17. März 2011

Sound oder Lärm?

Fährt ein Ferrari vorüber, soll er nicht tönen wie ein Fiat, und ein Porsche soll einen anderen Sound generieren als ein VW. Vereinfachend und plakativ ist diese Aussage; trotzdem stimmt sie in den Grundzügen. Fährt meine Frau mit ihrem Auto zu, weiss ich, dass sie es ist und ich nicht fremden Besuch erwarte. Dieser Sound-Zuordnung sind sich die Automobilhersteller bewusst und entwickeln den Bereich des Sound-Engineering weiter.

Sound oder Lärm?

Die Auspuffklappe des Audi R8 konnte bei seiner Vorstellung am Automobilsalon 2007 in Genf wunderbar studiert werden.

VON ANDREAS LERCH

Die Musik meines Sohnes tönt in meinen Ohren vielleicht wie Lärm; wenn eine Sopranistin im Radio ihre Koloraturen zum Besten gibt, fragt er mich im Gegenzug, ob wohl diese Dame Schmerzen habe. Aber bei Motorengeräuschen sind wir uns einig: Das dumpfe Blubbern eines alten V8-Motors und das bissige Bellen eines Sportwagens beim Beschleunigen tönen in unseren Ohren gleichsam wie Musik.
Bevor man sich überlegt, was Krach und was Musik ist, müssen die physikalischen Grundgegebenheiten genau auseinandergehalten werden. Und das ist nicht immer einfach.

Schallpegel

Bei einem Schallpegel handelt es sich um einen Luftdruck, der mit durchschnittlich einem Pascal (= 1Newton pro Quadratmeter) auf die Barometerdose oder auf das Trommelfell einwirkt. Ein sich periodisch hin und her bewegender Gegenstand (Stimmgabel, Gitarrensaite, Lautsprechermembran) drückt die Luft abwechselnd zusammen und zieht sie wieder auseinander. Dadurch entstehen örtliche Luftdruckschwankungen an der Schallquelle, die sich als Druckwellen durch die Luft ausbreiten wie die Wellen im Teich, in den man einen Stein hineinwirft. Als Schallpegel wird nichts anderes als die Stärke der Druckänderung, also die Amplituden der Druckwellen bezeichnet. Im Prinzip wäre ein empfindliches Barometer als Schallpegelmesser durchaus geeignet, es zeigt auch die richtige Einheit für den Schalldruck an: Pascal [Pa]. Der normale Luftdruck beträgt etwa 1010 Hektopascal [hPa] beziehungsweise 1010 mbar. Die Druckschwankungen, die den Schall ausmachen, sind vergleichsweise winzig. Ein startendes Düsenflugzeug (Abstand 3 m) erzeugt einen Schalldruck von ca. 1 hPa. Dieser infernalische Lärm liegt bereits jenseits der Schmerzgrenze; laute Diskomusik erzeugt etwas mehr als 0,01 hPa.

Lautstärke

Mit der Messung des Schalldrucks lässt sich feststellen, welchen Druckschwankungen das Trommelfell ausgesetzt ist. Wie laut uns das vorkommt, bestimmt hingegen unser Gehirn: Dieses bewertet das vom Ohr (Trommelfell, Gehörgang) gelieferte «Messergebnis» und lässt nur die Bewertung in unser Bewusstsein dringen. In langen Messreihen wurde ermittelt, bei welchem Schalldruck der Mensch im Durchschnitt überhaupt erst etwas hört (Hörschwelle) und bei welchem Schalldruck der Schall Schmerzen bereiten kann (Schmerzgrenze). Die Aufnahme des Schalldruckes kann jedes Mikrofon übernehmen; die gemessene Grösse mit dem subjektiven Gehöreindruck in Einklang zu bringen, ist hingegen viel schwieriger. Das menschliche Ohr besitzt nämlich einige Eigenschaften, deren vollständige technische Nachbildung bis heute nur unzulänglich gelungen ist.

Menschliches Hören

Das hervorstechende Merkmal des menschlichen Hörens ist der ungeheure Lautstärkebereich (Dynamik), welchen das Ohr verarbeiten kann. Dieser umfasst von der Hörschwelle bis zur Schmerzgrenze ein Schalldruckverhältnis von 1:10'000'000. In absoluten Druckwerten heisst das, dass die Hörschwelle häufig bei unter 10-5 Pa (= 0,00001 Pa) liegt, das Gehör aber auch bei Schalldrücken gegen 100 Pa, zwar unter Schmerzentwicklung, noch funktioniert. Dieser Dynamikbereich ist derart gross, dass er in Diagrammen in logarithmischen Verhältniszahlen (Dezibel) zwischen dem Messwert und dem Bezugswert der Hörschwelle aufgeführt wird.
Eine lange Saite, die angezupft wird, schwingt langsam und erzeugt einen tiefen Ton, während eine kurze Saite schneller schwingt und höher klingt. So entspricht die Tonhöhe eines Geräusches den zeitlichen Abständen von Wellenbergen und die Lautstärke den Ausschlägen (Amplituden) dieser Schwingungen. Geräusche sind selten bis nie reine Töne der gleichen Frequenz, sondern ein Gemisch von verschiedenen Frequenzen.
Das zweite Merkmal des menschlichen Ohres ist eine komplizierte Frequenzabhängigkeit des Lautstärkeempfindens; das heisst, messtechnisch gleich laute Töne verschiedener Frequenzen werden subjektiv unterschiedlich laut empfunden. Der physikalische Messwert wird nur bei einer Frequenz mit dem subjektiven Gehöreindruck zur Übereinstimmung gebracht. Diese Frequenz liegt bei 1000 Hz. Früher wurden Geräusche von Versuchspersonen bewertet und mit Tönen von genau 1000 Hz verglichen. Stimmten die Lautstärken überein, entsprach der Dezibel-Wert dem «Phon», einer Masseinheit, die noch heute hin und wieder umhergeistert.

Fahrzeuggeräusche

Ebenfalls in langen Untersuchungsreihen wurden mit vielen Testpersonen die Fahrzeuggeräusche analysiert und die Resultate ausgewertet. Klar konnte gefolgert werden, dass verschiedene Autos unterschiedlich klingen, tönen oder lärmen müssen. Die Geräusche werden von den Fahrzeugen automatisch generiert, müssen aber durch ingenieuses Dazutun mehr oder weniger gedämpft werden.
Dazu ist bekannt, dass ein Automotor mit oder ohne Luftfilter bereits grosse Sound-Unterschiede hervorruft – vor allem in den unterschiedlichen Lastbereichen. Natürlich tragen die Abgasanlagen einen wesentlichen Teil zum Fahrzeug-Sound bei. In neuerer Zeit nehmen aufgeladene Motoren gerade im Downsizing-Bereich überhand und beeinflussen den Sound ebenfalls. Daneben gibt es durch die im Motor auftretenden Kräfte mechanische Geräusche. Während dem Verbrennungsvorgang entstehen stetige Druckänderungen im Verbrennungsraum. Die resultierenden Kräfte wechseln ständig Richtung und Grösse, wodurch es bei verschiedenen Teilen zu Stossvorgängen kommt: zwischen Kolben und Zylinder, zwischen Pleuel und Kolbenbolzen usw. Diese Stösse führen zu physikalischen Impulsen, welche mit Hammerschlägen vergleichbar sind. Je grösser die Spiele zwischen den Bauteilen, desto härter werden die Impulse, desto heftiger die anregenden Schwingungen, welche sich als Körperschall übertragen und dann als Geräusche abstrahlen. Die aktuellen Motorblöcke aus Leichtmetall strahlen die Geräusche noch heftiger ab, als die früheren Graugussblöcke, da der Grauguss schwingungsdämpfende Grafitteilchen enthält.
Die Spiele zwischen den Bauteilen müssen aber so gross sein, dass sie bei allen auftretenden Motortemperaturen nicht zu klein werden, da sonst die Reibung, der Verschleiss und der Treibstoffverbrauch anwachsen.

Gaswechsel-Geräusche

Auch die Geräusche des Ansaugtraktes dürfen nicht unterschätzt werden; die Frischgase strömen mit gegen 100 m/s in den Zylinder, und die Abgase schiessen gar mit Überschall durch die Querschnitte der Auslassventile. Daneben verschliessen die Ventile in periodischer Folge die Ansaugrohre, bremsen damit die Gassäule ab und regen diese zu Schwingungen an. Diese Schwingungen werden dann von den gasführenden Teilen aufgenommen und weitergestrahlt.
Selbstverständlich sind diese Geräusche alle drehzahl- und lastabhängig und werden auch durch die Gesetzgeber ständig beeinflusst. So ist es gekommen, dass auf der Abgasseite sehr viel getan wurde. Die Auspuffseiten wurden so leise, dass verschiedene (sportliche) Fahrzeuge sogenannte Auspuffklappen erhielten, welche beim starken Beschleunigen und beim sportlichen Fahren auch den «musikalischen Hintergrund» bieten. Beim Porsche Turbo konnten die Sound-Entwickler noch eine Schritt weitergehen und die Auspuffklappe wieder weglassen. Durch die variablen Leitschaufeln im Turbolader kann neben dem Ladedruck natürlich auch einiges zum Sound beigetragen werden.
Damit war die Abgasseite mehr oder weniger ausgereizt, und der Fokus musste wieder auf die Saugseite der Motoren gelenkt werden. Dabei wurde festgestellt, dass auf dieser Motorenseite eigentlich das gleiche Entwicklungspotenzial noch offen stand. Dies wurde aber häufig nicht mit der gleichen Konsequenz umgesetzt, sondern dem Sound wurde von Anfang an Rechnung getragen. Dazu wurde versucht, die «positiven» Geräusche stehenzulassen oder zu verstärken und die «negativen» zu dämmen.

Filter und Dämpfer
Die Arbeitsweise von Akustikbauteilen lässt sich an einem Resonator erklären. Um im Ansaugtrakt eines Fahrzeuges ein unerwünschtes Brummen oder Pfeifen zu beseitigen, wird ein 0,5 bis 5 Liter grosser Hohlraum mit einer Verbindung zur Ansaugleitung eingebaut.
Der an der Öffnung vorbeifliessende Luftstrom erzeugt in diesem Resonator eine Schwingung, wie bei einer Trinkflasche, bei der man die Öffnung seitlich anbläst. Das anströmende, unerwünschte Tonsignal wird aber dadurch getilgt, dass das Drucksignal im Resonator eine Phasenverschiebung erfährt und so eine Gegenschwingung entsteht, welche die Energie des störenden Signals aufnimmt und quasi «auslöscht» (Reflektionsprinzip).

Weitere Dämpfer

Die Wellenlänge von Schwingungen wird mit dem griechischen Buchstaben Lambda bezeichnet. Da die Schallwellen in einem verschlossenen Seitenkanal zum Ansaugrohr genau bei der Frequenz reflektiert werden, bei der die Rohrlänge mit einem Viertel der Wellenlänge übereinstimmt, spricht man bei diesem Dämpfungssystem von Lambdaviertelrohren. Der Seitenkanal schickt damit eine Druckwelle zurück ins Hauptrohr, welche wiederum die störende Schwingung tilgt.
Eine dritte Massnahme sind Pulsationsbohrungen (Öffnungen). Sie werden in einem Rohr, in dem sich eine Schallwelle ausbildet, genau an der Stelle angebracht, an der ein Druckbauch auftritt. Da sich der leichte Überdruck der Welle sofort mit der Umgebung ausgleicht, wird der Pegel bei dieser Frequenz vermindert.
Als viertes Akustikelement gilt der eigentliche Luftfilter, dieser funktioniert ebenfalls als Dämpfer und wird deshalb auch Ansauggeräuschdämpfer genannt. Da sich hier der Querschnitt der Ansaugleitung erweitert, treten unterschiedliche Wellen auf, d. h. nach dem Reflektionsprinzip können wiederum bestimmte Geräusche reduziert werden.
Eine weitere Steigerung hinsichtlich des technischen Spielraums ist Active Noise Control (ANC), welches eine kontinuierliche Regelung des Geräuschs je nach Motorzustand ermöglicht. Es arbeitet mit einem Lautsprecher, der die notwendigen Signale für das Tilgen von Geräuschen liefert und dabei auch eine gewisse Soundgestaltung ermöglicht. Der dazu erforderliche Prozessor muss jedoch die Daten quasi in Echtzeit verarbeiten und muss entsprechend leistungsfähig sein.
Das allerneueste Produkt ist der Symposer, mit dem es möglich ist, ausgewählte Bestandteile des natürlichen Motorgeräusches zur Erzeugung eines sportlichen Klangcharakters zu nutzen. Die Schwingungen werden in einem Nebenrohr zum Ansaugtrakt auf eine Membrane geleitet, welche sie auf die folgende stehende Luftsäule in einem Rohr überträgt. Dieses Rohr wird bis hinter das Armaturenbrett geführt und bringt so die «sportlichen Sound-Anteile» des Motors in den Innenraum. Dieses Rohr kann natürlich auf Knopfdruck verschlossen und damit der sportliche Sound ausgeschaltet werden.
So werden einerseits die Geräusche gedämpft und andererseits wird versucht, die «musikalischen Anteile» zu verstärken und hervorzuholen.

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