影响机动车辆排气噪声的方法和用于机动车辆的排气系统与流程

排气噪声即从排气系统的出口发出的声波最大化地决定机动车辆的听觉感受。在当代的机动车辆中，特别是在具有柴油发动机的那些机动车辆中，由发动机原始生成并且被引导至排气系统的噪声和振荡通常通过比如催化转换器或微粒过滤器这样的废气净化系统来大幅影响和抑制。因此，排气噪声不再对应于自然的、未受抑制的发动机噪声；相反，排气噪声听起来是被抑制的并且不是特别动感的。另外，在比如四缸发动机的较小发动机的情况下，排气噪声听起来不太有吸引力。

为了改进并且使这样的车辆具有更动感的声音，已知下述排气系统，其中，扬声器与排气支管流通地连通，以使其可以将声波发射至排气支管中。这使得能够通过选择性控制扬声器来影响排气噪声。

通常，试图生成包括两种成分的排气噪声。

排气噪声中的第一成分包括由发动机产生的谐波振荡。基阶的谐波振荡的频率为发动机转动频率的一半，而较高的阶次是其倍数。因此，这些谐波振荡的频率取决于发动机的速度。

在图1中，针对示例性四缸发动机示意性地绘制了在不同的速度下的三个阶次的频率。在常见的排气系统的端部即尾管至环境的出口处仅存在这三个阶次。这三个阶次在图1中显示为实线。这三个谐波振荡的声音并不自然并且不是很具有动感。

为此，已知方案中将对应于另外的阶次、特别是中间阶的谐波振荡经由扬声器插入至排气支管中。另外的阶次的谐波振荡在图1中显示为虚线。以这种方式生成的排气噪声听起来更有吸引力且质量更高。

排气噪声中的第二成分为所谓的静态噪声。静态噪声源自废气流速的稳定成分。高流速在排气支管中引起涡流，这进而被感知为噪声。流速的稳定成分随着由发动机产生的废气量的增大而增大，因此是随着发动机速度的增大而增大，并且将能够被感知为特定的速度。该速度在图1中由竖直虚线指示。静态噪声还可以由扬声器产生或放大以获得尽可能自然的声学图案。

然而，特别是在低发动机速度下，以这种方式被影响的排气噪声甚至不会对应于所使用的发动机的自然排气噪声或者试图模拟其声音的更动感的发动机的自然排气噪声。

本发明的目的是提供影响机动车辆的排气噪声的方法以及用于该机动车辆的排气系统，该排气系统进一步增强了自然和/或动感的排气噪声的感受。

通过影响机动车辆的排气噪声的方法来实现该目的，其中：

(a)控制单元生成噪声包信号，

(b)控制单元将噪声包信号各自单独地或以与基础信号叠加的方式发送至与机动车辆的排气支管相关联的扬声器，以及

(c)扬声器将各个噪声包信号或叠加有噪声包信号的基础信号转换成声波，

其中，各个噪声包信号作为时间受限的声波包，即所谓的噪声包由扬声器发出。

本发明利用以下事实：除了上面已经描述的两个分量之外，车辆的自然排气噪声具有第三分量。第三分量由流速的瞬时峰值引起，且第三分量也称为动态噪声。

出于说明的目的，图2以大大简化的方式描绘了作为假定阶次的稳定流速与微粒速度之和的流速根据发动机速度而随时间的变化。可以看出，特别是在低速的情况下，流速的幅度振荡地非常剧烈。该剧烈振荡是由在低速范围内优于流速的剧烈振荡的微粒速度引起的。

然而，当速度增大并且由此各阶次的频率增大时，微粒速度的幅度减小。但是平均流速大大增加，使得整个流速增大。

如上面已经描述的，排气支管中具有高流速的涡流产生了可感知的噪声。已经绘制出了作为人类感知噪声的假定阈值的水平虚线。然而，实际上，该阈值是可改变的。

明显的是，由于声学微粒速度的幅度高，因此流速重复地暂时超出低速下的感知阈值。在高于感知阈值的这些瞬时峰值处，噪声在短时间内可以感知到。该噪声是时间受限的并且表现为具有与谐波振荡的频率同步的周期性，即出现可感知的噪声之间的时间间隔。在本上下文中，同步意味着噪声随着谐波振荡的频率的变化——特别是当速度增大时而增大——而发生变化的周期性。

在较高的速度下，流速总是大于感知阈值，使得上述静态噪声是占优势的。

现在，本发明将噪声包添加至排气噪声，由此，由于噪声包被感知为对应于动态噪声的、时间受限的噪声，因此排气噪声的自然感受大大增强。

作为说明，由噪声包产生的噪声可以被认为是非常快速地操作并且不产生声音的手动空气泵的空气噪声。噪声包也不产生任何可听声音或泛音(overtone)，也不被感知为任何可听声音或泛音。

噪声包的幅度函数的时间相关性可以被看作是利用基础信号对具有原始恒定的平均幅度的噪声信号所进行的幅度调制。

因此，通过简单的相加将这两种信号叠加，由此该方法尽可能地保持简单。

控制单元可以是发动机控件自身或者可以耦接至发送机控件。

优选地，根据车辆的当前工况，特别是发动机负载、发动机速度以及排气支管中的气体温度中至少之一，来选择噪声包信号，特别是噪声包信号的周期性、噪声包信号的时间长度、噪声包信号的包络形状、噪声包信号的包络幅度以及噪声包信号的频谱中至少之一。以这种方式，可以确定的是，将所生成的噪声包信号以及由此生成的噪声包选择为使其再现为尽可能自然的声音并且与源自发动机的实际噪声协调互补。

此处，发动机控件可以向控制单元发送与车辆的工况有关的信息，特别是与发动机负载、发动机速度和/或排气支管的温度有关的信息。

作为替选方案，控制单元可以被整合到发动机控件中。

例如，噪声包信号的周期性(频率)等于或大于5Hz；更具体地，其是在5Hz至500Hz的范围内，因此对于5Hz至500Hz的频率的谐波振荡可以生成噪声包。

在此，噪声包信号的频谱可以包括在100Hz与4000Hz之间的频率。

在一个变型实施方式中，使用以合成的方式生成的噪声(特别是有色噪声)或存储在控制单元中的已记录噪声的片段和所存储的已记录噪声包的片段来生成噪声包信号。这使得噪声包的声音如所期望的那样改变并且被调节成自然的动态噪声。

还可以设想的是，还根据多个已记录噪声包的叠加而生成噪声包信号。

优选地，至少七个连续的噪声包信号构成噪声包图案，噪声包图案的持续时间长于1秒，在噪声包图案自身重复时优选地长于20秒，从而避免由于噪声包的相加而产生音调振荡。

在各个噪声包信号以人耳可听见范围内的重复频率有规律地重复时，音调振荡逐步扩展。因此这些音调振荡可以被感知为不自然的或干扰的。由于预定的、相对长的噪声包图案最小持续时间，可以防止各个噪声包以干扰重复频率有规律地重复。

然而，这些音调振荡的问题仅在使用已记录噪声来生成噪声包信号时出现，而不在对于各个噪声包信号新生成随机噪声时出现。

在这方面，两个相应的连续噪声包信号以及更具体地所有噪声包信号可以呈现出不同的频谱。

例如，控制单元特别以合成的方式生成基础信号，基础信号以对应于发动机转动频率的一半的谐波振荡与更高阶次的谐波振荡的叠加为特征。这样此，可以模拟由发动机原始生成的所有谐波振荡。

特别地，在高发动机速度的情况下，基础信号在此可以表示连续噪声，从而使扬声器生成静态噪声。

在本发明的一个配置中，噪声包信号是根据基础信号，特别是基于基础信号的一个或更多个所选择的谐波振荡，特别是通过利用基础信号的幅度或利用基础信号的一个或更多个所选择的谐波振荡的幅度对噪声进行幅度调制来生成的。这使得噪声包信号被生成为匹配于基础信号。

在一个变型实施方式中，噪声包信号是也基于扬声器无法有效生成的低频谐波振荡，或是唯一地基于扬声器无法有效生成的低频谐波振荡来生成的，这造成这些谐波振荡存在于排气噪声中的感受。在机动车辆制造中常规使用的扬声器不能针对用于影响排气噪声的系统而有效地表现50Hz以下的频率。因此，即使在低发动机速度的情况下，发动机也命令生成频率在该阈值以下的谐波振荡，其无法以有益的方式被发射至排气支管中。然而，已经发现会产生这些低阶的感受，因为扬声器发射出具有无法被有效生成的该谐波振荡频率的周期性的噪声包。这样，造成这些低频振荡实际上存在于排气噪声中的感受。实际低频振荡的缺乏将不会被特别注意到，这是因为人耳对较高频率的觉察更好。

如果噪声包信号是基于无法由扬声器有效生成的低频谐波振荡而生成的，则控制单元可以将噪声包信号各自单独地发送至扬声器。因此，扬声器仅发射噪声包，由此造成低频谐波振荡的感受。

另外，在生成提供无法被有效生成的低频谐波振荡的噪声包的情况下，首先可以生成基础信号，噪声包信号是基于基础信号而生成的。

在形成噪声包信号之后，将基础信号的频谱减小至扬声器可以有效表现的频率。因此，在其中关于无法被有效生成的谐波振荡来生成噪声包信号的情况下，不再有任何基础信号。

在本发明的一个实施方式中，噪声包信号的周期性与生成噪声包信号所基于的最低谐波振荡的频率同步，使得造成最低频谐波振荡存在于排气噪声中的感受。

在本发明的一个配置中，根据谐波振荡的幅度来选择噪声包信号的包络幅度，其中噪声包信号的周期性被调节至该谐波振荡。这也使得噪声包的响度被调节至关联谐波振荡的真实或模拟的响度。

在一个变型实施方式中，噪声包信号被叠加至基础信号，从而关于基础信号的、对应于扬声器振动膜最大位移的时间点进行偏移。通常，扬声器振动膜的全位移已经被用于生成谐波振荡。现在，如果除了在最大位移的时间点处的谐波振荡之外还要生成噪声包，则必需增加扬声器振动膜的最大位移或者减小谐波振荡的功率。在最后的分析中，这二者都将涉及使用更强大且更昂贵的扬声器。为避免这样，已经发现也可以生成在时间上偏移的噪声包信号，这是因为该偏移不能被人耳觉察。

该目的进一步通过用于机动车辆的排气系统来实现，该排气系统包括排气支管、与排气支管相关联的扬声器以及控制扬声器发声的控制单元，控制单元适于生成噪声包信号以及将噪声包信号各自单独地发送至扬声器或者以与基础信号叠加地方式发送至扬声器，扬声器将对应于各个噪声包信号(即所谓的噪声包)或与噪声包信号叠加的基础信号发射至排气支管。如上所述的发射噪声包的优点等同地适用。

另外，控制单元根据车辆的当前工况(特别是发动机负载、发动机速度和排气支管中的气体温度中至少之一)生成噪声包，特别是其周期性、其时间长度、其包络的形状、其包络的幅度和/或其频谱中至少之一。

优选地，控制单元首先生成基础信号，随后基于基础信号的一个或更多个所选谐波振荡来生成噪声包。

例如，控制单元基于无法被扬声器有效转换成声波的谐波振荡来生成噪声包信号，使得扬声器仅发射这些谐波振荡的噪声包。如上所述，这造成存在这些谐波振荡的感觉。

在本发明的一个配置中，扬声器适于发射具有对应于噪声包信号的周期性的噪声包，该周期性与控制单元生成噪声包信号所基于的最低谐波振荡的频率同步。

优选地，控制单元适于将噪声包信号叠加在基础信号上，从而关于基础信号的、对应于扬声器振动膜的最大位移的时间点而被偏移。

关于该方法而提及的优点相应地应用于排气系统；并且仅结合方法描述的任何其他期望特征也适用于具有相应优点的排气系统。

通过以下描述以及通过参照附图，本发明的其他特征及优点将是显而易见的，并且在附图中：

-图1示出了现有频率和通过已知方法另外生成的频率作为发动机速度的函数随其变化的图形；

-图2示出当前流速作为发动机速度的函数随其变化的大幅简化图；

-图3示意性示出根据本发明的排气系统；以及

-图4示出在执行根据本发明的方法时，通过根据图3的排气系统的扬声器所生成的声压级及其分量的图形。

图3示意性示出车辆(标示为虚线)的排气系统10，其具有排气支管12和扬声器14。

排气支管12延伸至尾管16中，尾管16在出口18处将废气排出至车辆的周围环境。

扬声器14经由管道20与排气支管12流通地连接，且因而与排气支管12相关联。

扬声器14由与其电连接的控制单元22操作和控制。

相应地，控制单元22可以连接至发动机控件(未示出)或者可以形成发动机控件的一部分。

控制单元22适于生成要发送至扬声器14的噪声包信号和/或基础信号。扬声器14本身能够将其从控制单元22接收的信号转换成声波。

废气流从发动机(未示出)穿过排气支管12行进至尾管16，并且经由出口18被排出到外部环境。由箭头标示流的方向。

图4示出由扬声器14生成的声压级及其分量。扬声器14所生成的声压级直接与由控制单元22生成且被施加至扬声器14的信号成比例，所以图4也用于示出该信号。为了简洁起见，下面将仅参考信号而不参考声压级。

中间的标为A的图形展示了由控制单元22发送至扬声器14的总信号。信号由两个分量组成，更具体地由基础信号(B)(顶部)和噪声包信号C组成，信号的时序在图4的最下面的信号中显示。

现在可以通过将基础信号B与噪声包信号C叠加来生成信号A。由控制单元22生成信号A以如下方式进行。

首先，控制单元22生成基础信号B。更具体地，在此该生成可以是以合成的形式。

基础信号B表示对应于发动机的转动频率的一半、发动机转动频率的基阶及更高阶次的谐波振荡的叠加。

此外，尤其在高发动机速度的情况下，基础信号B可以表示对应于自然发动机信号的静态噪声的连续噪声。

而且，噪声包信号C是通过由控制单元22利用基础信号B的幅度对具有恒定平均幅度的噪声进行幅度调制来生成的。为此，可以使用总基础信号B或基础信号B的单谐波振荡。

这样的话，基础信号B的幅度的仅绝对正的部分被用于调制噪声的幅度，并且在基础信号B为负时不生成噪声信号C。

作为替选方案，可以在幅度调制之前对基础信号B进行检波，然后整个信号可以被用于噪声幅度调制。

在此噪声包信号C是利用周期性P、即特定时间间隔生成的各个时间受限的波包。

噪声包信号C的周期性P等于或大于5Hz，更具体地是在5Hz至500Hz的范围内。

例如，波包即噪声包信号C的频率是在100Hz和4000Hz之间。

为了生成用于各个噪声包信号C的基础，使用以合成的方式生成的噪声(特别是有色噪声)和/或来自在控制单元中存储的以记录噪声的片段。已记录噪声可以是已记录的噪声包，并且还可以是去除短部分的连续噪声，其因而构成噪声包信号C的基础。

噪声包信号C还可以以如下方式生成：对多个已记录噪声包进行叠加并且以该方式形成要生成的噪声包信号C的基础。

多个(但至少七个)连续的噪声包信号C可以形成噪声包图案D。

这样的噪声包图案D优选地自身不重复。

但是在不能避免噪声包图案D重复的情况下，噪声包图案D的持续时间d为至少1秒，优选地至少5秒，特别优选地至少20秒。在此，噪声包图案D的持续时间d为噪声包图案D的第一个噪声包信号C的开始与最后一个噪声包信号C的结束之间的时间间隔。

重复被认为是指例如噪声包图案D自其结束的10秒内再次开始这一情况。如此，可以有效地防止音调振荡扩展，因为即使有的话，噪声包信号也仅以非常低的重复频率有规律地重复。

在生成噪声包信号C的基础之后，可以通过控制单元22来调节周期性P、其时间长度L、其包络的形状、其包络的幅度和/或其频谱。在此该调节可以根据车辆的工况来选择，特别是发动机负载、发动机速度和/或排气支管的温度。

在此控制单元22可以从发动机控件得到关于车辆工况(特别是发动机负载、发动机速度和/或排气支管的温度)的信息。

也可以由控制单元22根据基础信号B的一个或更多个谐波振荡来实现对噪声包信号C(特别是其周期性P、其时间长度L、其包络的形状、其包络的幅度和/或其频谱)的调节。

在此，可以根据生成噪声包信号C所基于的谐波振荡的幅度来选择噪声包信号C的包络的幅度。

特别地，周期性P源自基础信号B的所选择的谐波振荡，周期性P与生成噪声包信号C所基于的最低谐波振荡的频率同步。

在生成噪声包信号C之后，可以将基础信号B的频谱减小至可由扬声器14有效生成的那些频率。通常，用于排气系统的扬声器不能有效地生成50Hz以下的频率。

噪声包信号C的形状通过利用基础信号B进行幅度调制来产生，然后通过简单相加而被叠加在基础信号B上。

在此，可以进行噪声包信号C与基础信号B的叠加以进行偏移，使得噪声包信号C在基础信号B的、对应于扬声器14的扬声器振动膜的最大位移的时间点t_max处不叠加在基础信号B上。在图4中也可以看到该时间偏移，但其不会被人耳觉察。

例如，噪声包信号C相对于基础信号而在时间上被偏移成使得噪声包的幅度最大值是在基础信号B的过零点附近。

在基础信号B与噪声包信号C叠加之后，控制单元22将信号A发送至扬声器14。扬声器14将对应于信号A(即，对应于其上叠加有噪声包信号C的基础信号B)的声波发射至排气支管12中。

在信号生成以及发送至扬声器14时，控制单元22还可以考虑声波经过管道20所需的通过时间，从而避免与源自发动机的声波的任何不期望的干扰。

如果整个基础信号B涵盖了低至不能由扬声器14有效生成的频率，特别是50Hz以下的频率，则噪声包信号C被控制单元22各自单独地发送至扬声器14，即，没有基础信号B。在这种情况下，扬声器14仅生成对应于噪声包信号C的噪声包。

这种情况尤其发生在低发动机速度时，这是因为在低发动机速度时发动机的低阶谐波振荡的频率通常在50Hz以下，即，噪声包信号C是基于不能由扬声器14有效生成的谐波振荡而生成的。

还可以设想管道20在排气支管12的出口18的区域中对车辆周围环境是敞开的，而非对排气支管12本身敞开。在这样的布置中，由发动机生成且通过排气支管12导向的声波也与由扬声器14生成的那些声波叠加，使得扬声器14与排气支管12相关联。