ELEKTRONIK © Carl Hanser Verlag GmbH & Co.KG, München, www.hanser-automotive.de; Nicht zur Verfügung in Intranet- u.Internet-Angeboten oder elektron. Verteilern Aktive Geräuschunterdrückung innenraum, sie bereichert auch das allgemeine Fahrerlebnis. Der folgende Beitrag beschreibt die Funktionsweise und was bei der Implementierung zu beachten ist. U m den Komfort im Automobil zu verbessern, kommt zum Beispiel eine Technologie zum Einsatz, die mithilfe digitaler Signalverarbeitung den Geräuschpegel im Fahrzeuginnenraum senkt. Abgesehen vom offensichtlichen Bedürfnis nach mehr Komfort, wird die aktive Geräuschunterdrückung (Active Noise Cancellation, ANC) auch aus wirt schaftlichen Gründen angestrebt, denn damit können schwere Geräuschdämp fungsmaterialien und Isolierungen entfallen, die Fahrzeuge werden da durch kostengünstiger, leichter und sparsamer. Geräuschpegel in einem fahrenden Auto In einem Automobil gibt es zwar viele Geräuschquellen, die beiden Hauptur sachen sind jedoch der Motor und die Straße. Die Eigenschaften dieser bei den Quellen sind sehr unterschiedlich. 16 HANSER automotive 9 / 2015 Das vom Motorblock ausgehende Geräusch hängt von der Größe des Motors und der Geschwindigkeit ab (Motorumdrehungen pro Minute), mit der das Fahrzeug fährt. Das Motor geräusch ist schmalbandig und harmo nisch zusammengesetzt. All dies hat einen wesentlichen Einfluss auf die Ent wicklung einer Geräuschunter drückungslösung. Das Fahrbahngeräusch entsteht durch den Kontakt zwischen Reifen und Straße. Es wird in unterschiedlichen Schwingungen durch die Karosserie des Fahrzeugs übertragen und im Fahr zeuginnenraum wahrgenommen. Diese Art von Geräusch ist nicht vorhersag bar, ändert sich ständig und hängt von Variablen wie Fahrbahnoberfläche, Reifenzustand, Wetter und Fahrzeug mechanik ab. Angesichts dieser Eigen schaften ist es sehr schwer, das Fahr bahngeräusch zu minimieren oder zu unterdrücken. Senkung des Geräuschpegels Das Konzept der aktiven Geräusch unterdrückung beruht auf der Generie rung eines zweiten geräuschdämpfen den Tonsignals (Bild 1) mit gleicher Am plitude und entgegengesetzter Phase zum original Rauschsignal. Werden die beiden Signale kombiniert, so heben sie sich gegenseitig auf und eliminieren alle unerwünschten Geräusche. Ein System zur aktiven Geräuschunterdrückung muss Geräusche aufnehmen (z. B. mit einem Mikrofon) und ein entsprechen des Rauschunterdrückungssignal gene rieren können, zum Beispiel über ein Lautsprechersystem. Die Gesamt lösung wird typischerweise als DSP- basiertes System implementiert. Aktive Geräuschunterdrückung ist in verschiedenen Applikationen zu finden, insbesondere in industriellen Anwen dungen und der Unterhaltungselektro © Carl Hanser Verlag, München Bilder: Mentor Graphics Die aktive Geräuschunterdrückung senkt nicht nur den Geräuschpegel im Fahrzeug ELEKTRONIK © Carl Hanser Verlag GmbH & Co.KG, München, www.hanser-automotive.de; Nicht zur Verfügung in Intranet- u.Internet-Angeboten oder elektron. Verteilern zeuginnenraum strategisch Mikrofone anzuordnen. ANC-Lösung Bild 1: Grundlagen der aktiven Geräuschunterdrückung: Die Geräusche im Fahr zeuginnenraum (rot) werden durch ein geräuschdämpfendes Tonsignal (blau) unterdrückt. nik, zum Beispiel in Kopfhörern mit Rauschunterdrückung. Innerhalb des letzten Jahrzehnts wurde die aktive Geräuschunterdrückung auch in Auto mobilanwendungen eingesetzt. Motorgeräusch Um zu erkennen, welche Geräusche unterdrückt werden müssen, verwen det die aktive Geräuschunterdrückung an der Geräuschquelle nichtakustische Sensoren. Zur Realisierung einer einfa chen Motorgeräuschunterdrückung, allgemein als Motorgeräuschkompen sation bezeichnet, reicht die Umdre hungszahl des Motors aus. Da diese Art von Geräusch direkt mit der Motordreh zahl zusammenhängt, lässt sich das Motorgeräusch einigermaßen zuverläs sig modellieren und unterdrücken. Aufgrund ihrer relativen Einfachheit verwenden die meisten ANC-Systeme heute Schmalbandlösungen zur Unter drückung des Motorgeräuschs (Bild 2). Für komplexere Geräusche wie bei Motoren mit Zylinderabschaltung oder zur Unterdrückung von Fahrbahn geräuschen kommen Beschleunigungs sensoren zum Einsatz. Um eine Ruhe zone rund um die Köpfe der verschiede nen Insassen zu schaffen, sind im Fahr Zur Realisierung einer umfassenden ANC-Lösung müssen sowohl die Mo tor- als auch die Fahrbahngeräusche ad ressiert werden. Zudem sollte jede vor geschlagene Lösung anpassungsfähig sein, schnelle Reaktionszeiten auf sich ändernden Geräuschquellen bieten (zum Beispiel Änderungen bei den Fahr bahnoberflächen) und sich relativ leicht im Fahrzeug implementieren lassen. Mentor Automotive hat als Teil sei nes In-Car-Experience-Portfolios ein fortschrittliches ANC-System (Bild 3) mit modernen adaptiven Algorithmen entwickelt, mit dem sich die wechseln den Geräusche im Fahrzeuginnenraum schnell verfolgen lassen. Mithilfe von Referenzsensoren und Mikrofonen im Fahrzeuginnenraum gleichen die Algo rithmen verschiedene Parameter ab und generieren so ein geräuschdämp fendes Signal, das über das Standard audiosystem des Fahrzeugs wieder gegeben wird. Die Angleichung der wichtigen Parameter erfolgt zum Teil automatisch. Dieses Autotuning über brückt die Zeit, bis ein System auf den Markt kommt, das im Vergleich zu den derzeit verfügbaren traditionellen Lösungen eine optimalere Geräuschun terdrückung ermöglicht. Bild 2: Typische Implementie rung einer akti ven Geräusch unterdrückung im Fahrzeug innenraum zur Unterdrückung der Motorgeräu sche. www.hanser-automotive.de HANSER automotive 9 / 2015 17 » ELEKTRONIK Die Motorgeräuschkompensations lösung dieses Systems nutzt einen Breitbandalgorithmus, der für die Unter drückung von Fahrbahngeräuschen ent wickelt wurde. Das heißt, ein Algorith mus wird für alle Anwendungsfälle ver wendet. Für eine einfache Motor geräuschkompensation ist die Mo torumdrehung das einzig erforderliche Referenzsignal. Mithilfe der Motor umdrehungskennlinie generiert der Al gorithmus automatisch die Signale, die zur Erzeugung der geräuschdämpfen den Signale erforderlichen sind. Jede weitere Motorgeräuschkompensation vergrößert minimal den CPU-Overhead. Für komplexere Motorgeräusche, etwa das Übergangsrauschen bei Hyb rid-Fahrzeugen, das beim Ein-/Aus schalten des Motors oder beim An-/Ab schalten der Zylinder entsteht, kann ein sogenannter On/Off-Beschleunigungs sensor verwendet werden. Daraus resultiert eine breitbandige Anwendung für die Motorgeräuschunterdrückung. Fahrbahngeräusch Die akustischen Eigenschaften eines Fahrzeuginnenraums variieren je nach Marke und Modell stark. Deshalb stellt 18 HANSER automotive 9 / 2015 die kundenspezifische Anpassung einer ANC-Lösung und deren fristgerechte Integration in das Fahrzeug eine große Herausforderung für die AutomobilOEMs und Tier-1-Zulieferer dar. Für eine effektive Leistung des ANC-Systems ist die optimale Platzierung der Be schleunigungssensoren und Mikrofone entscheidend. In Anbetracht dessen ist es wichtig, als Teil des Tuning- und In stallationsprozesses ein Echtzeit-Feed back zu bekommen. Die ideale ANC- Lösung und ein praktischerer Ansatz (Bild 3) bieten einen robusten Rahmen, der es einem Ingenieur ermöglicht, auf jeden Teil des Systems zuzugreifen und die Reaktion des Systems auf unter schiedliche Parameter in Echtzeit zu visualisieren. Da die gleichen Algorith men sowohl für die Unterdrückung von Motor- als auch von Fahrbahn geräuschen genutzt werden, ist eine Lösung gleichzeitig für beide Situatio nen einsetzbar. Für Offline-Analysen bietet die Mentor-Lösung einen fort schrittlichen Algorithmus zur optimalen Platzierung der Sensoren. Der Algorith mus erfasst die Daten von den Be schleunigungssensoren und Mikro fonen und ermittelt auf diese Weise die geeigneten Stellen und die passende © Carl Hanser Verlag GmbH & Co.KG, München, www.hanser-automotive.de; Nicht zur Verfügung in Intranet- u.Internet-Angeboten oder elektron. Verteilern Bild 3: Die ANC-Lösung von Mentor Automotive zur Unterdrückung von Motor- und Fahrbahngeräuschen. Anzahl von Sensoren, die für ein bestimmtes Geräuschunterdrückungs niveau erforderlich sind. Fazit Kunden erwarten von ihrem Automobil ein qualitativ hochwertiges Fahrerleb nis. Dadurch wird das Beherrschen von Fahrzeuggeräuschen zu einer immer wichtigeren technischen Herausforde rung. Die vorgestellte ANC-Lösung bietet den Vorteil, dass die Technologie mit weniger Hardwarekomponenten eine Vielzahl von Funktionen zur Geräuschunterdrückung ausführen kann. Eine solche Lösung erfordert im Vergleich zu heute verwendeten ANCAnsätzen weniger Tuning und Kalibrie rung. W (oe) »» www.mentor.com Vasant Shridhar ist Principal Engineer bei der Embedded Systems Division (ESD) von Mentor Graphics und ist Hauptentwickler des ANC-Algorithmus von Mentor Graphics. Anil Khanna verantwortet als Senior-Manager der Embedded Systems Division (ESD) von Mentor Graphics die Produktmarketingstrate gie des Mentor-Automotive-Lösungs-Portfolios. © Carl Hanser Verlag, München
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