Handbuch Fahrzeugakustik

Automobile sind wie kaum ein anderes Wirtschaftsgut sowohl durch rationale als auch durch emotionale Aspekte gekennzeichnet. Rational sind Pkw Transport- und Fortbewegungsmittel, welche für das Funktionieren moderner Gesellschaften unverzichtbar sind. Emotional sind sie gleichzeitig als Status- und Lifestyleprodukte Projektionsfläche für das Lebensgefühl vieler Menschen. Dementsprechend sind sowohl ökonomische wie auch soziale Trends von erheblichem Einfluss auf die zukünftigen Entwicklungen im Automobilbau. Diesen Trends muss auch das ″Acoustic Branding″ gerecht werden. Die bewusste und konsequente akustische Gestaltung von Automobilen im Rahmen der auditiven Markenführung ist noch relativ neu, sie gewinnt aber zunehmend an Bedeutung. Damit gelingt es, die Aufmerksamkeit des Kunden in einer reizüberfluteten Konsumwelt zu bündeln, emotionale Identität mit einer Marke sowie dem Produkt zu schaffen und Unterscheidung zum Wettbewerb herzustellen.

Für den Fahrzeuginsassen sind Schwingungen vornehmlich über drei Rezeptionskanäle von Bedeutung: Höherfrequente Schwingungen werden in Form von Luftschall als Geräusche wahrgenommen, niederfrequente Schwingungen werden über die Kontaktflächen des Insassen zum Fahrzeug als Vibrationen taktil empfunden und tieffrequent schwingende Oberflächen können auch noch störende visuelle Eindrücke liefern. Als Schwingungsquellen wirken in erster Linie die Antriebseinheit, die Radanregung, die aerodynamische Umströmung und mechatronische Aktoren. Die Transferpfade, auf denen die Schwingungsanregungen zum Fahrzeuginsassen bzw. zu externen Passanten gelangen, können in Luftschall- und Körperschallpfade unterteilt werden. Die Erfahrung zeigt, dass zur Beeinflussung der Geräuschkulisse im Inneren eines Fahrzeuges Einzelmaßnahmen im Allgemeinen nur einen kleinen Beitrag bringen oder überhaupt nicht merkbar sind. Erst durch die systematische Beeinflussung aller relevanten Luft- und Körperschallpfade im Rahmen eines akustischen Gesamtkonzeptes können die gewünschten Ergebnisse erreicht werden.

Mechanische Schwingungen treten in der Fahrzeugtechnik in vielfältiger Weise auf. In der weit überwiegenden Anzahl handelt es sich dabei um unerwünschte Störungen, die es zu minimieren gilt. In bestimmten Fällen sind Schwingungsphänomene aber auch geeignet, den Fahrzeugcharakter zu unterstreichen. So wäre es z. B. nicht zielführend, alle fahrbahnerregten Schwingungen durch das Fahrwerk vollständig auszufiltern, da damit auch der gewünschte Fahrbahnkontakt verloren ginge.

Tieffrequente Schwingungen bis ca. 50 Hz werden vom Menschen bei körperlichem Kontakt mit dem Schwingungssystem unmittelbar als Vibration wahrgenommen, während höherfrequente Schwingungen bis ca. 1 kHz als Körperschall von Bedeutung sind. Für die menschliche Wahrnehmung spielt dieser nur dann eine Rolle, wenn durch ihn Luftschall angeregt wird, der anschließend auch vom Ohr wahrgenommen wird. Im Übergangsbereich zwischen 20 und 100 Hz sind Schwingungen sowohl hörbar als auch fühlbar und werden im englischen Sprachraum auch als Harshness (Rauheit) bezeichnet.

Ist das vorliegende Niveau der Schwingungen aus Komfortgründen nicht tolerabel, so müssen Maßnahmen zur Minderung ergriffen werden. Diese können in Abhängigkeit vom notwendigen Energiebedarf in passive, semi-aktive und aktive Maßnahmen unterteilt werden. Passive Maßnahmen beeinflussen das Übertragungsverhalten der Transferpfade durch Variation von Bauteilparametern. Sie kommen somit ohne zusätzliche Energie aus. Semi-aktive Maßnahmen beeinflussen gleichermaßen die Übertragungsfunktionen der Transferpfade. Um die Parameter der beteiligten Bauelemente jedoch abhängig vom Betriebszustand einstellen zu können, werden diese als aktiv steuerbare oder regelbare Elemente ausgeführt, was die begrenzte Zufuhr von Hilfsenergie voraussetzt. Bei den voll-aktiven Maßnahmen erfolgt die Schwingungsbeeinflussung nicht über die Variation der Parameter der Transferpfade, sondern über die Aufprägung von zusätzlichen Kompensationskräften. Die dazu erforderlichen Aktoren benötigen kontinuierlich und in erheblichem Umfang Hilfsenergie.

Der vom Fahrzeuginsassen subjektiv empfundene Fahrkomfort eines Automobils setzt sich aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Sinneseindrücken zusammen. Dabei spielen neben den Handlingeigenschaften und den Schallimmissionen insbesondere die Schwingungseigenschaften des Fahrzeugs eine erhebliche Rolle. Die Komforteigenschaften eines Fahrzeugs stellen nicht nur ein wichtiges subjektives Beurteilungskriterium für potentielle Käufer dar. Darüber hinaus ist der Fahrkomfort auch objektiv direkt mit der Fahrsicherheit verkoppelt, da Diskomfort bei längeren Autofahrten zu Ermüdung und Konzentrationseinschränkungen führen kann und damit zu erhöhter Unfallgefahr beiträgt.

Flüssigkeiten und Gase können keine Scherspannungen aufnehmen. Daher breiten sich in diesen Medien nur Longitudinalwellen aus. Schallereignisse in der Luft sind durch diese verursachte kleine zeitlich und örtlich verteilte Schwankungen des statischen Luftdrucks. Bei der Entstehung von Luftschall wird zwischen der direkten und der indirekten Schallentstehung unterschieden. Bei der direkten Schallenstehung werden die Luftteilchen durch Strömungsvorgänge unmittelbar zu Schwingungen, d. h. zu Luftschall, angeregt. Als indirekte Schallentstehung bezeichnet man dagegen den Mechanismus, bei dem, ausgehend von Erregerkräften, in einer mechanischen Struktur höherfrequente Schwingungen eingeleitet werden. Ein Teil der so induzierten Körperschall-Schwingungsenergie wird in Wärme umgewandelt, ein anderer Teil an der Strukturoberfläche auf die angrenzende Luft übertragen. Diese Energieübertragung bezeichnet man als Schallabstrahlung. Bei der Umsetzung von geräuschreduzierenden Maßnahmen kann zwischen passiver und aktiver Geräuschminderung unterschieden werden.

Körperschall sind Schwingungen, die sich in elastischen Festkörpern ausbreiten. Der relevante Frequenzbereich geht weit über den taktil wahrnehmbaren Bereich der Strukturschwingungen hinaus. Im Kraftfahrzeug wird Körperschall immer dann zum Problem, wenn durch diesen fühlbare Schwingungen oder sekundärer Luftschall im hörbaren Frequenzbereich angeregt wird. Im Gegensatz zu Gasen und Flüssigkeiten, in denen sich Schwingungen nur in Form von Longitudinalwellen (Druckwellen) ausbreiten können, treten aufgrund der Tatsache, dass feste Körper auch Schubkräfte aufnehmen können, weiterer Wellenarten auf. Wegen der begrenzten Abmessungen der übertragenden Strukturen bilden sich in der Regel Schwingungsmoden aus, d. h. stehende Wellen mit ausgeprägten Resonanzen und Antiresonanzen. Die Schwierigkeiten, welche mit der Ausbreitung des Körperschalls verbunden sind, haben ihre Ursache auch in der sehr geringen Entfernungsabhängigkeit bei der Wellenausbreitung in den zumeist schwach gedämpften Strukturen eines Fahrzeugs. Erst geeignete Diskontinuitäten führen daher zu einer merklichen Abnahme des Körperschalls. Nachstehend werden neben den allgemeinen Mechanismen der Ausbreitung von Körperschall und der Abstrahlung von sekundärem Luftschall insbesondere die Behinderung der Einleitung durch geeignete technische Maßnahmen betrachtet.

Die Psychoakustik untersucht die Zusammenhänge zwischen den auf das Gehör des Menschen einwirkenden akustischen Reizen und den daraus resultierenden Empfindungen. Das Problem liegt in der Tatsache, dass die akustischen Reize eindeutig durch objektive physikalische Größen wie Frequenz, Schalldruck, usw. zu definieren sind, während die dadurch hervorgerufenen Empfindungen nur durch mehr oder weniger subjektive Beschreibungen von Versuchspersonen zugänglich sind. Abhängig von der Hörerfahrung ist die akustische Wahrnehmung unterschiedlich differenziert. Deshalb muss bei Probandenversuchen klar zwischen dem Urteil akustischer Experten und Laien unterschieden werden. Während bei der Bearbeitung akustischer Probleme vorrangig das Expertenurteil interessant ist, sollten bei Probandenuntersuchungen zur akustischen Zielfindung immer auch akustische Laien einbezogen werden, um zu realistischen Anforderungen zu gelangen.

Unter dem Begriff Fahrgeräusch werden alle Geräusche im Fahrzeuginnenraum subsumiert, welche direkt mit der Fortbewegung des Fahrzeugs korreliert sind. Hauptgeräuschquellen des Fahrgeräusches sind das Antriebsgeräusch sowie Wind- und Rollgeräusche. Das Fahrgeräusch im Fahrzeug-Innenraum setzt sich sowohl aus Anteilen zusammen, die als direkter Luftschall emittiert werden, als auch aus solchen, die durch Körperschall übertragen und erst von der Karosserie als sekundärer Luftschall in den Fahrzeuginnenraum abgestrahlt werden. Im Gegensatz dazu spielen für das Außengeräusch in der Vorbeifahrt nach Abschn. 14.2 die Körperschallpfade in den Fahrzeuginnenraum keine Rolle.

Die Antriebseinheit, bestehend aus den zumeist aneinander gekoppelten Aggregaten Verbrennungsmotor und Getriebe, sowie die Ladungswechselkomponenten Ansaug- und Abgasanlage, bildet die vibro-akustische Hauptanregungsquelle in einem Automobil. Insofern ist die Akustikoptimierung des Antriebs von größter Bedeutung. Werden bei der Entwicklung wesentliche Akustikmerkmale vernachlässigt, so kann beim Gesamtfahrzeug in der Regel kein zufriedenstellendes Ergebnis mehr erreicht werden. Die Akustikauslegung des Antriebs erweist sich als zunehmend anspruchsvoll, da der Trend zu immer leichteren und komplexeren Aggregaten oft im Gegensatz zu den Akustikanforderungen steht. Leichtbau-Kurbelgehäuse aus Aluminium bzw. Magnesium sowie vollvariable Ventiltriebe und Hochdruck-Direkteinspritzung seien hier beispielhaft genannt. Nur die optimale Gestaltung des Motor-Getriebe-Verbundes zur Minimierung der vibroakustischen Emissionen, verbunden mit der gezielten Entkopplung aller relevanten Luft- und Körperschallpfade bei der Integration des Antriebs in das Fahrzeug, machen gute akustische Eigenschaften möglich.

Das Ladungswechselgeräusch umfasst die vom Ansaug- und Abgassystem abgestrahlten Geräuschanteile. Sie können unterteilt werden in Geräuschkomponenten, die durch die Pulsation der Strömung in Folge des periodischen Arbeitsprozesses verursacht werden und in das gleichförmige Strömungsrauschen aufgrund der kontinuierlichen turbulenten Durchströmung der Luft und Gas führenden Bauteile. Das Strömungsgeräusch ist insbesondere bei niedrigen Drehzahlen und hoher Last von Bedeutung, da hier ein entsprechend großer Volumendurchsatz hohe Anregungen verursacht. Bei zunehmenden Drehzahlen dominieren dann immer mehr die mechanischen Geräusche. Das Pulsationsgeräusch wird abgasseitig in erster Linie durch die Einfügedämmung des Schalldämpfers und damit durch das Schalldämpfervolumen beeinflusst. Das Strömungsrauschen hängt vom Querschnitt und den Krümmungsradien der Rohrleitungen ab. Die akustische Auslegung der Ansaug- und Abgassysteme gestaltet sich oftmals als schwierig, da hier eine ganze Reihe von Zielkonflikten vorliegen. So wird für hohe Motorleistung ein geringer Abgasgegendruck in der Abgasanlage benötigt, verbunden mit großen inneren Durchmessern der Abgasrohre und den daraus resultierenden negativen Effekten auf das Einfügedämmmaß der Anlage. Kompensiert werden kann dieser Effekt durch größere Schalldämpfervolumina, die aber nur schwer im Package eines Fahrzeugs unterzubringen sind. Saugseitig sind unter Umständen Resonatoren vorzusehen, um unerwünschte Frequenzanteile zu dämpfen.

Der Reifen ist ein zentrales Bauteil zur Gewährleistung der Fahrzeugsicherheit und des Fahrzeugkomforts. Die wichtigsten Reifeneigenschaften sind das Tragen des Fahrzeuggewichtes, das Übertragen der Lenk- und Antriebskräfte vom Fahrzeug zur Straße und die Isolation von Unregelmäßigkeiten der Straßenoberfläche. Die Bodenaufstandsfläche des Reifens ist der einzige direkte Kontakt zwischen Fahrzeug und Fahrbahn. Diese Verbindung muss so gestaltet sein, dass große Kräfte unter allen Fahrbedingungen sicher übertragen werden. Die Reifeneigenschaften müssen so gestaltet werden, dass unterschiedlichste Anforderungen hinsichtlich Fahrsicherheit, Fahrkomfort und Wirtschaftlichkeit erfüllt werden. Um dieses Ziel zu erreichen, kann der Reifeningenieur Veränderungen am Reifenprofil, an der Gummimischung, der Reifenkontur und der Reifenkonstruktion vornehmen.

Da der durch Fahrgeräusche verursachte Geräuschpegel im Innenraum von Kraftfahrzeugen aufgrund der anhaltenden Optimierung von Antriebs-, Roll- und Windgeräuschen in den letzten Jahren immer geringer wurde, treten heute störende Nebengeräusche verstärkt in Erscheinung. Wie bereits im Namen verankert, sind grundsätzlich alle hörbaren Geräusche die Störpotential besitzen, dieser Kategorie zuzuordnen. Quellen für störende Nebengeräusche sind im Kraftfahrzeug neben den Antriebskomponenten auch alle mechatronischen Systeme sowie Kontaktstellen, insbesondere im Bereich der Karosserie und des Interieurs. Infolge von Relativbewegungen der berührenden Oberflächen zueinander kann es hier zu sehr unangenehmen Klapper- und Knarzgeräuschen kommen.

Das Fahrzeugaußengeräusch ist diejenige Fahrzeugeigenschaft, welche nicht nur für den Besitzer des Fahrzeugs selbst, sondern gleichermaßen für Passanten und Anwohner von Bedeutung ist. Die Palette der Geräuschphänomene reicht dabei vom Röhren eines abfahrenden Sportwagens, welche den Fahrzeugcharakter betonen soll, über die Belästigung, welche ein nagelndes Dieselfahrzeug im Stand bei Passanten hervorrufen kann, bis zu Aspekten der Verkehrssicherheit, welche mit der ausreichenden akustischen Wahrnehmbarkeit eines Fahrzeugs im Stadtverkehr verknüpft sind. Aufgrund seines akustischen Störpotentials ist das Außengeräusch auch die einzige vibroakustische Eigenschaft, für welche der Gesetzgeber Grenzwerte vorschreibt. Alle diese Themen werden insbesondere auch vom sozialen Umfeld bewertet, so dass es im Interesse der Automobilindustrie liegt, durch das akustische Erscheinungsbild im Außengeräusch zugleich um soziale Akzeptanz als auch um Begeisterung für ihre Produkte zu werben.

Nur für sehr einfache Systeme kann das vibroakustische Verhalten unmittelbar mathematisch-analytisch formuliert und berechnet werden. Um komplexe Systeme zu behandeln, sind vereinfachte Modelle des Realsystems erforderlich, die dennoch in vielen Fällen nur im Computer effizient analysiert werden können. Als numerische Methode für niederfrequente Übertragung hat sich die Mehrkörpersimulation (MKS) etabliert. Typisch sind für diese Methode die Annahme starrer Körper sowie lineare und nichtlineare Koppelelemente. Bei räumlich ausgedehnten Strukturen und höheren Frequenzen ist die Annahme starrer Körper oft nicht mehr zulässig. Hier verwendet man die Finite-Elemente-Methode (FEM). Dabei wird der Körper in viele kleine Elemente unterteilt. Die Stetigkeitsbedingungen an den Begrenzungsflächen der einzelnen Flächen- oder Volumenelemente führen letztlich auf ein lineares Gleichungssystem. Die Lösungen des homogenen Gleichungssystems ergeben die Eigenschwingformen und Eigenfrequenzen der Struktur. Im höherfrequenten Bereich nimmt die Anzahl der Schwingungsmoden stark zu, eine exakte Betrachtung wird dementsprechend immer aufwändiger. Durch statistische Mittelung über viele Eigenschwingformen kann das Problem wieder vereinfacht und die Rechenzeit begrenzt werden. Hier setzt die statistische Energieanalyse (SEA) an. Die damit verbundene Näherung ist jedoch nur exakt genug, wenn die Zahl der Resonanzen entsprechend groß und damit die Frequenz oberhalb von ca. 500 Hz liegt. Während sich die typischen Frequenzbereiche von MKS- und FEM-Berechnungen weit überlappen, setzt die SEA erst oberhalb des praktisch nutzbaren Frequenzbereiches der FEM von maximal ca. 200 Hz ein. Man spricht daher vom „Mid-Frequency-Gap“ zwischen 200 und 500 Hz. Dieses durch geeignete Methoden zu schließen ist derzeit noch Gegenstand der Forschung.

Für die Analyse des vibroakustischen Verhaltens von Fahrzeugen, Teilsystemen oder Komponenten steht eine Vielzahl unterschiedlicher Methoden zur Verfügung. Die Methoden zur Ortung von Schallquellen dienen hauptsächlich dazu, unbekannte Störquellen ausfindig zu machen. Dagegen hat die Transferpfadanalyse die Zielsetzung, den vibroakustischen Energiefluss von einer oder mehreren Quellen bis zum Empfänger aufzudecken und quantitativ zu beschreiben. Auf dieser Grundlage können dann Maßnahmen zur Reduktion des Geräuscheintrages beim Empfänger ergriffen werden. Die Modalanalyse erlaubt es, das Verhalten einer Struktur durch ihre Eigenschwingformen zu beschreiben. Da in vielen Fällen bereits wenige dominante Schwingformen ausreichen, um das Strukturverhalten ausreichend genau zu beschreiben, lässt sich mit dieser Methode der Beschreibungsaufwand für komplexe Systeme stark reduzieren. Im Gegensatz dazu, liegt der Betriebsschwingungsanalyse kein Modell zugrunde, vielmehr werden die Betriebsschwingungen direkt gemessen und visualisiert. Mit dieser Methode kann allerdings nicht auf Betriebsschwingungen bei unbekannter Anregung geschlossen werden.

Vibroakustische Messsysteme werden im Automobilversuch nahezu während des gesamten Entwicklungsprozesses eingesetzt. Da kaum ein Bauteil des Fahrzeugs ohne Bedeutung für das vibroakustische Verhalten ist, betreffen die messtechnischen Untersuchungen im Prinzip alle Komponenten des Fahrzeugs, von der Karosserie über den Motor und das Fahrwerk bis zum Interieur. Ein wesentlicher Aspekt beim Einsatz von Messtechnik ist der reproduzierbare Betrieb des Prüflings selbst. Daher finden viele Untersuchungen an Prüfständen statt, auf denen sich die Prüflinge in einer praxisrelevanten Art betreiben lassen.

Bei der Messung der vibroakustischen Eigenschaften von Fahrzeugen, Fahrzeugkomponenten und Materialien, sind neben geeigneten Messmethoden und Messeinrichtungen auch geeignete Prüfeinrichtungen erforderlich, welche in reproduzierbarer Weise definierte Prüfbedingungen sicherstellen. Diese Prüfbedingungen beziehen sich sowohl auf die Art und Weise, wie der Prüfling belastet wird, als auch auf die Umgebungsbedingungen hinsichtlich der Schallausbreitung. Beispielsweise wird die reale Belastung eines Fahrzeugs im Fahrbetrieb auf einem Rollenprüfstand nachgebildet, welcher die realen Fahrwiderstände an den Rädern mittels Elektromaschinen simuliert, während, abhängig von der Aufgabenstellung, entweder ein reflektierendes Umfeld (Hallraum) oder absorbierende Verhältnisse (schalltoter Raum) für die Schallausbreitung dargestellt wird. Dabei muss immer ein sinnvoller Kompromiss zwischen der Annäherung an die realen Verhältnisse und noch vertretbarem Aufwand gefunden werden.