Deutsch

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Aufbau und der Validierung einer Simulationsmethodik, welche die virtuelle Auslegung einer aktiven Abgasanlage ermöglicht. Mit einem solchen System ist es möglich je nach Betriebsstrategie bestimmte spektrale Anteile des Mündungsgeräusches zu mindern (Active Noise Cancellation - ANC) und gleichzeitig andere Anteile zu verstärken (Active Sound Design - ASD). Durch die in dieser Arbeit vorgestellte Simulationsmethodik wird es möglich die Schallemission sowie die elektrische Leistungsaufnahme eines solchen Systems in Abhängigkeit aller geometrischen, mechanischen, elektrischen und algorithmischen Eigenschaften in der frühen Entwicklungsphase zu untersuchen und zu bewerten. Dabei wird aufgrund der hohen Schalldruckpegel, welche in einer Abgasanlage herrschen, ein numerisches Simulationsverfahren verwendet, welches auf der Lösung der nicht-linearen, eindimensionalen, reibungsbehafteten Navier-Stokes-Gleichung für kompressible Fluide beruht. Sowohl der Ladungswechselprozess des Verbrennungsmotors als auch die Wellenausbreitung in dem eindimensionalen Strömungsmodell der Abgasanlage werden dabei durch dieses Verfahren abgebildet. Zur aktiven Schallfeldbeeinflussung in der Abgasanlage wird ein Modell eines elektrodynamischen Lautsprechers erstellt, mittels geeigneter Komponentenversuche an einem Versuchsaktor parametrisiert und in das Abgasanlagenmodell integriert. Der für die Regelung als Fehlersensor eingesetzte Drucksensor wird ebenfalls durch ein entsprechendes Modell abgebildet, mittels Komponentenversuche an einem Versuchssensor validiert und in das Abgasanlagenmodell integriert. Das Ansteuerungssignal des Aktors wird dabei durch eine Parallelschaltung mehrerer Adaptive Notch Filter auf Basis des FxLMS-Algorithmus realisiert. Um eine Auslegung des Systems an der Leistungsgrenze des Aktors darstellen zu können, wird zusätzlich eine verzerrungsfreie Limitierung des Ansteuerungssignals des Aktors implementiert. Durch die Integration einer Funktion zur Zielpegelregelung wird außerdem die Vorgabe eines konkreten Sound-Designs möglich. Dieses wird durch den Algorithmus mittels Minderung oder Verstärkung der jeweiligen Spektralkomponenten im Rahmen der physikalischen Grenzen eingestellt. Abschließend ermöglicht ein Wellentrennungsverfahren im Zeitbereich die Zielpegelregelung auf eine virtuelle, im Freifeld befindliche Messposition. Schließlich werden anhand eines Versuchsaufbaus, bestehend aus einem Motor und einem Abgasanlagenprototypen Messungen an einem Motorprüfstand durchgeführt und mit den entsprechenden Simulationsergebnissen validiert.

English

This thesis deals with the composition and validation of a simulation method which allows the virtual dimensioning of an active exhaust system. By use of such a system it is possible to reduce specific frequency components (Active Noise Cancellation) from the exhaust systems outlet noise and simultaneously amplify others (Active Sound Design). Due to the introduced simulation method it is possible to evaluate the acoustic emission and the electrical power consumption of the system as a function of all it's geometrical, mechanical, electrical and algorithmic properties in the early development phase. Because of the high sound pressure levels within an exhaust system it is necessary to use a simulation method based on the non-linear, one-dimensional viscous Navier-Stokes equation for compressible fluids. Both, the load change of the internal combustion engine and the wave propagation in the one-dimensional flow model are depicted by this method. For the active control of the sound field within the exhaust system a model of an electrodynamic loudspeaker is generated, parameterized by means of component measurements and integrated into the exhaust system model. A pressure sensor is used as an error sensor for the active control of the sound field. This sensor is also modeled, validated by component tests and integrated in the exhaust model. The signal for driving the electrodynamic actuator is generated by several parallel connected adaptive notch filters based on the FxLMS algorithm. To be capable of dimensioning the system with operating the actuator at its performance limits a function is implemented to limit the driving signal to a given value without producing any distortion. Another function is implemented to adjust the acoustic emission to a given sound pressure level target. Based on a given sound design multiple spectral components of the acoustic emission are leveled by the algorithm to reach the given target values if physically possible. Due to a presented wave decomposition method in the time domain it is possible to define a virtual measurement point in the free-field on which the sound pressure targets are applied. Finally measurements are performed on an engine test bench on a prototype of an active exhaust system and the results are compared to those generated by the simulations.