Die vorliegende Studie befasst sich mit der Problematik geringer Geräuschemissionen von elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen. Diese Problematik entsteht durch die nicht ausreichende akustische Warnfunktion für andere Straßenverkehrsteilnehmer (z.B. Fußgänger und Radfahrer), durch die schlechte Rückmeldung der Fahrzeugführungsgrößen (z.B. Drehzahl und Last) an den Fahrer und durch eine fehlende Identifikation des elektrisch fahrenden Kraftfahrzeugs mit der Fahrzeugmarke bzw. mit dem Image des Fahrzeugherstellers. Daher ist es das Ziel, ein künstliches Fahrzeuggeräusch zu implementieren, das die oben genannten Defizite ausgleicht. Außengeräuschmessungen haben gezeigt, dass Lautstärkepegel eines Fahrzeuges mit Verbrennungsmotor auch von einem Fahrzeug im elektrischen Fahrbetrieb mit einer künstlichen Geräuscherzeugung auf Basis von Luft- oder Körperschall erreicht und übertroffen werden können. Die aus Innengeräuschmessungen abgeleiteten Analysen zeigen, dass es Korrelationen mit dem physikalischen Klangbild und einigen psychoakustischen Werten künstlicher Sounds gibt. Es konnte ein Beitrag zum besseren Verständnis der Mensch-Maschine-Schnittstelle geleistet werden.

Textprobe: Kapitel 4.4.1, ASD-System 1: Das Active Sound Design System 1 ist vollsynthetisch und basiert auf Zeitsignalen. Die Hardware besteht in der Serienkonfiguration aus Körperschallerreger, Steuergerät und Programmieradapter. Bis auf letzteres wird jedes Bauteil für die Benutzung fest im Fahrzeug verbaut. Zusätzlich wird eine Fahrzeug-CAN-An- bzw. Ausbindung für das Steuergerät benötigt. Der Körperschallaktuator basiert auf dem Funktionsprinzip eins Lautsprechers: Er wandelt elektrische Signale mit Hilfe einer Schwingspule in mechanische Schwingungen um, wofür keine Membran vorzusehen ist, sondern eine rohbaufeste Verbindung an einer akustisch geeigneten Position im Fahrzeug. Für das Demonstratorfahrzeug wurde mittels einer rohbaufesten Konsole die Stirnwand angeregt. Eine von einem Magneten umgebene Schwingspule erzeugt im Aktuator bei anliegendem Strom ein magnetisches Feld. Durch die Interaktion des Festmagneten mit dem Magnetfeld resultiert die Lorentzkraft. Der Magnet oszilliert zentriert in der Schwingspule. Die resultierende Lorentzkraft verläuft orthogonal zu der Stromflussrichtung sowie zu den Feldlinien des Festmagneten. Bei Umkehrung der Stromflussrichtung bleibt die Kraftwirkung richtungstreu. Dadurch können auch bei anliegender Wechselspannung oszillierende mechanische Schwingungen erzeugt werden. Die Innen- und Außengeräuscherzeugung ist mit dem ASD-Systems 1 möglich. Der Beweis für entsprechend hohe Außengeräuschpegel wird in Kapitel 5.3 angetreten. Hierfür ist ein geeigneter Anbringungspunkt zur Krafteinleitung essentiell, da die Übertragungsfunktion von Körperschallerregern stark von der Anbringungsart, der zu erregenden Oberfläche und den Materialeigenschaften des Anbringungskörpers abhängig ist. Dabei sind Schubfelder und flächige Bauteile zu bevorzugen. Generell gilt es flächige Bauteile anzuregen, da diese ein besseres akustisches Abstrahlverhalten besitzen. Darüber hinaus ist eine mittige Anbringung (in Y-Richtung) vorzunehmen, um ein homogenes Luftschallfeld im Innenraum zu erzeugen. Im Speziellen ist für die Schallerzeugung für Fahrzeuge mit Frontmotor im Innenraum ein Anregungsort nahe der Frontscheibe wichtig, da diese ein gutes frontales Abstrahlverhalten in den Fahrgastraum aufweist. Im Bereich der Außengeräuscherzeugung ist die Körperschallanregung der Motorhaube zu empfehlen. Diese Erkenntnisse beruhen auf Vergleichsmessungen und Versuchsfahrten. Steht kein flächiges Bauteil zur Außengeräuscherzeugung zur Verfügung, ist die Benutzung von einem Lautsprecher ebenfalls möglich. Für das Demonstratorfahrzeug ist dies der Fall. Um Unfälle durch das besonders gefährliche Fahrmanöver Zurücksetzen bestmöglich zu vermeiden, wurde der Lautsprecher im unteren Fahrzeugheck untergebracht. Sound-Bedatung Für die Erzeugung eines ganzheitlichen Fahrzeug-Sounds nach den Vorgaben aus Tabelle 3 müssen Angaben bezüglich mehrerer Fahrzeugparameter gemacht werden. Die Bedatung bzw. Implementation in ein Fahrzeug erfolgt über Geräuschdatensätze. Es stehen 12 Sound-Spuren zur Bedatung zur Verfügung. Als Basis werden Signalfunktionen mit einheitslosen Amplitudenwerten im Wertebereich von Null bis Eins über 512 Stützstellen deniert. Die Dauer einer Signalfunktion entspricht der Dauer, die eine Verbrennungsmotorkurbelwelle für zwei Umdrehungen benötigt. Das bedeutet, dass sich der generierte Sound aus maximal 12 unterschiedlichen Signalfunktionen zusammensetzen kann. Aus den Vorgaben Gefahrenquelle und Frequenzspektrum aus Tabelle 3 resultiert die Anforderung einen maschinenähnlichen und breitbandigen Sound zu kreieren. Das ASD-System 1 ist dafür gut bis sehr gut geeignet, da es auf frei denierbaren Zeitsignalen basiert. Versuche haben gezeigt, dass sinusförmige Signalfunktionen eher künstlich klingen, da sie reine Töne erzeugen. Fahrzeug-Sounds, die verbrennungs-ähnlich klingen, haben rechteckförmige Signalfunktionen zur Basis. Um eine gewisse Rauigkeit und Härte in einem künstlich bzw. elektrisch klingenden Sound zu erzeugen, ist es anzustreben, sinusförmige Signalfunktionen ab einer bestimmten Amplitude zu kappen, d. h. abzuflachen, sodass jeweils positive und negative Plateaus entstehen. Dabei steht das Kriterium Gefahrenquelle und eine angestrebte Neuartigkeit des Klangs im Widerspruch, da gewohnte Fahrzeugklänge eher mit einer Gefahr assoziiert werden als unbekannte neue Sounds. Es wurde für alle Sound-Spuren jeweils die gleiche Signalfunktion gewählt, um Verstärkungseffekte zu erreichen. Das zu bedatende Fahrzeug hat in seiner ursprünglichen Form sechs Zylinder und ist sehr sportlich. Das bedeutet, dass die gewählte Signalfunktion aus sechs gekappten Sinusfunktionen besteht, um eine gewisse Ähnlichkeit zu erzeugen. Damit kann der Kompromiss für den Basis-Sound verbrennungsmotor ähnlich, aber dennoch künstlich erfüllt werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit jeweils drehzahlabhängige Abspielfrequenzen zu denieren: Es kann pro Sound-Spur eine (ktive) Motorordnung zugewiesen werden. Der Sachverhalt aus Kapitel 4.2 mit dem Kriterium Frequenzspektrum aus Tabelle 3 kann auf die Sound-Bedatung projiziert werden, in dem pro Sound-Spur unterschiedliche Motorordnungen betont werden. Somit kann ein entsprechend breitbandiges Signal erzeugt werden. Die Bedatung der drehzahlabhängigen Abspielfrequenzen geschieht in Abhängigkeit der gewählten Signalfunktion und dient der Feinabstimmung des Zielsounds. Das Kriterium Emotionalisierung wird vorallem dadurch erreicht, dass höhere Motorordnungen erst bei höheren Lasten, Geschwindigkeiten und Drehzahlen zugeschaltet werden. Der Drehzahlbereich der CAN-Eingangswerte des Antriebsaggregats wird 256 zu denierenden Stützstellen zugeordnet. Eine Gewichtung über der Drehzahl geschieht, indem für jede Drehzahlstützstelle ein Amplitudenfaktor im Wertebereich zwischen Null und Eins angegeben wird. Diese lassen sich entsprechend den 12 Sound-Spuren zuordnen. Entsprechend den Abspielfrequenzen wird hier eine Gewichtung zum Lauteren bei höheren Drehzahlen vorgenommen (Emotionalisierung und Rückmeldung). Der Kompromiss zwischen der Belastung des Fahrzeugführers und der Maskierung bestehender Reststörgeräusche im Fahrzeuginnenraum muss gewahrt bleiben. Für den Außen-Sound ist dabei die Mithörschwelle von Passanten zu berücksichtigen, wobei maximale Schalldruckpegel einzuhalten sind. Ähnlich zur Drehzahlabhängigkeit lassen sich Geschwindigkeits- und Lastbereiche des Fahrzeugs denieren und gewichten. Dabei werden 32 Stützstellen verwendet, wobei sich die Stützstellen des Lastbereichs auf relative Kupplungsmomente beziehen. Negative relative Kupplungsmomente sind möglich (Schub- und rekuperativer Betrieb). Positive relative Kupplungsmomente sind entsprechend dem Zug-Betrieb zuzuordnen. Die Geschwindigkeits- und Lastfunktionen lassen sich jeweils entsprechend den 12 Sound- Spuren zuordnen. Damit kann entsprechend der Drehzahl ebenfalls eine Amplitudengewichtung vorgesehen werden, um den o. g. Kriterien für den Zielsound eines Active Sound Design Systems gerecht zu werden. Die Getriebefunktion ist ein zusätzliches schaltbares Add-On. Hier wird ein mehrstufiges Getriebe mit stufenweisen Drehzahlsprüngen in einem Fahrzeug mit nur einer Übersetzungsstufe simuliert und in seiner Lautstärke gewichtet. Die Drehzahlgrenzwerte und da jeweils simulierte Übersetzungsverhältnis ist pro Schaltstufe einstellbar. Maximal können acht Schaltstufen realisiert werden. Zudem besteht die Möglichkeit eines An- und Abschalt-Sounds. Dabei können zeitabhängige Drehzahlsprünge beim Starten und Abschalten des Motors sowie eine Leerlaufdrehzahl simuliert werden. Neben den Drehzahlwerten ist die Dauer bis zum Erreichen der gewünschten Drehzahl einstellbar. Zusammengefasst bedeutet dies, dass beim Anlassen des Elektrofahrzeuges (Drehen des Zündschlüssels nach rechts) z. B. ein kurzes Aufheulen mit anschließendem Leerlauf zur Signalisierung der Betriebsbereitschaft simuliert werden kann. Beim Abschalten des elektrisch betriebenen Fahrzeuges (Drehen des Zündschlüssels nach links) kann ebenso ein Abschaltvorgang deniert werden. Hier ist ein kurzes akustisches Hochdrehen mit anschließendem weichen Austrudeln realisiert worden. Somit kann die Rückmeldung an den Fahrer und die damit verbundenen Emotionalisierung gewährleistet werden. Die Bedatung, d. h. die Implementierung des zuvor erzeugten Fahrzeug-Sounds in das Fahrzeug geschieht wie folgt: Mehrere Geräuschdatensatz-Tabellen werden in Hexadezimalwerte umgerechnet und mittels Software auf ein Steuergerät überspielt. Dies wird durch eine eindeutige Fahrzeugidentifikation und entsprechend anzusteuernden CANDaten erreicht.

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Nils Donath, Dipl-Ing., wurde 1983 in Rostock geboren. Sein Studium der Fahrzeugtechnik an der Technischen Universität schloss der Autor im Jahre 2011 erfolgreich ab. Bereits während des Studiums sammelte der Autor umfassende praktische Erfahrungen in der Fahrzeugindustrie. Fasziniert von der Idee der Elektromobilität, beschäftigt sich der Autor seitdem mit diesem Thema. Seine Tätigkeit bei Automobilherstellern motivierte ihn, sich der Thematik des vorliegenden Buches im Rahmen einer Studie zu widmen.