Sounddesign eines Ford GT40 inkl. Generatorrealisierung

Motorraumgeräusch eines Fiat 500 verglichen mit einem E-Fahrzeug

Autor: Nkounie Yangan, Audrey
Betreuer: Prof. Schneider
Art: Bachelorarbeit
Projektlaufzeit: SoSe 2019

Thema

Elektrofahrzeuge müssen nach EU Verordnung zukünftig durch Soundgeneratoren hörbar werden.Das Thema dieser Bachelorarbeit ist "Sounddesign eines Ford GT40 inkl. Generatorrealisierung".

Ziel

In dieser Bachelorarbeit ist ein Soundgenerator für ein E-Fahrzeug zu realisieren.

Einleitung

Unter einem Sounddesign versteht man die Gestaltung und die Verarbeitung von verschiedenen Tönen, in denen entsprechende Maßnahmen und Werkzeuge entwickelt und eingesetzt werden müssen, um schwingungstechnische Probleme zu vermeiden und maximalen akustischen Komfort (z.B. für die Sensibilität des Kunden) zu gewährleisten [2]. Nach der Verordnung des Europäischen Parlaments und des Rates Nr. 540/2014, müssen die Elektroautos ab dem 1.Juli 2019 mit einem akustischen Warnsignal (Acoustic Vehicle Alerting Systems, AVAS) ausgestattet werden. Der Einsatz dieser innovativen Methoden und Systeme in Elektroautos zielt nicht nur auf Komfortbedürfnisse, sondern auch auf Sicherheit ab. In der Tat haben die Elektromotoren die Besonderheit, dass sie lautlos sind. Da dieser Aspekt ihres Designs nicht veränderbar ist, sind Fußgänger, insbesondere Schwerhörige oder Minderhörige, einer Gefahr ausgesetzt. Da diese Motoren bei einer Geschwindigkeit von weniger als 20 km/h fast keinen Sound abgeben, ist es für einen Fußgänger schwierig zu erkennen, dass beispielsweise in der nächsten Kurve ein Auto auf ihn zukommt oder dass ein anderes gerade versucht, den Parkplatz zu verlassen. Besorgt über diese Problemstellung, hat die Firma Schütte Consulting molds & more GmbH & Co.KG diese in Form von dieser Bachelorarbeit entworfen.

Vorstellung der Schuette Consulting GmbH

Allgemein

• Gegründet in 1987 bei Siegfried Schuette
• rationelle Zusammenschluss von eigene Unternehmen und vertragsgebundenen Partnerbetrieben

Heute

• über 250 Mitarbeiter
• 2 Standorten

Tätigkeitsfelder

• Unterstützung bei Werkzeug- und Formenbau
• CAD Entwicklung, Design und Konstruktion von Bauteilen und/oder Baugruppen in 2D/3D mit Volumenmodellierer und Flächenabteilung
• Beratung hinsichtlich Qualitätssicherung und Auftragsabwicklung

Aufgabenstellung

1. Lastenheft studieren
   1. Eingangsparameter: Gaspedalstellung
   2. Simulation der Drehzahl anhand der Gaspedalstellung
2. Ansteuerung eines bestehenden Soundsystems über CAN mit Arduino
   1. DBC-File für bestehendes Soundsystem besorgen. Welches Signal wird mit welcher CAN-Nachricht versendet? Was sind die Eingangsparameter des Soundmoduls?
   2. Notwendige Hardware bestellen (Gaspedal, Arduino, CAN-Shield, etc.)
   3. Ansteuerung des bestehenden Soundmoduls über CAN mit Vector CANoe
   4. Umsetzung mit Arduino und CAN-Shield.
      1. Einlesen des analogen Eingangssignals vom Gaspedal.
      2. Simulation der Drehzahl anhand der Gaspedalstellung.
      3. Versandt der passenden CAN-Nachrichten an das Soundmodul.
3. Test und Bewertung des Ergebnisses
4. Dokumentieren Sie Ihre Vorgehensweise fortlaufend wissenschaftlich und präsentieren Sie Ihr Ergebnis.
5. Wiki Artikel über das Projekt schreiben.

Theorie zum Sounddesign für den Ford GT40

Das Sounddesign umfasst ein ganzes System mit Daten sowohl am Eingang als auch am Ausgang. Daher ist es wichtig, zu wissen, wie der Sound von einem Eingangsparameter zu einem Ausgang, hier dem Lautsprecher, übertragen wird.

Wie in Abbildung 1 ersichtlich ist, ist das Sounddesign abhängig von verschiedenen Parametern, wie der Geschwindigkeit, dem Gaspedal und anderen Soundquellen, z. B. dem Motoroder den Reifen. In den Ovalen sind die unterschiedlichen Eingangsparameter, die modelliert werden, dargestellt und in den Feldern sind die verschiedenen Soundquellen zu sehen. Damit der Ausgang realistischer klingt, kann ein Doppler-Effekt angewendet werden.

Der hier entwickelte Ford GT40 verfügt, wie bereits erwähnt, über das Merkmal, dass er mit einem Tesla Model S Motor ausgestattet sein wird, bei dem es sich um einen Elektromotor handelt. Da die Elektromotoren keine Geräusche abgeben, kommt hier als Sounddesign ein aktives Sounddesign zum Einsatz.

Abbildung 1: Konzeptionelle Zusammenhänge zwischen verschiedenen Parametern und verschiedenen Soundquellen

Active Sound design (ASD) beschreibt das elektronische Sound-Design des Fahrzeuges. Es ist eine Technik, bei der der Sound des Automotors auf der Grundlage verschiedener Motorparameter wie Drehzahl und Gaspedal erzeugt wird. Es basiert auf denselben Elementen wie jedes Active Noise Cancellation (ANC)-System (siehe Abbildung 2). Das heißt, um das interne Rauschen zu minimieren, nähert sich die Signalverarbeitung dem Zielgeräusch Null. Wenn jedoch ein Zielsignal ungleich Null aus Zustandsvariablen wie Motordrehzahl und Motorlast abgeleitet wird, optimiert das aktive System automatisch das Lautsprecherausgangssignal mit dem Ziel, entsprechende Restsignale zu erhalten

Bei dem Active Sound Design wird jedoch der vorhandene Auspuff-Sound nicht entfernt ,sondern mit Hilfe dieses System ein zusätzliches aktives Auspuff-Geräusch erzeugt.Motordaten und Geräuschparameter werden vom CAN-Bus des Fahrzeugs gelesen. Dadurch sind für diese Daten keine zusätzlichen Sensoren und keine zusätzliche Verkabelung erforderlich, eine CAN-Verbindung ist ausreichend. Diese Integration ist sowohl für Außen- als auch für Innensysteme möglich.

Abbildung 2: Skizze eines typischen ASD-Systems zur Geräuschreduzierung im Fahrzeuginnenraum

Das bestehende Soundsystem hier ist das Mashaust Soundsystem.Das Maxhaust Soundsystem ist ein aktives Soundsystem, mit dem der Sound eines Autos gesteuert werden kann, unabhängig davon, ob die Daten von der mobilen Applikation des Maxhaust Soundsystems oder von den Eingabeparametern des Autos erhalten wurden. Diese Daten umfassen auch die Motordrehzahl, die Geschwindigkeit des Fahrzeugs und die Gaspedalstellung.

Der generierte Sound wird in Echtzeit einen realistischen Motorsound von den Soundgeneratoren simuliert. Dieser Sound ist somit aggressiver, leistungsstärker und sowohl für Benziner als auch für Dieselmotoren anwendbar. Die Anbindung von bis zu vier Soundaktuatoren ist mit diesem System möglich. Das hier verwendete Maxhaust Soundsystem ist das für einen Tesla S Motor programmierte System (siehe Abbildung 3).

Unter diesen Komponenten unterscheiden sich hauptsächlich:

• Das Maxhaust Soundmodul: Dies ist ein Steuergerät zur Geräuscherzeugung. Das Steuergerät für Motorgeräusche wertet verschiedene Daten vom CAN-Bus des Fahrzeugs aus, wie z.B. Geschwindigkeit, Motorlast, Motordrehzahl und ermöglicht die Weitergabe bestimmter Frequenzen an die Lautsprecher. Das Maxhaust Soundmodul unterstützt bis zu vier Soundaktuatoren unabhängig davon, ob diese außen, innen oder im Motorraum liegen.
• Der Maxhaust Soundbooster: Der Soundbooster ist ein Elektronikmodul mit Software. Er simuliert über externe Lautsprecher einen großvolumigen Motor (V6/V8) und gibt dem Fahrzeug einen besonderen Sound, der mit einer üblichen Abgasanlage nicht erreicht werden kann. Er enthält zusätzliche Funktionen und macht das System mit anderen Fahrzeugen kompatibel. Für einen problemlosen Einbau des Maxhaust Soundbooster ist eine LED-Statusanzeige (2 LED) auf dem Soundbooster integriert und es ist eine Diagnose über die App möglich. Wenn die zwei LED grün leuchten, heißt dies, dass die Verbindung zum CAN-System erfolgreich war.
• Aktuator Out-Sound: Der Soundaktuator simuliert mit einem Schalldruckwandler einen Ton unter der Motorhaube.

Abbildung 3: Einbau: Maxhaust Soundsystem

Aber Wie funktioniert eigentlich ein Soundgenerator?

Ein Soundgenerator, in einigen Anwendungen auch als Signalgenerator bezeichnet, ist ein elektronisches Gerät, das Schallfrequenzen künstlich erzeugt. Es wandelt angelegte elektrische Signale in Audiosignale um.

Die Quelle des elektronischen Signals für einen Tongenerator variiert mit der Art der Anwendung. In tragbaren Testgeräten zum Beispiel ist die Quelle für das elektronische Signal ein durch integrierte Schaltungen modifizierter Gleichstrom.

Allgemein wandeln, vom Signal zum Ton, alle Tongeneratoren elektrische Signale in eine hörbare Kompressionswelle um. Die elektronischen Signale durchlaufen eine Spule, die bei Bestromung ein Magnetfeld erzeugt. Die Spule befindet sich in der Nähe eines Permanentmagneten und ist mit einer flexiblen Membran (normalerweise aus Papier oder Kunststoff) verbunden. Wenn das elektrische Signal die Spule durchläuft, ändert sich das Magnetfeld schnell und zwingt Die Spule, vom festen Magneten angezogen oder abgestoßen zu werden. Dadurch beginnt die daran befestigte Membran schnell zu vibrieren. Diese Vibrationen verursachen Kompressionswellen in der Luft, die als Sound bezeichnet werden.

Es werden verschiedene Arten von Soundgeneratoren unterschieden, indem je nach gewünschter Melodie unterschiedliche Transistoren vom Typ IC verwendet werden; diese Transistoren haben eine voraufgezeichnete Musik im Inneren, sodass, wenn der Strom angelegt wird, der Transistoroszilliert und sein Ausgang die Musiknoten ausgibt. Um den Sound über den Lautsprecher zu hören, muss der Ausgang verstärkt werden. Hierzu reicht manchmal schon ein einzelner Transistorverstärker aus.

Benötigte Hardware/Bauteile und Dateien/Software

Nun werden in einer Übersicht die benötigten und verwendeten Komponenten zum Lösen der Aufgabe vorgestellt.

Hardware-Komponenten und elektrische Bauteile

• Maxhaust Soundsystem (bereits vorgestellt)
• Arduino Uno Rev3:Arduino Uno ist eine Open-Source-Mikrocontroller-Platine, die auf dem ATmega328P (Datenblatt) basiert.Es verfügt über 14 digitale Eingangs-/ Ausgangspins (von denen sechs als PWM-Ausgänge verwendet werden können), sechs analoge Eingänge, einen 16-MHz-quartz crystal, einen USB-Anschluss, eine Netzbuchse, einen ICSP-Header und eine Reset-Taste.
• Sparkfun CAN-Bus Schield

Das CAN Bus Shield bietet Arduino oder Redboard CAN-Bus-Funktionen [15]. Mit diesem Shield kann die ECU(Electronic Control Unit) nach Informationen wie Kühlmitteltemperatur, Drosselklappenstellung, Fahrzeuggeschwindigkeit und Motordrehzahl abgefragt werden. Diese Daten könnten dann auch gespeichert oder auf einem Bildschirm ausgeben werden, um ein In-Dash-Projekt zu erstellen. Der CAN Bus Shield den Microchip MCP2515 CAN Controller (Datenblatt) mit dem MCP2551 CAN-Transceiver(Datenblatt). Somit kann der Mikrokontroller sowohl als Sender als auch als Empfänger arbeiten. Der CAN-Anschluss erfolgt über ein neunpoliges Standard-Sub-D-Kabel zur Verwendung mit einem OBD-II-Kabel. Das ist ideal für automatisierte CAN-Anwendungen. Das Shield verfügt außerdem über einen USB-Kartenhalter, einen seriellen LCD-Anschluss und einen Anschluss für ein EM506-GPS-Modul. Diese Eigenschaften machen dieses Shield ideal für Datenprotokollierungsanwendungen. Es muss beachtet werden, dass die Pin-Belegung am Sub-D-Stecker von Vector und die des CAN-Shields unterschiedlich ist. Bei dem Sparkfun CAN Bus Shield ist der CAN-H an Pin 3 und der CAN-L an Pin 5 angeschlossen.

• Gaspedal: In diesem Versuch wird ein Accelerator Pedal mit Dual Potentiometer benutzt.
• EIN-EIN Schiebeschalter
• Drehpotentiometer
• Rot LED
• Experimentier-Steckboard
• Elektrische Bauteile wie: Leitungen,USB-Kabel 2.0 zur Kommunikation zwischen Arduino und PC,Blitz, Blitzkabelbinder, Arduino Stackable Header Kit. Diese Header funktionieren mit dem Arduino Main Board, Arduino Pro und dem Arduino Mega. Dieses Kit enthält vier Header (zwei achtpolige und zwei sechspolige), die ausreichen, um ein Shield an eine Arduino-Hauptplatine anzuschließen.

Software-Komponenten und Dateien

• Vector Informatik GmbH CANoe; wurde von betreuendem Professor gestellt
• Tesla S DBC-File für Kommunikation mit dem Maxhaust soundsystem; die Datenbank enthält alle Botschaften mit den jeweiligen Signalen[4]
• CAN-Library für Arduino; Canbus_v4.zip
• Software Arduino IDE in der Version 1.0.5; freier Download direkt auf der Arduino-Homepage

Ansteuerung Maxhaust Soundsystem mit CANoe

CANoe ist das umfassende Software Tool zum Entwickeln, Testen und Analysieren einzelner Steuergeräte und ganzer Steuergerätenetzwerke. Es unterstützt Netzwerkdesigner, Entwickler und Testingenieure während des gesamten Entwicklungsprozesses – von der Planung bis zum Test auf Systemebene .

Das verwendete Format zur Unterstützung der Systembeschreibung bei Vector CANoe ist in dieser Arbeit das DBC-Format. Das bestehende Maxhaust Soundsystem ist für das Modell Tesla S bestimmt. Es werden also die DBC-files von Tesla S benötigt, um zu erkennen, auf welchen Eingangsparameter das Soundsystem reagiert. Zur Ansteuerung des Maxhaust Soundsystems mit der CANoe Software muss über den seriellen USB-Adapter eine physikalische CAN-Bus-Verbindung zum Computer hergestellt werden. Für den elektrischen Anschluss wird häufig der neunpolige Sub-D-Stecker (siehe Abbildung 4) benutzt, außer in Fahrzeugen. Beide Bus-Leitungen müssen beidseitig mit einem 120 Ω-Widerstand abgeschlossen werden, um Störungen zu vermeiden. Das Maxhaust Soundsystem kann somit an den Bus angeschlossen werden.

Abbildung 4: Schematischer Aufbau des Sub-D Steckers

Außerdem ist ein Anschluss an eine 12-V-Gleichstromquelle erforderlich. Die Erstellung einer Konfiguration ist in CANoe erforderlich wobei es darauf geachtet werden muss, dass Die Baudrate 500 Baud beträgt. Es wird dazu in der Simulationskonfiguration das Kontextmenü aufgerufen und Netzwerk-Hardware ausgewählt. Zusätzlich ist in der Simulationsstruktur auf dem virtuellen Bus ein interaktiver Generator enthalten. Dieser kann über das Kontext-Menü des angezeigten Busses (rote Linie) aufgerufen werden. In diesen interaktiven Generator sind einzelne Botschaften aus der Datenbank importierbar. Um die TeslaS DBC-datei hinzuzufügen, wird dazu im Fenster Systemansicht der Befehl Hinzufügen aus dem Kontext-Menü der Datenbank aufgerufen. Im Konfigurationsfenster des interaktiven Generators kann eine Botschaft eingefügt werden, indem auf ein leeres Feld in der Spalte Botschaftsname doppelgeklickt wird. Jede Botschaft hat eine Reihe von Signalen und der interaktive Generator hilft bei der Simulation eines beliebigen Signals. Bei dem Pedalpositionssignal wird wie folgt vorgegangen:

1. Importieren der Botschaft DI_Torque1 aus der Datenbank tesla_can.
2. Aufrufen des Fensters der Signal-Definition für das DI_pedalpPos (Schaltfläche Definieren am Ende der Zeile).
3. Konfigurieren des Sinus-Signals (Signalgenerator Typ) mit einer Amplitude von 13 (D in hex). Der Wert schwingt somit zwischen 0 und 100%.
4. Auslösung der Botschaft aktivieren (Auswahlfeld in der Spalte Zykluszeit anwählen).
5. Starten der Simulation (gelber Blitz in der Symbolleiste). Der pedalposition-Zeiger des Instruments oszilliert zwischen 0 und 100%.
6. Der Verlauf der Werte und die hexadezimale Botschaft kann im Trace des Messaufbaus (Doppelklick auf das Symbol) eingesehen werden; im Graphics des Messaufbaus erscheint eine grafische Darstellung der Simulation.

Damit das Pedalpositionssignal im nächsten Schritt von Arduino angesteuert werden kann, müssen Hexadezimalwerte, ID und Länge für diese Botschaften aufgezeichnet werden. Im Rahmen der Verarbeitung wurde die folgende Tabelle mit allen verwendeten Informationen zusammengestellt.

Datenbank	Botschaft	Signal	Beschreibung	ID	Länge	Faktor	Wert min	Wert max	Raw Data
Tesla_can	DI_torque1	DI_pedalPos	Pedalposition	0x108	8	0,4	0	100	0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00

Umsetzung mit Arduino und CAN-BUS Schield

Das ganze System wurde als eine Schaltung (siehe Abbildung 5)mit der Software Fritzing erstellt. Fritzing ist eine Open-Source-Hardware-Initiative, die Elektronik als kreatives Material zugänglich macht. Es ist ein Software Tool, das dem Benutzer ermöglicht, seine Prototypen zu dokumentieren sowie professionelle Leiterplatten zu entwerfen und herzustellen.

Abbildung 5: Umsetzung des Maxhaust Soundsystems mit Arduino und CAN Bus Schield: Schaltung

Um Arduino und das CAN Bus Shield einfach verbinden zu können, wurde das Arduino Stackable Kit auf das CAN Bus Shield gelötet und mit dem Äquivalent-Pin verbunden. Eine vierpolige Schraubklemme wurde auf dem CAN Bus Shield an die Stellen CAN L, CAN H,5v, GND gelötet, um die Kabel einfach mit dem CAN Bus Shield zu verbinden. Nach der Ansteuerung des Maxhaust Soundsystems mit CANoe können die Ergebnisse mit Arduino Uno gesteuert werden. Es wurde, wie bisher, das CAN Bus Shield verwendet. Zur Ansteuerung dieses Shields ist die Bibliothek (Library) Sparkfun CAN Bus Arduino Library notwendig. Dies kann auf zwei Arten geschehen. Erstens bietet die Arduino IDE eine äquivalente Funktion, auf die über Sketch \ Import Library \ Add Library zugegriffen werden kann. Dort wird einfach das Download-Verzeichnis als Quelle gewählt. Andernfalls kann der Ordner direkt in den entsprechenden Pfad für Arduino-Bibliotheken kopiert werden. Im Folgenden wird erläutert, wie die Botschaft mit Arduino an das Maxhaust Soundsystem gesendet wird. Aber vorher müssen die Min- und Max-Werte bestimmt werden und dies erfolgt über das Einlesen von analogen Werten mit Arduino. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle präsentiert, wobei Pedal 1 und Pedal 2 jeweils die zwei Potentiometer in dem Gaspedal sind.

Sensor	Min. Wert	Max. Wert
Potentiometer	0	1023
Pedal1	157	837
Pedal2	80	412

Im Folgenden wird die Ansteuerung der Pedalposition mit dem Gaspedal für das ganze System dargestellt:

Header Dateien
1 #include <Canbus.h>
2 #include <defaults.h>
3 #include <global.h>
4 #include <mcp2515.h>
5 #include <mcp2515_defs.h>

Um das CAN-BUS-Shield verwenden zu können, müssen die entsprechenden Header-Dateien enthalten sein. Eine Header-Datei ist eine Datei mit der Erweiterung .h, die C-Funktionsdeklarationen und Makrodefinitionen enthält, die von mehreren Quelldateien gemeinsam verwendet werden.

Einlesen von Sensoren
6   int ledPin = 3; //LED verbindet mitdem digital Pin 3 
7   int TastPin=5; 
8   int PotiPin=2; //Potentiometer verbindet mit dem analog  Pin 2 
9   int PedalPin=1; 
10  int valTast=0; // Anfangswertfür Taster 

Zum Einlesen von Sensoren, wie zum Beispiel eines Potentiometers, wurden Variablen für den Port und den einzulesenden Wert deklariert.

Implementierung des void Setup´s Funktion
11  void setup() { 
12  Serial.begin(9600); // zur Debug-Verwendung
13  Serial.println("CAN Write - Testing transmission of CAN Bus 
14  messages"); 
15  if(Canbus.init(CANSPEED_500)) //initialisiert den MCP2515 
    CAN controller zu einer bestimmten Geschwindigkeit
16  Serial.println("CAN Init ok"); 
17  else 
18  Serial.println("Can't init CAN"); 
19  pinMode(ledPin,OUTPUT); 
20  pinMode(TastPin,INPUT); 
21  }

In der Funktion void setup () muss der Modus für jeden verwendeten digitalen Anschluss festgelegt werden, das heißt, ob sie als Eingang oder Ausgang verwendet wird.

Implementierung der Void Loop´s Funktion
22  void loop() { 
    //potiseinlesen
23  int valPoti=analogRead(2); //Potentiometerwert zugeordnet den Sensorwert, der von dem Pin2 kommt
24  int valPedal1=analogRead(1); 
25  int valPedal2=analogRead(0); 
26  valPoti = map(valPoti, 0, 1023, 0, 100); 
27  valPedal1 = map(valPedal1, 157, 837, 0, 100); 
28  valPedal2 = map(valPedal2, 80,412, 0,100); 
    //Taster einlesen 
29  valTast=digitalRead(TastPin); 
    // serielle Kommunikation (Debuggen) 
30  Serial.println(valPedal1); 
31  Serial.println(valTast); 
32  Serial.println(valPoti);

Die Funktion map ordnet eine Nummer von einem Bereich einem anderen zu. Das heißt, ein Wert von fromLow wird auf toLow abgebildet, ein Wert von fromHigh auf toHigh, Werte dazwischen zu Werten dazwischen.

Senden von Nachrichten an Maxhaust Soundsystem über CAN
33  tCAN message; 
34  message.id = 0x108; //in HEX formatiert
35  message.header.rtr = 0; 
36  message.header.length = 8; //in DEC formatiert
37  message.data[0] = 0x00; 
38  message.data[1] = 0x00; 
39  message.data[2] = 0x00; 
40  message.data[3] = 0x00; // in HEX formatiert
41  message.data[4] = 0x00; 
42  message.data[5] = 0x00; 
43  if (digitalRead(TastPin)==HIGH){ 
44  digitalWrite(ledPin,HIGH); 
45  if (valPedal1<1)//ousivalPedal=0 
46  { 
47  message.data[6]=valPoti; //LSB und MSB für das Signal
    DI_pedalPos
48  } 
49  elseif (valPedal1>1) // wenn nicht, dann Pedal-Ansteuerung 
50  { 
51  message.data[6]=valPedal1; 
52  } 
53  }
54  message.data[7] = 0x00; 
55  mcp2515_send_message(&message); 
56  }

In der Bibliothek ist die Funktion “mcp2515_send_message (&message)” zum Versenden von CAN-Nachrichten definiert. Die zu sendende Botschaft stellt eine Strukturvariable dar, die aus der ID, dem Header mit der Länge und dem Array mit den Signalen besteht. Der Programmcode funktioniert, sodass das Gaspedal und das Potentiometer das Maxhaust Soundsystem ansteuern können. Wenn das Gaspedal auf Ruhestand (in diesem Fall Gaspedal<1) ist, kann der Potentiometerwert kann als Eingangsparameter genommen werden, um die Frequenz des Sounds zu kontrollieren. Aber damit alles funktioniert, muss zuerst der Taster gedrückt werden. Das LED leuchtet dann und geht nicht mehr aus, auch wenn der Taster den Wert 0 annimmt.

Ergebnisse

Nach mehreren erfolgreichen Versuchen haben wir einen Sound erhalten, der mit dem Potentiometer und mit dem Gaspedal kontrolliert werden kann. Dieser Sound soll später in den Ford Gt40 eingesetzt werden. Um diesen neuen Sound besser einschätzen zu können, ist es wichtig, den Originalsound des Ford GT40 mit diesem neuen Sound zu vergleichen. Deswegen geht es in diesem Teil der Arbeit um eine vergleichende Studie von diesen zwei Sounds, wobei SOUND 1 der ursprüngliche Sound des ehemaligen Ford GT40 ist und SOUND 2, das Soundprofil von Maxhaust, das während der Versuche gewählt und angesteuert wurde. Diese Studie basiert hauptsächlich auf der Untersuchung des Spektrogramms, das von jedem Sound erzeugt wird. Dabei hilft die Software Audacity. Audacity ist eine kostenlose Open-Source Software für die digitale Audiobearbeitung und -aufnahme, die für Windows, MacOS/ OS X und Unix-ähnliche Betriebssysteme verfügbar ist. Mit Audacity ist es auch möglich, eine Frequenzanalyse durchzuführen. Das Ziel unserer vergleichenden Studie ist es, mithilfe eines Spektrogramms zu analysieren, welcher Sound den im Audacity-Software-Programm festgelegten Schwellenwert einhält , um zu erkennen, welches der beiden Geräusche negativeren Konsequenzen für Fußgänger haben könnte.

Die Standardeinstellungen die genommen wurde sind:

• Fenstergröße: 1024
• Fenstertyp: Hann
• Nullpolsterungsfaktor: 1
• Mindestfrequenz (Hz): 0
• Maximale Frequenz (Hz): 20000
• Gewinn (dB): 20
• Bereich (dB): 80
• Frequenzverstärkung (dB /dec): 0

Abbildung 6 zeigt das Spektrogramm von Sound 1, Abbildung 7 das von Sound 2.

Abbildung 6: Spektrogramm Sound 1

Abbildung 7: Spektrogramm Sound 2

Bei den Standardeinstellungen von Gain = 20 dB und Range = 80 dB entsprechen die Farben den folgenden Pegeln:

• alles über -20 dB ist nicht unterscheidbar weiß (der Ton bei -10 dB ist weiß)
• Pegel von -40 dB bis -20 dB Übergang von Rot zu Weiß (der Ton bei -30 dB ist hellrot)
• Pegel von -60 dB bis -40 dB Übergang von Magenta zu Rot (der Ton bei -50 dB ist Magenta)
• Pegel von -80 dB bis -60 dB Übergang von Dunkelblau zu Magenta (der Ton bei -70 dB ist bläulich-lila)
• Pegel von -100 dB bis -80 dB Übergang von Hellblau zu Dunkelblau (der Ton bei -90 dB ist hellblau)
• alles unter -100 dB ist grau .

Eine Verstärkung (Gain) erhöht die „Helligkeit" des Displays. Dies geschieht durch die Verstärkung des Signals um den angegebenen Betrag. Bei der Standardeinstellung von 20dB wird jedes Frequenzband, das ursprünglich (vor der Verstärkung) einen Pegel von -20dB oder mehr hatte (und jetzt nach der Verstärkung einen Pegel von mehr als 0dB hat), als weiß angezeigt. In ähnlicher Weise werden die „unteren" Pegelbänder auch „heller". Die Bereichseinstellung bestimmt den Abstand zwischen den Farben. Der Begriff „Dezibel“ wird weltweit verwendet, um den Schallpegel in einer bestimmten Umgebung zu messen. Ein Dezibel ist eine Maßeinheit, die genutzt wird, um das Verhältnis eines Werts einer physikalischen Eigenschaft zu einem anderen auszudrücken. Dezibel folgen einer logarithmischen Skala. Sie sind kein absolutes Maß für die Schallenergie, sondern eigentlich ein Vergleich mit einem Referenzniveau. Wenn der Schallpegel im Kontext des menschlichen Gehörs ausgedrückt wird, bedeuten 0 dB, dass das Geräusch sich an der Schwelle des menschlichen Hörvermögens befindet. Ein positiver dB-Wert bedeutet, dass der Klang lauter als der Schwellenwert ist, während ein negativer dB-Wert bedeutet, dass das Geräusch leiser als dieser Schwellenwert ist. Es ist daher klar zu sehen, dass das Spektrogramm von Sound 1 heller ist als das von Sound 2. Das heißt, die dB-Werte des Sounds 2 sind kleiner (negativer)als den von dem Sound 2. Das von Sound 2 erzeugte Signal hält nicht nur den eingestellten normalen Grenzwert ein aber wird daher auch leiser.

Fazit und Ausblick

Fazit

Allgemein hat diese Arbeit zuerst die Machbarkeit eines künstlichen Soundsystems untersucht. Zudem wurde dessen Einsatz in einem elektrischem Auto, hier das GT40EV dargestellt danach wurde eine Vergleichende Studie zwischendem Sound des ehemaligen Ford GT40 und dem Sound des GT40EV durchgeführt. Zu diesem Zweck wurden zunächst Methoden gesucht, um mittels Informationen eines Eingangsparameters (hier das Gaspedal)einen Sound mit dem Maxhaust Soundsystem zu erzeugen.

Die Ergebnisse zeigen, dass ein solches System realisierbar ist und auch in einem Auto umgesetzt werden können. Obwohl Maxhaust nicht die CAN-Daten von seinem Soundsystem zur Verfügung stellt, ist es möglich gewesen, da die DBC-Dateiendes Autos bekannt waren, die CAN-Informationen von diesem Auto mithilfe der Vector CANoe Software zu erhalten. Zudem konnte mit den zahlreichen Funktionen des Mikrocontrollers Arduino und dem CAN Bus Shield von Sparkfun das komplette System umgesetzt werden. Die Programmierung dieses Systems erfolgte, wie bereits erwähnt, durch die Arduino Software. Die Versuche waren erfolgreich, denn das Soundsystem konnte die CAN-Informationen vom Gaspedal bekommen und diese als Frequenz eines Sounds wiedergeben. Wichtig bei der Durchführung des gesamten Prozesses war, auf die Zuordnung von Pin-Belegungen zu achten. Bei einer Nichtbeachtung bestände die Gefahr, dass das System entweder nicht wie erwartet oder gar nicht funktioniert. Im schlimmsten Fall kann es zu einem Kurzschluss kommen.

Bei der vergleichenden Studie haben die Ergebnisse (mittels der Spektrogramme) gezeigt, dass der erzeugte Sound des Maxhaust Soundsystemsauföffentlichen Straßen eingesetzt werden könnte. Die Sounds, die beim Ford GT40 zu hören sind, sind unangenehmer für den Menschen. Dieses Ergebnis ist insoweit nachvollziehbar, weil hier aufgrund des Motors oder der Drosselklappen viele unerwünschte Geräusche im Hintergrund erzeugt werden. Mit dem neuen Sound sind diese Geräusche vermeidbar, denn der Elektromotor erzeugt keinen Sound. Dies allerdings löst das Problem der Sicherheit aus, welches zu Beginn dieser Arbeit formuliert wurde.

Ausblick

Folgende Techniken wurden zur Verbesserung dieses Sounds denkbar:

• Verwendung einer Frequenzweiche: Eine aktive Frequenzweiche kann zwischen dem Empfänger und dem Verstärker verkabelt werden und unterdrückt die unerwünschten Frequenzen, bevor der Verstärker Energie verschwendet, um sie zu verstärken, sodass sich der Verstärker nur auf die Frequenzen konzentrieren kann, die gewünscht sind.

• Verwendung von schalldämpfendem Material: Geräuschdämpfendes Material senkt den Innengeräuschpegel in einem Auto, sodass der Erzeugte Sound besser in Fahrzeuginneren gefühlt wird.

Weiterführende Weblinks

• Bedienungsanleitung zu CANoe (Abruf: 19.11.2013) [5]
• Beschreibung des CAN-BUS Shields (Homepage von SparkFun Electronics®)[6]
• Homepage der Arduino-Community [7]
• Sounddesign von Elektrofahrzeugen - Ein Wunschgedanke ?
• Wie vertont man ein geräuschloses Auto?
• KUFATEC Sound Booster
• Wie sollen Elektroautos klingen?
• SoundSynthesizer
• A Sound Effect
• Industry-leading engine sound synthesizer
• The Sound Design Toolkit
• YouTube: Fuzzy Logic Engine Sound Simulation
• YouTube: Thor's Sporty Car - Sound Design Saturday 1
• YouTube: SoundRacer engine sounds OBDII Android app
• SoundRacer App
• Voltimer
• Igniter - Complex Vehicle Sound Design

Anlagen

Datei:Bachelorarbeit Sounddesign eines Ford GT40 inkl. Generatorrealisierung.zip

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