DE10317502A1

DE10317502A1 - Verfahren zur Analyse eines Schallsignals

Info

Publication number: DE10317502A1
Application number: DE2003117502
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl.-Ing. Brusius; Walter Dipl.-Ing. Zipp (FH)
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-04-16
Filing date: 2003-04-16
Publication date: 2004-11-18

Abstract

Bei einem bekannten Verfahren nach DIN 45631 und E. Zwicker wird ein Schallsignal im Frequenzbereich ausgewertet. Hierzu wird das gesamte Frequenzspektrum mittels Bandpassfilterungen in einzelne Terzpegel unterteilt, für welche ein repräsentierender Kennwert ermittelt wird. Hieran anschließend erfolgt eine Zusammenfassung mehrerer Terzpegel zu einem Lautstärkepegel. Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Analyse einzelner tonaler Geräuschanteile des Schallsignals zu verbessern. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird das Schallsignal (10) mit zwei Bandpassfilterungen unterschiedlicher Bandbreiten (15; 18), aber gleicher Mittenfrequenzen (14) ausgewertet. Die Differenz der Lautheiten (21, 22) der Ergebnisse der Filterungen liefert einen Zahlenwert für den tonalen Geräuschanteil. DOLLAR A Analyse eines Schallsignals, insbesondere eines Antriebsaggreggates eines Kraftfahrzeuges.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse eines Schallsignales gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DIN 45631 ist ein Verfahren nach E. Zwicker zur Berechnung des Lautstärkepegels und der Lautheit aus einem Geräuschspektrum bekannt. Gemäß diesem Verfahren wird das Schallsignal, ggf. unter Umrechnung in einen Schalldruckpegel, im Frequenzbereich ausgewertet. Hierzu wird das gesamte Frequenzspektrum mittels Bandpassfilterungen in einzelne Frequenzbänder unterteilt, für welche ein repräsentierender Kennwert oder Mittelwert, bspw. in Form eines Lautstärkepegels, der Lautheit eines Terzpegels oder eines Frequenzgruppenpegels ermittelt wird. Hieran anschließend erfolgt eine Zusammenfassung der Kennwerte, hier mehrere Terzpegel zu einem "mittleren" Lautstärkepegel. Gemäß dem Wortlaut der Norm ist das Verfahren auch auf Schallvorgänge anwendbar, in deren Spektrum einzelne Töne oder bestimmte Frequenzgebiete aus ihrer spektralen Umgebung deutlich hervorragen.

Aus der Druckschrift DE 42 17 105 A1 ist ein Verfahren zur Beurteilung eines Schallsignales eines technischen Bauteiles bekannt, bei welchem unterschiedlichen Betriebsphasen des Bauteiles zugehörige Zeitbereiche des Schallsignales separat ausgewertet werden. Demgemäß sind zur Auswertung a-priori-Kenntnisse des Schallsignales erforderlich.

Weitere Verfahren zur Analyse eines Schallsignales im Frequenzbereich sind beispielsweise aus den Druckschriften DE 198 44 784 A1 , DE 199 24 955 A1 , DE 44 06 723 A1 bekannt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Analyse eines Schallsignales vorzuschlagen, welches eine verbesserte Berücksichtigung des Verhältnisses einzelner Teilbereiche des Frequenzspektrums zu dem Gesamtspektrum oder zu ihrer spektralen Umgebung, insbesondere eine zahlenmäßige Erfassung einer Heraushörbarkeit tonaler Geräuschanteile aus dem Gesamtspektrum, ermöglicht.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.

Erfindungsgemäß wird das Schallsignal im Frequenzbereich einer ersten Bandpassfilterung unterzogen. Die Filterung erfolgt mit einer ersten Bandbreite um eine Mittenfrequenz. Aus dem Ergebnis dieser ersten Bandpassfilterung wird ein erstes Bewertungsergebnis bestimmt. Das Schallsignal wird im Frequenzbereich einer zweiten Bandpassfilterung mit einer gegenüber der ersten Bandbreite vergrößerten zweiten Bandbreite um die Mittenfrequenz der ersten Bandpassfilterung unterzogen. Aus dem Ergebnis der zweiten Bandpassfilterung wird ein zweites Bewertungsergebnis bestimmt. Unter Einbeziehung des ersten Bewertungsergebnisses und des zweiten Bewertungsergebnisses wird ein Analyseergebnis erzeugt.

Erfindungsgemäß ist das Analyseergebnis also von zwei Bandpassfilterungen mit unterschiedlichen Bandbreiten abhängig. Hiermit kann der Tatsache Rechnung getragen werden, dass insbesondere tonal heraushörbare Geräuschanteile einen Peak im Frequenzspektrum darstellen, welcher mit der ersten Bandpassfilterung mit einer kleineren Bandbreite in einem verhältnismäßig großen ersten Bewertungsergebnis erfasst werden kann. Dieses große erste Bewertungsergebnis kann aber auch für ein ungefähr gleichverteiltes Spektrum mit hohem Grundniveau ge geben sein. Mit dem zweiten Bewertungsergebnis liegt erfindungsgemäß daher eine mit einem Grundgeräuschpegel korrelierende Größe vor. Bei einer zweiten Bandpassfilterung mit vergrößerter Bandbreite vergrößert sich der Pegel oder der Pegel bleibt im wesentlichen gleich, da die zweite Bandpassfilterung nichts von der ersten Bandpassfilterung hinwegnimmt, sondern in jedem Fall Energie hinzufügt. Sind das erste und das zweite Bewertungsergebnis ungefähr gleich oder unwesentlich unterschiedlich voneinander oder liegt die Abweichung der Bewertungsergebnisse innerhalb eines konstanten oder bspw. von der Frequenz abhängigen Grenzwert, so werden beide Bewertungsergebnisse vom Pegel der ersten Bandpassfilterungen dominiert. Dieses ist Indiz dafür, dass der Mittenbereich der ersten Bandpassfilterung eher heraushörbar ist. Falls das zweite Bewertungsergebnis mit zunehmender Bandbreite gleichmäßig zunimmt, liegt eine gleichmäßige spektrale Verteilung vor. Im Idealfall ist bei reinem Rauschen kein dominierender Frequenzbereich heraushörbar. Alternativ kann das Verhältnis der Ergebnisse der ersten und zweiten Bandpassfilterungen ausgewertet werden: ist dieses konstant mit einer Variation der Mittenfrequenz, so ist von einem im wesentlichen konstanten Spektrum auszugehen. Überschreitet der Quotient aus den Bewertungsgrößen einen (bspw. konstanten, frequenzabhängigen, parameter- oder kennfeldabhängigen) Grenzwert, so ist dieses Indiz dafür, dass im Bereich der ersten Bandpassfilterung ein aus dem Spektrum heraushörbarer Geräuschanteil gegeben ist. Im umgekehrten Fall ist u.U. ein heraushörbarer Geräuschanteil im Bereich der zweiten Bandbreite außerhalb der ersten Bandbreite gegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren erfasst (indirekt) den Frequenzabstand von Pegelunterschieden, insbesondere von Bandbreiten zueinander. Ergebnis des Verfahrens ist ein automatisiert und auf einfache Weise erzeugtes und auswertbares Analyseergebnis.

Ein besonders einfaches Verfahren, welches ebenfalls der der Erfindung zugrundeliegenden Erkenntnis Rechnung trägt, ist gegeben, wenn das Analyseergebnis eine Differenz des ersten und der zweiten Bewertungsergebnisses beinhaltet.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet mindestens ein Bewertungsergebnis die Lautheit der Ergebnisse der Bandpassfilterung / mehrerer Bandpassfilterungen. Hierdurch kann auf einfache Weise das nichtlineare Hörverhalten des menschlichen Gehörs bzgl. Frequenz und Lautstärke berücksichtigt werden. Die Ermittlung der Lautheit erfolgt hierbei unter Berücksichtigung der entsprechenden DIN bzw. dem Verfahren nach Zwicker.

Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Bewertungsergebnisse in nichtlinearer Abhängigkeit von der Mittenfrequenz, von einem anderen Bewertungsergebnis oder der Differenz der Bewertungsergebnisse ausgewertet. Durch die nichtlineare Abhängigkeit von den genannten Größen kann charakteristischen Besonderheiten des zu untersuchenden Schallsignales oder des Hörverhaltens Rechnung getragen werden.

Vorzugsweise sind die für die Bandpassfilterungen gewählten Bandbreiten von der gewählten Mittenfrequenz abhängig. Bei einem Terzband wird mit einer Vergrößerung der Mittenfrequenz die absolute Frequenz-Bandbreite größer. Dies hat u. U. eine Verringerung des Einflusses des zu untersuchenden Tonsignales auf ein Ergebnis zur Folge, was durch eine geeignete Anpassung der Bandbreiten an die Mittenfrequenz ausgeglichen werden kann.

Für eine weiter verbesserte Erfassung der Heraushörbarkeit tonaler Geräuschanteile ist es möglich, dass aus einer dritten Bandpassfilterung ein drittes Bewertungsergebnis ermit telt wird, welches ebenfalls im Analyseergebnis berücksichtigt wird.

Nach einer besonderen Ausgestaltung des Verfahrens wird mindestens eine Bandpassfilterung unter Variation der relativen Bandbreite ausgeführt, wobei das Analyseergebnis die Veränderung des ersten, zweiten und/oder dritten Bewertungsergebnisses bei Variation der Bandbreite beinhaltet. Beispielsweise kann auf diese Weise die Schärfe eines Peaks im Frequenzspektrum auf einfache Weise ermittelt werden. Alternativ kann aus den Bewertungsergebnissen für unterschiedliche Bandbreiten eine Auswahl einer geeigneten Bandbreite zur weiteren Auswertung für das Analyseergebnis erfolgen.

Insbesondere, wenn die Bereiche der heraushörbaren tonalen Geräuschanteile nicht a-priori bekannt sind, ist es von Vorteil, wenn eine Variation der Mittenfrequenz erfolgt, beispielsweise mit einem "Sweep" der Mittenfrequenz. Die Extrema der Bewertungsergebnisse bzw. des Analyseergebnisses in Abhängigkeit von der Mittenfrequenz geben dann Frequenzbereiche mit heraushörbaren tonalen Geräuschanteilen an.

Vorzugsweise findet das Verfahren Anwendung für die Analyse eines Schallsignales eines Aggregates für ein Kraftfahrzeug. Bei dem Aggregat handelt es sich insbesondere um das Antriebsaggregat und/oder Hilfsaggregate wie Klimakompressoren, Kompressoren, Lenkhilfpumpen, Turbolader, Generatoren, Wasserpumpen, Hydraulikpumpen, Luftpumpen, Unterdruckpumpen, Ölpumpen, Zahnriemen(-) oder Ketten(-triebe) o.ä. Mittels des Einsatzes der Verfahren bei Kraftfahrzeugen kann eine Bewertung des Geräuschverhaltens des Kraftfahrzeuges erfolgen, wodurch beispielsweise eine Optimierung des Geräuschverhaltens ermöglicht ist. Alternativ oder zusätzlich können in tonale Geräuschanteile resultierende Fehlerquellen detektiert werden. So kann allein infolge des Schallsignales bei einer Vielzahl gefertigter Antriebsaggregate eine fehlerhafte Pro duktion frühzeitig und kostenminimiert erkannt werden. Weiterhin ist eine Detektion der Bauteile ermöglicht, welche wesentlich oder teilweise zur Geräuschbildung beitragen.

Gemäß einem besonderen erfindungsgemäßen Verfahren entspricht die Mittenfrequenz der Drehzahl des Antriebsaggregates oder einem ganzzahligen oder rationalen Vielfachen oder einem rationalen Bruchteil derselben. Viele Geräuschquellen resultieren aus der Drehbewegung des Antriebsaggregates, so dass ein wesentlicher Geräuschanteil mit der Frequenz der Drehbewegung des Antriebsaggregates entsteht. Erfolgt mit dieser Frequenz eine nichtlineare Geräuschanregung oder wird eine Schallquelle nichtlinear übertragen, so ergeben sich Sub- und superharmonische Anregungen, welche gemäß dieser Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfasst werden können.

Hierbei können einzelnen Aggregaten diskrete (Mitten-) Frequenzen zugeordnet werden, die entweder unabhängig von der Motordrehzahl verlaufen (wie z.B. ein Turbolader, der hauptsächlich eine erste Ordnung seiner eigenen Drehzahl abstrahlt) oder je nach Übersetzungsverhältnis zum Motor und der Anzahl der rotierenden Elemente (Lüfterschaufeln, Magnetpole, ineinandergreifende Zähnepaarungen etc.) typische höhere Motorordnungen anregen. Die Ordnungshöhen liegen in praktischen Beispielen häufig zwischen 16 bis 50 bei Kettenrad-Verzahnungen, zwischen 5 und 40 bei hydraulischen Anregungen (z.B. durch Ölpumpen), zwischen 10 und 70 bei pneumatischen Anregungen (z.B. durch Kompressoren) und bis weit über 100 bei Generatoren, die neben gasdynamischer Anregung von Lüfterschaufeln auch magnetische Geräusche abstrahlen können, die neben der Übersetzung von der Zahl der Polpaare abhängt. Auch wenn die absoluten Pegel der höheren Ordnungen im Verhältnis zum Gesamtgeräusch eines Motors sehr gering ausfallen und durch ihr Wegfallen keine Veränderung des Gesamtpegels bewirkt wird, können sie sehr deutlich herausstechen, da ihre frequenzmäßige Umgebung (Bandbreite) erheblich leiser ist als der Ordnungspegel selbst.

Vorzugsweise wird das Antriebsaggregat instationär betrieben und die Mittenfrequenz variiert mit der Drehzahl des Antriebsaggregates. Mit der Variation der Drehzahl variiert zumindest auch ein Teil der Anregungsfrequenzen der vorgenannten Geräuschquellen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können die vorgenannten Phänomene trotz der variierenden Anregungsfrequenz erfasst werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Geräuschanregung nur in einzelnen (u. U. unbekannten) Drehzahlbereichen auftritt.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt in der einzigen Figur ein Frequenzspektrum mit der Amplitude des Lautstärkepegels als Funktion der Frequenz und einem Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Wahl der Mittenfrequenz und der ersten sowie der zweiten Bandbreite.
In der Figur ist ein Schallsignal 10 im Frequenzbereich als Spektrum dargestellt. Hierbei ist das Schallsignal 10 über die Messung eines Schalldruckes oder eine Körperschallmessung erzeugt. Das Schallsignal 10 ist als Lautstärkepegel 11 über der Frequenz 12 dargestellt. Zur Verdeutlichung ist ein Spektrum eines Schallsignales mit einer großen Amplitude mit klar erkennbarem Peak für eine Tonfrequenz 13 ausgewählt.
Die Mittenfrequenz 14 stimmt mit der zu analysierenden Tonfrequenz überein, hier also mit der Tonfrequenz 13. Die Mittenfrequenz kann hierbei a-priori bekannt oder vorgegeben sein oder aber innerhalb des Verfahrens ermittelt oder adaptiert werden.
Mit einer ersten Bandbreite 15 zwischen einer unteren Grenzfrequenz 16 und einer oberen Grenzfrequenz 17 um die Mittenfrequenz 14 wird das Schallsignal 10 gefiltert. Weiterhin wird das Schallsignal mit einer zweiten Bandbreite 18 zwischen einer unteren Grenzfrequenz 19 und einer oberen Grenzfrequenz 20 um die Mittenfrequenz 14 gefiltert, wobei die erste Bandbreite 15 kleiner ist als die zweite Bandbreite 18, die untere Grenzfrequenz 16 größer ist als die untere Grenzfrequenz 19 und die obere Grenzfrequenz 17 kleiner ist als die obere Grenzfrequenz 20.
Bei den Bandbreiten 15, 18 handelt es sich um beliebige Bandbreiten, welche a-priori bekannt oder vorgegeben sind oder aber innerhalb des Verfahrens ermittelt oder adaptiert werden. Hierbei finden insbesondere eine Terzbandbreite oder eine Oktavbandbreite Einsatz, ggf. unter Teilung durch eine natürliche oder rationale Zahl.
Unter den Bandpassfilterungen wird insbesondere eine analoge oder digitale Filterung mit beliebiger Filtercharakteristik verstanden. Insbesondere bei der zweiten Bandpassfilterung kann es sich um eine Filterung mit mehreren einzelnen Bandpassfilterungen und/oder mit einer Ermittlung der Lautheit nach DIN 45631 handeln.
Das Ergebnis der ersten [zweiten] Bandpassfilterung wird zu einem ersten [zweiten] Bewertungsergebnis umgerechnet. Bei dem ersten und/oder zweiten Bewertungsergebnis kann es sich beispielsweise

– um mindestens einen ausgewählten Wert des Ergebnisses der Bandpassfilterung wie ein Extremum im Zeit- oder Frequenzbereich,
– die funktionale Verknüpfung mehrerer solcher Werte miteinander,
– die funktionale Verknüpfung mehrerer solcher Werte mit vorgegebenen Abhängigkeiten
– und/oder mindestens eine integrale Größe von dem Ergebnis der Bandpassfilterung

21

_B1

22

_B2

Aus dem ersten Bewertungsergebnis x_B1 und dem zweiten Bewertungsergebnis x_B2 wird über eine lineare oder nichtlineare Funktion F ein Analyseergebnis A erzeugt:
A = F(x_B1; x_B2)
Alternativ kann das Analyseergebnis auch mit einem a-priori abgelegten Kennfeld erzeugt werden, welches von den Bewertungsergebnissen oder einer Funktion derselben abhängig ist. Das Analyseergebnis ist insbesondere eine Zahlenmatrix, eine Kurve oder eine konkrete Zahl, welcher einen konkreten und einfach auswertbaren und weiterverarbeitbaren Anhaltspunkt für die tonalen Geräuschanteile darstellt.
Im einfachsten Fall stellen die Bewertungsergebnisse x_B1 und x_B2 die Lautheiten dar und das Analyseergebnis enthält eine Differenzbildung der Lautheiten x_B1 und x_B2.
Vor dem Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Schallsignal bereits mindestens einer Signalverarbeitung unterzogen worden sein.

Claims

Verfahren zur Analyse eines Schallsignales (10), bei welchem das Schallsignal (10) mit mehreren Bandpassfilterungen ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass – das Schallsignal (10) im Frequenzbereich einer ersten Bandpassfilterung mit einer ersten Bandbreite (15) um eine Mittenfrequenz (14) unterzogen wird und mit dem Ergebnis der ersten Bandpassfilterung ein erstes Bewertungsergebnis (x_B1) bestimmt wird, – das Schallsignal im Frequenzbereich einer zweiten Bandpassfilterung mit einer gegenüber der ersten Bandbreite vergrößerten zweiten Bandbreite (18) um die Mittenfrequenz (14) der ersten Bandpassfilterung unterzogen wird und mit dem Ergebnis der zweiten Bandpassfilterung ein zweites Bewertungsergebnis (x_B2) bestimmt wird, – ein Analyseergebnis (A) unter Einbeziehung des ersten Bewertungsergebnisses (x_B1) und des zweiten Bewertungsergebnisses (x_B2) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Analyseergebnis (A) eine Differenz des ersten Bewertungsergebnisses (x_B1) und des zweiten Bewertungsergebnisses (x_B2) beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bewertungsergebnis (x_B1) und/oder das zweite Bewertungsergebnis (x_B1) die Lautheit (21; 22) der Ergebnisse der Bandpassfilterungen beinhaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bewertungsergebnis (x_B1) und/oder das zweite Bewertungsergebnis (x_B2) in nichtlinearer Abhängigkeit von der Mittenfrequenz (14), vom ersten Bewertungsergebnis (x_B1), vom zweiten Bewertungsergebnis (x_B2) und/oder der Differenz der Bewertungsergebnisse ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bandbreite (15) und/oder die zweite Bandbreite (18) von der gewählten Mittenfrequenz (14) abhängig ist/sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, – dass das Schallsignal (10) im Frequenzbereich einer dritten Bandpassfilterung mit einer gegenüber der ersten Bandbreite (15) und der zweiten Bandbreite (18) veränderten Bandbreite um die Mittenfrequenz (14) oder eine abweichende Mittenfrequenz unterzogen wird, – dass aus dem Ergebnis der dritten Bandpassfilterung ein drittes Bewertungsergebnis bestimmt wird und – dass ein Analyseergebnis unter Einbeziehung des ersten Bewertungsergebnisses (x_B1), des zweiten Bewertungsergebnisses (x_B2) und des dritten Bewertungsergebnisses erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, zweite und/oder dritte Bandpassfilterung unter Variation der Bandbreiten (15; 18) ausgeführt werden und das Analyseergebnis die Veränderung des ersten, zweiten und/oder dritten Bewertungsergebnisses (x_B1; x_B2) bei Variation der Bandbreiten (15; 18) beinhaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Variation der Bandbreiten (15; 18) für die erste, zweite und/oder dritte Bandpassfilterung erfolgt und unter Auswertung der Veränderung des erste, zweiten und/oder dritten Bewertungsergebnisses (x_B1; x_B2) die Auswahl einer geeigneten Bandbreite von den variierten Bandbreiten zur weiteren Auswertung für das Analyseergebnis erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Variation der Bandbreiten (15; 18) für die erste, zweite und/oder dritte Bandpassfilterung erfolgt und die Veränderung des Analyseergebnisses in Abhängigkeit von der gewählten Bandbreite ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Variation der Mittenfrequenz (14) erfolgt und anhand mindestens eines Bewertungsergebnisses und/oder des Analyseergebnisses bzw. der Veränderung desselben eine geeignete Mittenfrequenz (14) ausgewählt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Schallsignal (10) ein Schallsignal eines Aggregates für ein Kraftfahrzeug verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antriebsaggregat des Kraftfahrzeuges instationär betrieben wird und die Mittenfrequenz (14) mit der Drehzahl des Antriebsaggregates variiert.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, die Mittenfrequenz (14) ein Vielfaches der Drehzahl des Antriebsaggregates beträgt.