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FH D ISAVEFachhochhschule Düsseldorf Institute for Sound and University of Applied Sciences Vibration Engineering

1© Professor Dr.-Ing J. Becker-Schweitzer

Gehörgerechte Fahrgeräuschanalyse als Basis für Fahrsimulatoren

Prof. Dr.-Ing. Jörg Becker-Schweitzer

Fachhochschule Düsseldorf Institute for Sound and Vibration [email protected]


2© Professor Dr.-Ing J. Becker-Schweitzer0:10

Fahrsimulator als Versuchsplattform

Damals (1910)

[http://www.rug.nl/cit/hpcv/vr_visualisation/simulation/phileas]

[www.ligoeleos.com/Flight Simulator History of Technology.htm]

Heute



FORD 2SV ( HEAD acoustics H3S)

original sound

rpmspeed surface throttle position

wind sound road sound powertrain sound

+ =

silenced sound

demo sound demo sound

vehi

cle

mod

ifica

tions

high

ly in

sula

ted

earp

hone

s

ANC-Headphone

Earplug/Headphone-Kombination



Geräusch Parametrisierung

Fahrzeugparameter• Fahrzeuggeschwindigkeit• Motorgeschwindigkeit (Drehzahl)• Motorlast (Gaspedalstellung)• Gang• Bediengeräusche

Umweltparameter• Fahrbahnoberfläche• Windgeschwindigkeit• Verkehr (Überholvorgänge)• Umgebungsgeräusche• …

• Fahrzeuggeschwindigkeit• Motorgeschwindigkeit (Drehzahl)• Motorlast (Gaspedalstellung)• Gang

FahrgeräuschFahrgeräusch

Zeitbereichssynthese

Frequenzbereichssynthese



Fahrgeräusche Parametrisierung

100 1000 100000

10

20

30

40

50

60

70

80

90S

ound

Pre

ssur

e Le

vel /

dB

(lin)

Frequency / Hz

ReifenReifen--FahrbahnFahrbahn

MotorMotor

WindWind

Konstantfahrt 120km/h

GesamtGesamt--gergerääuschusch



Wolfgang von Kempelens sprechende Maschine (1791)

http://www.ling.su.se/staff/hartmut/kempln.htm



Homer Dudleys Voder 1939



Wie funktioniert eine FFT



Äquivalenter Tiefpaßbereich

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Time s

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Time s

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Time s

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Time s

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Time s

Original 20+21 Hz cosine waves

Multiply by 20 Hz complex phasor

2 Hz lowpass filter & multiply by 2

Multiply by 20 Hz conjugate phasor

Compare real component to original



Drehzahlsignal Ermittlung

0 2 4 6 8 10 12 14 16 182000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

Time s

Inst

anta

neou

s R

PM

16 16.2 16.4 16.6 16.8 17 17.2 17.4 17.6 17.8 185000

5050

5100

5150

5200

5250

5300

5350

5400

5450

5500

Time s

Inst

anta

neou

s R

PM



Drehzahlfehler

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

Time s

Inst

anta

neou

s R

PM

Err

or



Spektralanalyse Gesamtgeräusch

-20

-10

0

10

20

30

40

50

Time s

Fre

quen

cy H

z

0 2 4 6 8 10 12 14 16 180

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000



Spektralanalyse Motorordnungen (Stimmhaft Vocale)

-20

-10

0

10

20

30

40

50

Time s

Fre

quen

cy H

z

0 2 4 6 8 10 12 14 16 180

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000



Spektralanalyse (Motorordnung, Amplitude , Phase bzgl. Referenz)

Avg (1)#2ld0 ( 3.92-168.92 s).Level vs rpm (Fast). L/dB(A)[SPL]

40

50

60

70

80

90

100

n/rpm1000 2000 3000 4000 5000 6000

Avg (1)#2ld100 ( 8.45-172.22 s).Level vs rpm (Fast)Avg (1)#2ld80 (12.82-177.08 s).Level vs rpm (Fast)Avg (1)#2ld60 ( 8.41-172.08 s).Level vs rpm (Fast)Avg (1)#2ld40 ( 7.90-172.06 s).Level vs rpm (Fast)Avg (1)#2ld20 (12.59-176.67 s).Level vs rpm (Fast)Avg (1)#2ld0 ( 3.92-168.92 s).Level vs rpm (Fast)



Rekonstruktion Splineinterpolation Mittelung (10 / 50 Rpm Schritte)

4.02 4.04 4.06 4.08 4.1 4.12 4.14 4.16 4.18

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

Zeit / s

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Zeit / s0 1 2 3 4 5 6 7

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Zeit / s

3.94 3.96 3.98 4 4.02 4.04 4.06

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

Zeit / s



Phasenbestimmung

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Zeit / s1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 1.2 1.21 1.22 1.23

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Zeit / s

4.04 4.06 4.08 4.1 4.12 4.14 4.16 4.18 4.2-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Zeit / s



Phasenbestimmung

1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Zeit / s0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Zeit / s



Spektralanalyse Gesamtgeräusch

-20

-10

0

10

20

30

40

50

Time s

Fre

quen

cy H

z

0 2 4 6 8 10 12 14 16 180

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000



Spektralanalyse Restrauschen (Stimmlos, Konsonanten)

-20

-10

0

10

20

30

40

50

Time s

Fre

quen

cy H

z

0 2 4 6 8 10 12 14 16 180

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000



101 10

2 103 10

4 105

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0

50

100

Spektralanalyse (Restrauschen, Filtergenerierung)



Filter

0 2 4 6 8 10 12 14 16-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

Zeit / s

Noise

+

Fahrzeugge-schwindigkeit

RauschmatrixOrder Matrix

Drehzahl Motorlast

Amplitude/ Phase



Fahrgeräusche 2. Gang Hochlauf

BMW 318 iAlfa Romeo Spider 2.0 lFord Mondes 1.8 lAudi A3 1.8 l Turbo

Time / s

Fre

quen

cy /

Hz

0 2 4 6 8 100

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Time / s

Fre

quen

cy /

Hz

0 2 4 6 8 100

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Time / s

Fre

quen

cy /

Hz

0 1 2 3 4 5 6 7 80

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Time / s

Fre

quen

cy /

Hz

0 1 2 3 4 5 6 7 80

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Time / s

Fre

quen

cy /

Hz

0 2 4 6 8 100

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Time / s

Fre

quen

cy /

Hz

0 2 4 6 8 100

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Time / s

Fre

quen

cy /

Hz

0 1 2 3 4 5 6 70

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Time / s

Fre

quen

cy /

Hz

0 1 2 3 4 5 6 70

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Original Synthese(bmw.wav) (bmwsyn.wav)

(alfa.wav) (alfasyn.wav)

(mondeo.wav) (mondeosyn.wav)

(audisyn.wav)(audi.wav)



0 2 4 6 8 10 120

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Zeit / s

rpm

Synthesetest

Motorhochlauf schnell (rot)

Motorhochlauf langsam (blau)

Original(fast.wav)

Synthese(fastsyn.wav)

Original(slow.wav)

Synthese(slowsyn.wav)

Tausch(fast2slow.wav)

Tausch(slow2fast.wav)



Modifizierte Hochlaufgeschwindigkeiten für ein Fahrzeug

Beispiel:BMW



Ergebnisse Sportlichkeit

Avg.

Rat

ing

linear progressiv degressiv Diesel0

1

2

3

4

5

6

7

8

Petrol

AlfaAudiMondeoBMW

Petrol Linear progressiv degressiv Diesel Varianz

BMW 4.6 3.9 3.9 4 4 0.096

Alfa 4.4 4.3 3.9 3.9 3.7 0.198

Mondeo 4.8 4.4 3.8 4.4 4.4 0.124

Audi 4.8 4 3.5 4.2 4.1 0.074

Varianz 0.025 0.054 0.032 0.038 0.072



Einsatzgebiet Sounddesign

1000 2000 3000 4000 5000 6000 700065

70

75

80

85

90

Engine Speed / rpm

SP

L /

dB(li

n)

2nd2.5th



Grenzen der Simulationstechnik (Dieselsounds)

schwach nagelnd stark nagelnd

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

Zeitpunkt 2 (44103.Sample)

Zeitpunkt 3 (99356.Sample)



Zusammenfassung

• Fahrsimulatoren sind ein sinnvolles Werkzeug in der Automobilindustrie

• Eine Fahrgeräuschanalyse und -synthese ist gehörgerecht möglich

• Es sind Algorithmen für Zeit- und Frequenzbereichssynthese vorhanden

• Fahrgeräuschdaten können Fahrzeugbezogen abgelegt werden

• Frequenzbereichsynthese problematisch für impulsive Geräusche

• Frequenzbereichsynthese erlaubt leichtere Geräuschmodifikationen für

Sounddesign



Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit



LiteraturJ. Becker, M. Heppelter, The influence of different run up slopes on sound quality evaluation in vehicle interior sounds, DAGA 2003J. Becker, R. Schirmacher Bdeutung multimodaler Wahrnehmung auf die Beurteilung von Fahrzeuginnengräuschen Wokshop FAFA Dega Oldenburg 2003Almut Hochstädter, Peter Zahn, Karsen Breuer, Ein universelles Fahrermodell mit den Einsatzbeispielen Verkehrssimulationund Fahrsimulator, 2000J. M. Rolfe and K. J. Staples, Flight simulation, 1988Wierwille, W.W., Driving Simulator Design for Realistic Handling, 1975http://www.pm-drosdol.de/index.php?id=17, 2008http://www-nrd.nhtsa.dot.gov/departments/nrd-12 /NationalAdvancedDriverSimulator.html 2008, http://www.its.leeds.ac.uk/facilities/uolds/index.php, 2008M Lebram, H Engstrom, H Gustavsson,, A Driving Simulator Based on Video Game Technology, 2006Kemeny A, Panerai F, Evaluation perception in driving simulation experiments, 2003Ronald R. Mourant, David Refsland, Developing a 3D Sound Environmentfor a Driving Simulator, 2003F. Barbagli, D. Ferrazzin, C.A. Avizzano, M. Bergamasco, Proceedings of VR2001, Washout Filter Design for a Motorcycle Simulator, 2001J. Miguel Leitão, Ra Moreira, Jorge A. Santos, A. Augusto Sousa, F. Nunes Ferreira,GVE'99-Computer Graphics and Visualization Education '99, Evaluation

of Driving Education Methods in a Driving Simulator, 1999H. S. Kang, M. K. Abdul Jali, Musa Mailah,VRCAI '04: Proceedings of the 2004 ACM SIGGRAPH , A PC-based driving simulator using virtual reality

technology, 2004James Cremer, Joseph Kearney, Yiannis Papelis, Richard Romano ,in Proceedings of the 4th Computer Generated Forces and Behavioral Representation, The

software architecture for scenario control in the Iowa driving simulator, 1994James Cremer, Joseph Kearney, Peter Willemsen,IMAGE Conference, Directable Behavior Models for Virtual Driving Scenarios, 1998D. Ferrazzin and L. Arnone and M. Marcacci and L. Masut and A. Benedetti,, The Moris Motorcycle Simulator: An Overwiew, 2001M. Di Natale and G. M. Prisco and G. Di Pietro and M. Bergamasco and P. Ancilotti,, The Design and Analysis of the Moris Simulator, 1999Jon Kuhl, Douglas Evans, Yiannis Papelis, Richard Romano, Ginger Watson,, The Iowa Driving Simulator: An Immersive Research Environment, 1995J. Becker Driving sound decomposition and synthesis for driving simulators in automotive industries,.In Proceedings of HC 2006 R. Heinrichs, J. Becker, W. Krebber, Sound Design development with sound simulation vehicle On CD Proc. 3rd. European Congress on Acoustics, Forum

acousticum Sociadad Espanola de Acoustics 2002

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