meist auchfür den gesetzlich vorgeschriebenen maximalen Vorbeifahrtpe-gel relevant. Über das Abstandsgesetz kann der Vorbeifahrtpe-gel direkt aus dem Mündungspegel abgeschätzt werden. Hin-gegen trägt der abgestrahlte Körperschall nur manchmal zumVorbeifahrtpegel bei, ist aber häufig für den Klangeindruck beiPassanten bedeutsam. Die Ursache des abgestrahlten Körper-schalls liegt meist ausschließlich in der Pulsation der Gassäuleinfolge des Ladungswechsels. In einigen Fällen erfolgt jedochauch eine Abstrahlung von z.B. im Turbolader erzeugtem undüber die Abgasanlage weitergeleitetem Körperschall. Die Struk-turresonanzen der Schalldämpfertöpfe filtern und verstärkenbestimmte Spektralbereiche des Pulsationsgeräusches, wasbeim üblichen Drehzahlhochlauf unter Vollast zu deutlich hörba-ren Schwankungen im Schalldruckpegel führt.

Ein Problem besteht in der sicheren Vorhersage der Körper-schallabstrahlung verschiedener Schalldämpferdesigns und ins-besondere der Auswirkung diverser Mantelgeometrien. Trotzkomplexer Methodik und hochleistungsfähigen Computern istdie Berechnung noch immer sehr aufwendig und relativ unge-nau. Sie stellt daher derzeit kein Standardwerkzeug für die Se-rienentwicklung dar, d.h. es wird auf Grund von Erfahrungs-werten und Versuchen entwickelt. Letzteres geschieht übli-cherweise in einem Motorprüfstand unter Freifeldbedingungen,wobei der Verbrennungsmotor und die Prüfstandsbremse aku-stisch ausreichend abgeschirmt sind. Nach Erreichen der ther-mischen Beharrung wird die Drehzahl unter Vollast langsamerhöht, um eventuell vorhandene Resonanzen deutlich zu er-kennen. An allen potentiell abstrahlenden Seiten des Schall-dämpfers werden Mikrofone positioniert. Große Schalldämpfermit mehreren Kammern erfordern meist mehr als 10 Meßkanä-le, was den Aufwand für die Messung, Nachbereitung und In-terpretation der Ergebnisse erheblich in die Höhe treibt. Gleich-wohl kann auch damit keine vollständige Aussage über den ge-samten abgestrahlten Körperschall getroffen werden, da be-sonders bei höheren Frequenzen eine gerichtete Schallab-strahlung auftreten kann und diese in den unabgedecktenRaumwinkelbereichen nicht gemessen wird.

Messung der SchalleistungEine Alternative stellt die Messung der Schalleistung dar, dahiermit das gesamte abgestrahlte Geräusch erfaßt wird undeinfach auf den Beitrag am Vorbeifahrtpegel geschlossen wer-den kann. Hierfür gibt es mehrere genormte Verfahren. DasVergleichsverfahren nach ISO 3743-2 eignet sich besonders,weil damit auch instationär gemessen, d.h. wie bisher dreh-zahlabhängige Zug-Schub-Kurven erfaßt werden können. BeiVerwendung einer mobilen Hallkammer ist es weiterhin mög-lich, auch in Motorprüfständen ohne absorbierende Auskleidungund bei relativ großen Störpegeln zu messen. In diesem Fall hat

die Hallkammer ein Volumen von 2.3 m3 und um Flatterechoszu vermeiden, gibt es in der Kammer keine parallelen Wände.Aus praktischen Gründen ist die Kammer in der Mitte teilbarund auf Rollen fahrbar aufgebaut (Bild 1). Die Rohrdurchfüh-rung mit Ringspalt erlaubt einerseits eine gewisse Relativbewe-gung z.B. durch thermische Ausdehnung und gewährleistet an-dererseits eine ausreichende Schalldämmung gegen Motor-und Mündungsgeräusche. Eine automatisierte Kühlung durchZwangslüftung ist schallgedämpft und verhindert das Aufheizendes Innenraumes. Infolge des vorhandenen Volumens begren-zen Raummoden den auswertbaren Frequenzbereich nachunten. Mit einer optimierten Absorptionsfläche sind jedoch dieTerzen von 400 bis 8 kHz sinnvoll meßbar. Dazu sind innen 12Mikrofonpositionen derart definiert, daß die folgenden Bedin-gungen stets eingehalten werden:- Abstand Quelle - Mikrofon ≥ 20 cm,- Abstand Mikrofon - Raumbegrenzungsflächen ≥ 20 cm,- Abstand zwischen einzelnen Mikrofonen ≥ 40 cm.

Kalibrierung der HallkammerDas Vergleichsverfahren basiert auf dem Vergleich des mittle-ren Schalldruckpegels bei Einsatz einer Schallquelle mit be-kannter Schalleistung am selben Ort. Dafür muß in einer Kali-brierungmessung der Kalibrierpegel K ermittelt und dann stetsvom mittleren Schalldruckpegel abgezogen werden. Die Kali-brierung erfolgte hier mit einer Referenzquelle 4205 von B&K,die auf 75 dB(lin) eingestellt war. Dabei handelt es sich um ein2-Wege-Lautsprecher-System mit eingebautem Verstärker, de-ren abgestrahlte Schalleistung in Terzen nach dem Halbfreifeld-verfahren exakt vermessen wurde. Insgesamt wurde bei einemRadius von 1 m an 21 Mikrofonpositionen gemessen (Tabelle1). Am oberen und unteren Frequenzrand fällt der Pegel leichtab und auf Grund der fehlenden Terzen unterhalb 400 Hz undoberhalb 8000 Hz liegt der Gesamtpegel bei 74 statt 75 dB.

Ein wichtiger Teil der Kalibrierung stellt die Optimierung derNachhallzeit dar. Das Ergebnis dieser Prozedur ist ebenfalls inTabelle 1 zu sehen, wobei die Meßergebnisse aus 11 Mikrofon-positionen und 3 Abklingvorgängen gemittelt wurden. Der Hall-radius muß einerseits geringer als der Mikrofonabstand sein,damit die räumliche Mittelung funktioniert, da sonst das Mikro-fon nur im Direktschallfeld der Quelle steht. Andererseits ist esinsbesondere bei geringer Modendichte wichtig, daß Raumvo-lumen und damit die Moden zu bedämpfen. Dies führt zu einerÜberlappung der einzelnen Moden und somit zu einer besserenMittelung der Energie innerhalb der Terzen. Letztlich wurde hierdurch geschickte Plazierung geeigneter Absorber eine sehrgleichmäßige Nachhallzeitverteilung erzielt und außerdem si-chergestellt, daß alle Mikrofone stets außerhalb des Direkt-schallfeldes liegen.

In Tabelle 2 sind die Ergebnisse der Messungen der Referenz-schallquelle in der Hallkammer dargestellt. Dabei sind die Terz-werte hier exemplarisch an Mikrofonposition 1 und 2 gezeigtaber über alle Positionen und über 6 Quellenorientierungengemittelt. Dies ist nötig, da die Lautsprecheranordnung zu ho-hen Frequenzen hin mehr und mehr bündelt. Eine solche Bün-delung ist jedoch bei Schalldämpfern ebenfalls vorstellbar. Das

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Resultat sieht man in blauer Farbe der Schalleistung der Quellegegenüber gestellt. Die Differenz aus beiden Spalten stellt denKalibrierpegel dar.

MeßgenauigkeitDa in einem ideal diffusen Schallfeld alle Mikrofone den glei-chen Pegel anzeigen, gibt uns die Abweichung von diesemIdeal einen Eindruck von der Meßunsicherheit. Sie wurde daherin Form der Standardabweichung σLp über alle Mikrofonpositio-nen und Quellenorientierungen gesondert ausgewertet. Wiewegen der abnehmenden Modendichte zu erwarten war, nimmtdiese Standardabweichung zu tiefen Frequenzen hin zu. Wei-terhin muß die aus der Messung der Schalleistung nach ISO3745 resultierende Vergleichsstandardabweichung σLW eben-falls berücksichtigt werden. Diese drückt die Meßunsicherheitder Schalleistung der Referenzquelle aus. Für den Summenpe-gel liegt damit σLp und σLW aber unter 1 dB, da sich die Abwei-chungen in den Terzen teilweise aufheben. Beide Standardab-weichungen werden quadratisch zur Standardabweichung derKalibrierung σK addiert. In Tabelle 3 ist diese neben dem End-ergebnis des Kalibrierpegels aufgetragen. Konkret werden alsodiese Terzpegel jeweils von den räumlich gemittelten Schall-druckpegeln abgezogen, um die Werte für die Schalleistung zuerhalten und der wahre Terzpegel liegt dann mit etwa 68%Wahrscheinlichkeit in einem Intervall +/- der einfachen Standar-dabweichung und mit etwa 95% innerhalb der zweifachenStandardabweichung. Dies mag zunächst viel erscheinen, fürden sich daraus ergebenden Einzahlwert des Summenpegelsliegt die Standardabweichung jedoch unter 1.5 dB! Damit ist dieerreichte Meßgenauigkeit für diese Art von Messungen ausrei-chend, da die Wiederholbarkeit der Betriebsbedingungen ähnli-che Unsicherheiten verursacht.

Bild 1: Hallkammer im Akustikprüfstand von Eberspächer

Fre-quenz

f

Schallei-stungspe-

gel Lw

Nach-hallzeit T

Standard-abwei-

chung σNHZ

Hallra-dius R

in Hz in dB in s in s in m400 57.1 0.27 0.035 0.16500 58.1 0.29 0.036 0.15630 60.7 0.28 0.027 0.16800 63.4 0.27 0.016 0.16

1000 66.1 0.28 0.024 0.161250 63.7 0.25 0.020 0.161600 61.6 0.23 0.013 0.172000 62.8 0.24 0.023 0.172500 64.2 0.24 0.022 0.173150 65.5 0.23 0.019 0.174000 61.5 0.22 0.012 0.185000 61.3 0.22 0.018 0.186300 60.2 0.22 0.018 0.188000 58.7 0.21 0.013 0.18

Tabelle 1: Schalleistungspegel, Nachhallzeit, Standardabwei-chung der Nachhallzeit und Hallradius in der Hall-kammer bei den Terzfrequenzen

Frequenz f Schalldruckpegel Lp / dB an derjeweiligen Mikrofonposition

LW

in Hz 1 2 Mittel in dB400 53.4 52.9 57.5 57.1500 52.9 59.7 58.6 58.1630 61.8 62.3 62.2 60.7800 66.6 66.2 66.4 63.4

1000 69.8 66.4 68.7 66.11250 67.1 64.6 66.4 63.71600 63.1 63.3 64.4 61.62000 65.7 64.7 65.8 62.82500 65.8 63.8 65.7 64.23150 65.1 63.6 65.4 65.54000 63.8 61.2 63.8 61.55000 61.9 58.9 62.0 61.36300 60.4 57.9 60.6 60.28000 58.3 55.2 57.9 58.7

Tabelle 2: Schalldruckpegel und Schalleistungspegel der Re-ferenzquelle bei den Terzfrequenzen

Frequenz Kalibrierpegel(gerundet)

Gesamtstandard-abweichung

f in Hz K in dB σK in [dB]400 0.3 3.7500 0.5 3.6630 1.5 2.8800 2.9 2.2

1000 2.6 2.31250 2.7 2.21600 2.9 2.22000 3.0 2.02500 1.4 2.13150 0.0 2.04000 2.2 1.85000 0.7 2.26300 0.5 2.58000 -0.8 2.5

Tabelle 3: Absoluter Kalibrierpegel der Hallkammer sowie dieGesamtstandardabweichung bei den Terzfrequen-zen

Tür

Öffnung fürAbgasrohr

Ventilatoren

Beleuchtung+ Kühlung

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