Sound-Management Motorlärm mittels Gegenschall dämpfen

Ein Autokäufer beurteilt die Qualität des gesamten Fahrzeugs ganz wesentlich aufgrund der Audioqualität der Freisprechanlage, der Musikwiedergabe oder der Abwesenheit von Motor- und Straßenlärm. Daher setzen die Autohersteller auf Sound-Management-Technologien, beispielsweise durch Gegenschall.

Wer wünscht sich nicht ein Auto mit möglichst niedrigem Kraftstoffverbrauch? Studien zufolge betrachten Autokäufer einen geringen Kraftstoffverbrauch inzwischen als oberstes Kriterium bei der Auswahl eines neuen Fahrzeugs. Darauf und auf neue Klima- und Emissionsschutzgesetze reagieren die Autohersteller mit diversen Maßnahmen: Zum Beispiel deaktivieren sie einige Zylinder bei geringer Fahrleistung, sie reduzieren die Anzahl der Umdrehungen und sie verwenden weniger schalldämpfende Materialien, um das Gewicht des Autos zu verringern.

Die gute Nachricht: Diese Maßnahmen senken tatsächlich den Kraftstoffverbrauch. Allerdings verursachen sie auch oft unangenehmen Lärm im Fahrzeug. Dieser Lärm – ein Brummen oder Dröhnen direkt aus dem Motor – ist durch eine oder mehrere niederfrequente Töne unterhalb 150 Hz gekennzeichnet und er kann dazu führen, dass Fahrer, die ihm längere Zeit ausgesetzt sind, schneller ermüden. Hier bietet sich Technologie zur aktiven Lärmkompensation (Active Noise Control; ANC) als Lösung an (Bild 1).

Aktive Lärmkompensation beruht auf einem einfachen Prinzip aus der Akustik: Das ANC-System emittiert über die Lautsprecher im Auto künstlich erzeugten »Antischall« mit derselben Amplitude wie der Motorlärm und der entgegengesetzten Phasenlage. In bestimmten Raumbereichen im Auto – zum Beispiel am Sitzplatz des Fahrers oder der Fahrgäste – löschen sich der Antischall und der Motorlärm dann gegenseitig aus.

Wie funktioniert aktive Lärmkompensation?

Das Prinzip ist einfach – in der Praxis optimale Ergebnisse zu erzielen dagegen überhaupt nicht. Das beginnt schon damit, dass jeder Fahrzeuginnenraum ganz eigene akustische Eigenschaften aufweist, die vom Ort der Sitze, den im Innenraum verwendeten Materialien und der Position, Anzahl und Art der Lautsprecher und Mikrofone abhängen. Da all diese Faktoren die Leistung des ANC-Systems beeinflussen, muss das System für jedes einzelne Fahrzeugmodell separat kalibriert und feinjustiert werden. Darüber hinaus muss sich das System schnell an dynamische Änderungen der Akustik in der Fahrgastzelle anpassen können, wie sie sich durch Beschleunigen und Bremsen, Öffnen und Schließen der Fenster, Änderungen der Sitzpositionen oder Temperaturschwankungen ergeben. Außerdem muss das System robust sein. Es darf nicht instabil werden, und die Audioqualität in der Fahrgastzelle darf sich nicht verschlechtern, wenn etwa ein Mikrofon nicht mehr funktioniert.

Damit ein ANC-System mit solchen Veränderungen zurechtkommen kann, benötigt es Echtzeitdaten über den Motorbetrieb, insbesondere Drehzahldaten, sowie Messpegel von einem oder mehreren Mikrofonen in der Nähe der Köpfe des Fahrers und der Fahrgäste (Bild 2). Anhand der Echtzeit-Motordaten bestimmt das System die Frequenzen, die es unterdrücken muss, und die Mikrofone überwachen den Lärmpegel in der Fahrgastzelle, damit sich das System auf die ständigen Veränderungen der akustischen Eigenschaften des Fahrzeugs einstellen kann.

Kompromisse finden

Die meisten kommerziell verfügbaren ANC-Systeme arbeiten mit einem dedizierten Hardwaremodul. Die Autohersteller beginnen jedoch, die Kostenvorteile einer softwarebasierten aktiven Lärmkompensation zu erkennen, die auf vorhandener Hardware wie etwa dem Autoradio oder dem Verstärker des Audio- oder Infotainmentsystems ausgeführt werden kann. Infotainmentsysteme übernehmen heutzutage immer mehr Aufgaben wie Freisprechen oder Spracherkennung, sodass die DSPs und Applikationsprozessoren in diesen Systemen oft über ausreichend Reserven verfügen, um auch ANC-Software ausführen zu können.

Ingenieure und Tontechniker müssen die Klangqualität in einem Fahrzeug charakterisieren und optimieren. Die Entscheidung für eine bestimmte Anzahl von Mikrofonen und Lautsprechern im System ist immer ein Kompromiss zwischen Kosten, Leistung und verfügbarer Rechenkapazität und hängt oft von der Fahrzeuggröße ab. Daher sollte eine ANC-Lösung den Autoherstellern die Freiheit für implementationsabhängige Entscheidungen lassen. Sie sollte auf verschiedenen Prozessoren und DSPs (mit und ohne Betriebssystem) laufen können und flexibel genug sein, um praktisch beliebige Anzahlen und Anordnungen von Eingängen und Ausgängen handhaben zu können – angefangen bei einer einfachen Lösung mit einem Mikrofon und zwei Lautsprechern bis hin zu einer aufwendigen Konfiguration mit bis zu sechs Mikrofonen und Lautsprechern.