Annons

Aktiv ljuddämpning i avgasröret

En högtalare nära avgasröret, som matas med motljud (som ger ljuddämpning) och ljudsignaler (som skapar ljudkaraktär) från en speciell styrenhet, gör det i princip möjligt att ge en småbil ett maffigt sportvagns-sound. Företaget Ebersprächer har utvecklat denna typ av aktiv bullerundertryckning i bilens avgassystem.

 

 Förr i tiden påverkade tillverkarna klangen och ljudkaraktären hos fordon med förbränningsmotorer huvudsakligen med hjälp av passiva element, som rent mekaniskt påverkade ljudet. Ett nytt teknologipaket bestående av elementen ”ActiveSilence” och ”ActiveSound” ger dem nu möjlighet att påverka och formera avgasljudet aktivt. Detta sker med hjälp av speciella högtalare monterade i avgasröret.
Om man matar styrenheten till en sådan avgashögtalare med lämpliga parametrar kan man t o m få en kompaktbil att låta som en Ferrari. Ljudet kommer direkt ur avgasröret, alltså exakt varifrån man förväntar sig att det skall komma. Detta är visserligen ett mycket extremt exempel, men det visar vilka möjligheter man får med denna nya teknologi, som utvecklats av företaget Eberspächer i Esslingen.
Eftersom de som utvecklar avgassystem inte behöver bekymra sig över ljudets karaktär vid utvecklandet av de mekaniska delarna kan de koncentrera sig enbart på miljön och liknande aspekter. Ett lämpligt ljud kan läggas till vid en senare tidpunkt.


Fig 1. Avgassystemet hos en Audi A6, som använder ActiveSound. (Foto: Eberspächer)

Avgasljudet är något av ett fordons akustiska fingeravtryck. Att detta nu kan framställas med hjälp av parameterinställningar i en styrenhet ger tillverkarna en helt ny flexibilitet. Samtidigt kan de införa helt nya konstruktionsförlopp med mycket kortare genomloppstider.

Första steget: spela in motljud
För att ett fordons avgasljud skall uppfylla de lagstadgade kraven måste det anpassas och kalibreras individuellt för varje individuell fordonstyp. När utvecklaren tvingas påverka ljudet med passiva metoder (dämpning) kräver avgassystemet ett relativt stort utrymme för att det voluminösa dämpningsmaterialet skall få plats. Dessutom måste avgastrycket ökas, vilket leder till högre bränsleförbrukning och därmed ökade CO2-utsläpp.
– Med ActiveSilence från Eberspächer blir layouten av avgassystemet enklare, förklarar Olaf Schmidt som är Marketing Manager på Eberspächer Electronics. Detta möjliggörs med hjälp av en aktuator, integrerade högtalare samt en styrenhet med integrerad förstärkare.
Styrenheten beräknar med hjälp av data från motorstyrenheten och en sensormikrofon i avgasröret det erforderliga antiljudet för att kunna generera bestämda, i förväg fastställda frekvenser. Denna ”metod för dämpning av ljudsvängningar” patenterades redan 1933 av dr Paul Lueg i Berlin. Sedan länge används denna antiljud-metod inom områden med lägre effekter, bl a i hörlurar för användning i flygplan och helikoptrar.
– Med ActiveSilence-styrenheten kan lämpliga frekvenser anpassas individuellt – även för de mest olika fordon, betonar Matthias Keck som är FoU-chef för avgasteknik på Eberspächer. En annan fördel är att mottrycket sjunker avsevärt och hela avgassystemet kan utformas kompaktare. I personbilar kan detta ge volymbesparingar på upp till 60 procent och viktbesparingar på upp till 40 procent. Dessutom sjunker CO2-utsläppen och fordonet blir upp till 10 procent tystare. Vi har också en Design-In där avgassystemet har lika starkt ljud som tidigare och dessutom låter likadant, men det är lättare och upptar mindre volym.


Fig 2. Olaf Schmidt förklarar var den aktiva Sound-generatorn finns. (Foto: Alfred Vollmer)

I ett demo-fordon har Eberspächer med hjälp av ActiveSilence-teknologin minskat volymen från 49,6 till 37 liter, vikten från 28,0 till 22,3 kg och avgasmottrycket från 160 till 110 mbar, jämfört med ett fordon med passivt avgassystem. Redan minskningen av avgasmottrycket ger en bränslebesparing på upp till 3 procent.

Nästa steg: blanda ihop ljud
När de icke önskade klangelementen väl tagits bort ur ljudklangen går det att lägga till extra ljudelement för att efter önskan få fram en emotionsbetonad ljudupplevelse.
– ActiveSound-teknologin ger helt nya möjligheter till ljudkonfigurering av fordon som skall tillverkas i massvolymer, konstaterar Olaf Schmidt. Många nya fordon har genomgått en downsizing-process och fått ett mindre motorutrymme och därför utrustats med en turboladdare. Sådana motorer genererar inte de emotionsbetonade klangelement som många förväntar sig i högprestandaklassen. För dessa fordon öppnar ActiveSound-teknologin helt nya möjligheter.

Användning i Audi A6 Avant
– Utvecklarna av avgassystem kan idag koncentrera sig på optimering av avgasegenskaperna avseende utsläpp av skadliga gaser och partiklar, för de vet att ljudbilden kan avstämmas under nästa steg, säger Matthias Keck. Hur bra systemet fungerar bevisar den nya Audi A6 Avant: Toppmotorn med det 313 hk starka TDI-aggregatet övertygar inte bara med sin effekt och sitt vridmoment, utan tack vare ActiveSound också med ett imponerande, sportigt och värdigt avgasljud. Varken de för dieselmotorer så typiska spikningarna eller ett överdrivet starkt motorljud stör upplevelsen. Högtalaren i avgassystemet betonar istället vissa frekvenser inom de lagliga gränserna. Biturbomotorn i A6 låter snarare som en fullvuxen V8-Ottomotor, och markerar därmed verkningsfullt den sportiga karaktären hos kombin från Ingolstadt.

Teknologin
Den högtalare som används i ActiveSound- och ActiveSilence-koncepten är placerad nära avgassystemets slutrör. Högtalarmembranet, som arbetar inom frekvensområdet 40 till 400 Hz, är utsatt för heta och aggressiva avgaser. Dess temperaturtålighet ligger ”bara” på 150 C, medan det helt nära passerar nästan 700 C heta avgaser. Det totala högtalarsystemet ser ut som en extra ljuddämpare med endast en utgång, och det är anslutet till det vanliga avgassystemet över ett Y-format rör. Vid 80 W högtalareffekt upptar systemet en volym på 3 l och väger 3 kg.
– Hemligheten bakom framgångarna ligger i utformandet av Y-elementet, för vi måste se till att högtalaren inte blir för varm, förklarar Matthias Keck.
Som ingångsvärden använder ASCU-ljudstyrenheten (Active Silence Control Unit) data som belastningstillstånd, varvtal, hastighet, temperatur och använd växel och som finns tillgängliga över CAN-Bus, men även data från en speciell sensormikrofon placerad i avgassystemet. Utgående från dessa data beräknar styrenheten de erforderliga klanganpassningarna, och enheten uppdaterar sin parametrisering mer än 100 gånger i sekunden.


Fig 3. Styrenheten ASCU har utvecklats av Eberspächer Electronics i Göppingen i Tyskland. (Foto: Eberspächer)

När det gäller Sound-Design går Eberspächer alltid fram i tre steg: I det första står dämpning av störljud (Noise Rejection) i fokus. Andra steget är ”Sound Cleaning”, som handlar om undertryckning av störljud som blåsljud, släpljud och liknande. Först i tredje steget kommer det avsiktliga formandet av klangbilden inom ramen för Sound-Design. Företaget har utvecklat speciella verktyg med vilka ingenjörerna kan utföra parametriseringen av klangbilden på en PC.
– Redan i början av 90-talet började vi arbeta med denna lösning, förklarar Matthias Keck. Vi hade då alltför stora problem med fasförskjutningar, men vi har alltid haft ögonen på detta. Under de senaste sju åren har vi arbetat intensivt med ActiveSound och ActiveSilence. Jämfört med konkurrenterna har vi ett försprång på minst två till tre år. Vi har lyckats att aktivt få ut dessa teknologier på marknaden, men vi arbetar också massivt med att vidareutveckla dem.
Keck betonar att Eberspächer har ”några patent på hur aktuatorkulan skall byggas”, medan själva regelalgoritmerna inte är patenterbara.

Stor potential
Möjligheterna för dessa system är verkligen löftesrika. I kombination med ett navigeringssystem vore det teoretiskt möjligt att låta ett fordon som passerar ett diskotek producera ett emotionellt berörande Power-Sound, medan samma fordon när det passerar ett sjukhus eller en skola automatiskt går över till ett ”viskningsläge”.


Fig 4. Campbell-diagrammet visar tydligt hur mycket ljudet kan förändras med aktiv Sound-Design. (Grafik: Eberspächer)

Detta är visserligen en mycket extrem applikation, men den visar att det t ex också är möjligt att anpassa fordonets ljudbild efter förarens sinnesstämning. I demo-fordon visade Eberspächer hur man kan koppla om mellan flera fördefinierade ”klangmattor”. Såväl inuti fordonet som utanför kunde man tydligt uppfatta intrycksfulla skillnader i klangbilden.
Eberspächer står även väl rustade för en utvidgning av ljudfunktionerna inuti fordonet, för ActiveSound-styrenheten har ett tvåtrådsgränssnitt för direkt anslutning till infotainment-systemet.
Företaget arbetar också på att göra ActiveSound-aktuatorerna ännu lättare, och här kan material som titan, aluminium, plast eller kolfiberförstärkt plast (CFK) komma i fråga. En prototyp av en 8-tums högtalare i CFK för tävlingsbruk har t ex en vikt på bara 300 g, medan en normal 6,5-tums serietillverkad högtalare väger 3 kg.
Alfred Vollmer

Comments are closed.