Was versteht man unter Geräusche, Vibrationen und Rauheit?

Geräusche, Vibrationen und Rauheit (NVH) bezeichnet die Untersuchung und Steuerung von Geräuschen und Vibrationen, die Menschen bei der Interaktion mit Maschinen – insbesondere Kraftfahrzeugen – wahrnehmen. Für Ingenieur*innen ist NVH von großer Bedeutung, da es das Kundenerlebnis maßgeblich beeinflusst und Auswirkungen auf die mechanische Haltbarkeit der Maschine hat.

NVH ist eine Kombination aus Technik und Psychologie. Ingenieur*innen befassen sich mit der Vorhersage, Messung und Kontrolle von Geräuschen und Vibrationen. Psycholog*innen untersuchen im Rahmen der Psychoakustik, wie Menschen Geräusche und Vibrationen wahrnehmen und bewerten. 

Um NVH besser zu verstehen, lohnt es sich, die einzelnen Begriffe im Kontext von Fahrzeugen zu betrachten.

Noise (Geräusche): Was gehört wird

Als Geräusche werden unerwünschte Schallereignisse im Innenraum oder im Außenbereich eines Fahrzeugs bezeichnet. Sie können beispielsweise durch den Fahrtwind, das Abrollgeräusch der Reifen auf der Fahrbahn, quietschende Bremsen, pfeifende Luft aus einer fast geschlossenen Lüftungsdüse oder den Motor entstehen. Tonale Geräusche sind eine Unterkategorie von Geräuschen; sie zeichnen sich durch eine oder mehrere einzelne Frequenzen aus und erzeugen ein Heulen, Dröhnen, Pfeifen oder Summen.

Vibration (Vibrationen): Das Verhalten der Quelle und die haptische Wahrnehmung durch den Menschen

„Vibrationen“ bezeichnet physikalische Schwingungen eines Objekts. Sie können die Haltbarkeit beeinträchtigen oder haptisch (durch Tasten/Fühlen) wahrgenommen werden. Beispiele hierfür sind ein vibrierendes Lenkrad, ein im Leerlauf schüttelnder Motor oder ein klapperndes Handschuhfach.

Harshness (Rauheit): Was wahrgenommen wird

Rauigkeit bezeichnet das subjektive Maß für die Qualität eines Geräuschs. Dabei wird betrachtet, was einen Motor kraftvoll klingen lässt, warum das Schließen einer Tür einen soliden Eindruck vermittelt oder ob die Akustik im Innenraum als angenehm und ruhig empfunden wird. 

Obwohl das Thema NVH für jede Mensch-Maschine-Interaktion relevant ist, nimmt die Automobilindustrie bei dessen Entwicklung und Anwendung eine Vorreiterrolle ein. Auch wenn man es damals wahrscheinlich noch nicht als NVH bezeichnete, hatten schon frühe Streitwagen und Fuhrwerke mit klappernden Teilen und einer holprigen Fahrt zu kämpfen – lange bevor es befestigte Straßen gab. Im Laufe der Zeit wurden einfache Holzfedern eingebaut, Teile fixiert und Bauteile massiver gestaltet, um die Fahrt in einer Kutsche weniger strapaziös zu machen.

Das Thema NVH gewann massiv an Bedeutung, als Ingenieur*innen laute Motoren einführten und NVH zu einem festen Bestandteil der Fahrzeugentwicklung machten; die Kunst, das Fahrerlebnis zu verbessern, entwickelte sich dabei zu einer echten Wissenschaft.  Alle großen Erstausrüster (OEMs) für die Automobilbranche beschäftigen mehrere Ingenieurteams, die sich ausschließlich mit NVH befassen, da Geräusche und Vibrationen im Fahrzeug einen wesentlichen Teil des Fahrerlebnisses – und damit der Markenwahrnehmung – ausmachen. Ein Großteil der Forschung, der technologischen Fortschritte, der Simulationswerkzeuge und der Testverfahren im Bereich NVH ist direkt auf das Bestreben der Automobilindustrie zurückzuführen, ein leiseres und angenehmeres Fahrerlebnis zu bieten.

Doch auch in anderen Branchen spielt die Wahrnehmung von Geräuschen und Vibrationen bei der Interaktion zwischen Mensch und System eine wichtige Rolle.

Zu den häufigsten Anwendungsbereichen für NVH außerhalb der Automobilindustrie gehören:

• Haushaltsgeräte wie Geschirrspüler und Waschmaschinen
• Motorisierte Gartengeräte wie Laubbläser und Rasenmäher
• Luftfahrzeuge (insbesondere in Passagierkabinen und Cockpits) sowie die Lärmreduzierung für die Umgebung von Flughäfen
• Elektrowerkzeuge und Fertigungsausrüstung
• Windturbinen

Unabhängig von der Branche geht es bei der NVH-Technik darum, Quellen für Geräusche und Vibrationen sowie deren Übertragungswege zu verstehen und zu analysieren, wie der Mensch diese wahrnimmt. Ziel ist es, diese Faktoren so zu steuern, dass gesetzliche Vorschriften sowie wirtschaftliche, ästhetische, sicherheitsrelevante und auf Langlebigkeit ausgerichtete Ziele erreicht werden. Die Teams nutzen eine Vielzahl von Werkzeugen und Verfahren zur NVH-Analyse und unterstützen das gesamte Produktentwicklungsteam dabei, Konstruktionen bei Bedarf anzupassen. Das Ergebnis ist ein besseres Produkt und ein überzeugenderes Kundenerlebnis. 

Sowohl Geräusche als auch Vibrationen entstehen durch Stöße, wahllose oder zyklische Bewegungen mechanischer Fahrzeugkomponenten oder durch die Strömung von Fluiden – meist Luft – um die Komponenten herum oder durch sie hindurch. Die mechanische Bewegung, die Vibrationen oder Geräusche erzeugt, wird als Geräuschquelle bezeichnet. Die Art und Weise, wie die Geräusch- oder Vibrationsenergie zu den Insassen gelangt, wird als Übertragungsweg bezeichnet. Die Ingenieur*innen untersuchen beides und modifizieren dann die Konstruktion, um Rauheit – die subjektiv wahrgenommene Härte der Fahrzeuggeräusche und -vibrationen – zu verringern.

Die häufigsten Ursachen für NVH-Probleme in Fahrzeugen sind:

• Antriebsstrang
  • Verbrennung des Motors: Die Hauptquelle für Geräusche und Vibrationen bei Verbrennungsmotoren ist der Verbrennungsvorgang in den Zylindern.
  • Bewegung und Kontakt von Mechanismen: Kurbelwelle, Nocken, Ventile und Kolben eines Verbrennungsmotors erzeugen Vibrationen durch Gleitbewegungen und gegenseitigen Kontakt.
  • Elektromotoren: Die zyklische, hochfrequente elektromagnetische Belastung im Elektromotor eines Elektrofahrzeugs verursacht Geräusche und Vibrationen, die sich deutlich von denen eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor unterscheiden.
  • Antriebswelle: Lager, Aufhängungen, Kupplungen und andere mechanische Komponenten können Geräusche und Vibrationen erzeugen sowie bei bestimmten kritischen Frequenzen stark in Resonanz geraten.
  • Getriebe: Sowohl Automatik- als auch Schaltgetriebe können durch das Ineinandergreifen der Zahnräder Geräusche verursachen.
• Interaktion von Straße und Reifen
  • Reifenprofil: Das spezifische Profil eines Reifens kann bei bestimmten Geschwindigkeiten in Resonanz geraten und unerwünschte Geräusche erzeugen.
  • Beschaffenheit der Fahrbahnoberfläche: Die Beschaffenheit der Straßenoberfläche – etwa Kies, Beton oder Asphalt – kann Vibrationen im Reifen auslösen, die wiederum Geräusche und weitere Vibrationen hervorrufen.
  • Unebenheiten der Fahrbahn: Risse, Bodenwellen, Dehnungsfugen, Spurrillen und Schlaglöcher wirken auf den Reifen ein und sind eine wesentliche Ursache für einen unkomfortablen Fahrkomfort (z. B. Stöße).
• Aerodynamische Einflüsse
  • Externe Turbulenzen: Wirbel in turbulenter Luftströmung sind eine wesentliche Quelle unerwünschter Geräusche. Häufig als Windgeräusche bezeichnet, können Turbulenzen durch hervorstehende Fahrzeugteile, wie Karosseriefugen, Außenspiegel, Scheibenwischer oder Säulen, entstehen und Geräusche verursachen.
  • Undichtigkeiten: Durch kleine Öffnungen an Fenstern oder Türspalten strömende Luft kann ein hochfrequentes Pfeifgeräusch verursachen.
  • Hohlraumresonanz: Geöffnete Fenster können Druckresonanzen im Fahrzeuginnenraum hervorrufen, die ein pulsierendes Geräusch erzeugen.
  • Abgasanlage: Bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor strömen die Abgase durch die Abgasanlage; die dabei entstehenden Druckwellen geraten in Resonanz und erzeugen Vibrationen sowie Geräusche.
• Hilfssubsysteme
  • Quietschen der Bremse: Das Reiben der Bremsbeläge an der Bremsscheibe oder -trommel kann Resonanzen auslösen, die ein markantes, lautes Quietschen verursachen.
  • HLK-System: Heiz- und Kühlsysteme weisen verschiedene Geräuschquellen auf, darunter Gebläsegeräusche, Pfeifen in den Luftkanälen und Turbulenzen an den Lüftungsdüsen. In modernen Fahrzeugen, bei denen aerodynamische und fahrbahnbedingte Geräusche reduziert sind, kann das HVAC-System – insbesondere bei Elektrofahrzeugen – eine dominierende Geräuschquelle darstellen.
  • Turbolader: Sowohl die Turbine als auch der Kompressor eines Turboladers erzeugen bei bestimmten Drehzahlen starke hochfrequente Geräusche.
  • Kühlerlüfter: Die Riemen und Lüfter, die Motor oder Batterien kühlen, laufen häufig im Stand oder sogar bei abgestelltem Motor.
  • Verriegelungen: Die Mechanismen zur Sicherung von Türen, Sicherheitsgurten und Staufächern in einem Fahrzeug erzeugen Geräusche und Vibrationen, wenn sie geöffnet oder geschlossen werden.
  • Aktoren: Moderne Fahrzeuge verfügen über Dutzende von elektrischen Aktoren, die beim Bewegen von Fenstern, Sitzen, Türschlössern, Feststellbremsen, Scheibenwischern und andere Komponenten surren oder fiepen.
  • Summen, Quietschen und Klappern: Lose Fahrzeugkomponenten, wie Karosserieteile, Lautsprechergitter, Befestigungsclips und Hitzeschutzbleche, können bei hohen Frequenzen in Schwingung geraten (Summen), an anderen Teilen reiben (Quietschen) oder gegen andere Objekte schlagen (Klappern).

Übertragungsweg in der NVH-Analyse

Sobald die Ingenieur*innen die Quellen identifiziert haben, besteht der nächste Schritt darin, zu quantifizieren, wie sich Geräusche und Vibrationen von diesen Quellen zu den Insassen ausbreiten. Geräusche breiten sich meist über die Luft aus; man spricht hierbei von Luftschallübertragung. Vibrationsenergie wird über feste Bauteile übertragen; dies wird als Körperschallübertragung bezeichnet. Diese Unterscheidung ist wichtig, da der Übertragungsweg beeinflusst, wie die Insassen Geräusche oder Vibrationen wahrnehmen, und bestimmt, welche Methoden den Ingenieur*innen zur Kontrolle der Rauheit zur Verfügung stehen. 

Ingenieur*innen in der Automobilindustrie setzen eine Vielzahl von Sensoren ein, um Vibrationen und Geräusche an Prototypen und Serienfahrzeugen zu messen. Anschließend werden die Testdaten mithilfe einer Analysesoftware in nützliche Informationen umgewandelt.

Die für NVH-Messungen am häufigsten verwendeten Sensoren sind:

• Beschleunigungsaufnehmer: Geräte, die Bewegungen im Zeitverlauf gleichzeitig in drei Dimensionen erfassen und so die Beschleunigung an einem bestimmten Punkt des Fahrzeugs ermitteln.
• Kraftaufnehmer: Instrumente, oft auch als Wägezellen bezeichnet, die zwischen Komponenten angebracht werden, um die zwischen ihnen wirkende Last im Zeitverlauf zu messen.
• Drehmomentaufnehmer: Sensoren, die die Verformung einer Welle messen und diese in eine auf die Drehung bezogene Last umwandeln.
• Dehnungsmessstreifen: Geräte, die die Verformung an der Oberfläche eines Objekts im Zeitverlauf messen.
• Mikrofone: Sensoren, die Änderungen des Luftdrucks im Zeitverlauf erfassen (was dem Geräusch entspricht).
• Laservibrometer: Optische Systeme, die die Doppler-Verschiebung eines von einer schwingenden Oberfläche reflektierten Laserstrahls messen und so die Auslenkung der Oberfläche im Zeitverlauf parallel zum Laserstrahl bestimmen. 

Ingenieur*innen in der Automobilindustrie verfügen über verschiedene Ansätze, um Geräusche und Vibrationen eines Fahrzeugs zu optimieren und die Rauheit zu minimieren. Fahrzeughersteller sind bestrebt, diese Maßnahmen so früh wie möglich im Entwicklungsprozess umzusetzen, da die Kosten für Konstruktionsänderungen zu diesem Zeitpunkt am geringsten sind.

Ingenieure versuchen, das Signal zu beseitigen, dessen Energie zu reduzieren oder dessen Rauheit zu verringern. Schwingung und Amplitude jeder Signalfrequenz bestimmen eine bestimmte Vibration oder ein bestimmtes Geräusch. Die Analyse der Amplituden der einzelnen Frequenzen ergibt ein Spektrum. Mehrfache Schwingungen bei einer bestimmten Frequenz erzeugen einen Ton oder Töne, die vom menschlichen Ohr wahrgenommen werden. Die Amplitude dieser Grundschwingungen bestimmt die Lautstärke des Geräuschs. Der korrekte Fachbegriff für die Wahrnehmung der Lautstärke ist „Lautheit“; sie lässt sich mithilfe des psychoakustischen Indikators „Lautheit“ abschätzen. 

Die vier gängigsten Ansätze zur Verringerung der Amplitude oder zur Änderung der Frequenzen sind: Modifikation der Quelle, Energieabsorption, Isolierung und aktive Unterdrückung.

Modifikation der Quelle

Der erste Schritt bei der Bewältigung von NVH-Problemen besteht darin, das Geräusch oder die Vibration direkt an der Quelle zu unterbinden, zu reduzieren oder zu verändern. Wird das Signal durch Resonanz verursacht, ändern Ingenieur*innen die Steifigkeit oder Geometrie, um die Eigenfrequenzen von den Anregungsfrequenzen zu entkoppeln oder die Energie im Falle einer Anregung zu minimieren. Klappergeräusche lassen sich durch eine festere Befestigung der Bauteile reduzieren oder beseitigen. Um tonale Geräusche an der Quelle zu reduzieren, nutzen Ingenieur*innen Verfahren wie das „Pitch-Sequencing“ (Variation der Tonhöhe), um den Frequenzbereich zu verbreitern, oder sie verändern die Drehzahl, um die Frequenzen in einen angenehmeren Bereich zu verschieben.

Energieabsorption

Sobald ein Signal seine Quelle verlassen hat, setzen Ingenieur*innen verschiedene Methoden ein, um dessen Energie in Wärme umzuwandeln, typischerweise durch Dämpfung oder Absorption. Ein gutes Beispiel hierfür ist der Einsatz von Gehäusen, Stoßdämpfern oder Akustikschaum in Dachverkleidungen, um Außengeräusche zu absorbieren und die Reflexion von Geräuschen im Innenraum zu verringern. Energieabsorbierende Materialien werden in mechanischen Verbindungen eingesetzt, um Vibrationen aufzunehmen. 

Isolierung

Anstatt die Energie eines Signals zu absorbieren, verfolgen Automobilingenieur*innen einen weiteren Ansatz: die Unterbindung der Signalübertragung. Designer*innen setzen Buchsen, Gummielemente, hydraulische Lager und flexible Verbindungen ein, um die Ausbreitung von Vibrationen im Fahrzeug zu verhindern.

Aktive Unterdrückung

Eine ausgefeiltere Methode ist der Einsatz von verstärktem Schall bei bestimmten Frequenzen, die als aktive Lärmkompensation bezeichnet wird, um die Amplitude eines Signals durch destruktive Interferenzen zu reduzieren. Bei der destruktiven Interferenz wird ein künstliches Signal verwendet, das eine Phasenverschiebung von 180 Grad gegenüber dem zu reduzierenden Signal aufweist. Ein weiterer Ansatz zur aktiven Unterdrückung besteht darin, ein angenehmes Geräusch hinzuzufügen, das das störende Geräusch überlagert. 

In der Produktentwicklung gilt der Grundsatz, dass es fast immer kostengünstiger ist, Änderungen in den frühen Designphasen vorzunehmen. Allerdings können Ingenieur*innen NVH-Eigenschaften erst messen, wenn ein Prototyp oder ein Serienfahrzeug für Tests zur Verfügung steht. Hier kommt die Simulation ins Spiel: sie liefert dem Designteam Informationen, lange bevor physische Komponenten gefertigt werden. In den meisten Fällen verwenden Teams eine Kombination aus mehreren Simulationsverfahren, um das NVH-Verhalten zu verstehen und zu optimieren.

Zunächst analysieren Ingenieur*innen mithilfe der Strukturdynamik das Eigen- und Fremderregungsverhalten von NVH-Quellen und Übertragungspfaden. Umfassende und effiziente Softwarelösungen wie Ansys Mechanical ermöglichen eine Vielzahl strukturdynamischer Simulationen, darunter Analysen zu Eigenfrequenzen, erzwungene Schwingung, Zufallsschwingung und CMS-Reduktion für große Baugruppen wie die selbsttragende Karosserie eines Fahrzeugs.

Bei elektrischen Antriebssträngen charakterisieren Simulationsingenieur*innen die durch elektromagnetische Kräfte verursachten Vibrationen und Geräusche mit einem universell einsetzbaren Tool wie die Software Ansys Maxwell. Speziell für Elektromotoren und Aktoren können sie ein fokussiertes Simulationstool wie Ansys Motor-CAD verwenden, um Geräuschquellen schneller zu modellieren und Maßnahmen zur NVH-Optimierung zu bewerten. Motor-CAD ist zudem ein hervorragendes Beispiel dafür, wie NVH-spezifische Werkzeuge für die Nachbearbeitung den Simulationsprozess beschleunigen und den Ingenieur*innen aussagekräftigere Informationen liefern können.

Darüber hinaus bewerten sie die Signalübertragung sowie Summen, Quietschen und Klappern mittels Mehrkörperdynamik-Analyse (MBD) unter Verwendung eines Tools wie Ansys Motion. Diese Art von Simulation vereinfacht Strukturen und konzentriert sich darauf, wie verschiedene Komponenten miteinander verbunden sind und wie sie sich dynamisch bewegen. MBD-Simulationen im NVH-Bereich konzentrieren sich typischerweise auf das Fahrwerk oder den Antriebsstrang eines Fahrzeugs. 

Schließlich nutzen sie Programme für numerische Strömungsmechanik (CFD), wie Ansys Fluent, um aerodynamische Geräusche vorherzusagen und zu kontrollieren. Die aeroakustische Analyse kombiniert Strömungsmechanik und Akustik, um Windgeräusche vorherzusagen und zu kontrollieren. Ein wichtiger Faktor bei der Vorhersage aerodynamischer Geräusche ist die präzise Modellierung von Turbulenzen und die Vorhersage, wann und wo der Strömungsübergang von laminar zu turbulent erfolgt. 

Sobald die Ingenieur*innen die Quellen und die Übertragung von Geräuschen und Vibrationen verstanden haben, können sie Werkzeuge wie die Software Ansys Sound verwenden, um sich das Ergebnis des virtuellen Prototyps anzuhören. Sie können anhand von Hörtests beurteilen, wie Insassen das Geräusch wahrnehmen, oder die empfundene Lästigkeit mithilfe psychoakustischer Kennzahlen wie Lautheit, Tonalität und Schärfe abschätzen. Die meisten dieser Kriterien orientieren sich an Normen wie ANSI, DIN und ECMA. Im nächsten Schritt wird das Design innerhalb der Simulationsumgebung iterativ angepasst; dabei werden Materialien, Geometrie, Komponenten und Verbindungen variiert, um Lautheit und Rauheit zu reduzieren. 

Zusätzlich zu diesen Tools setzen Teams häufig eine Optimierungsplattform wie Ansys optiSLang ein, um komplexe Situationen zu bewältigen, in denen zahlreiche Eingangs- und Ausgangsgrößen gegeneinander abgewogen werden müssen. 

Die bedeutendste Veränderung im NVH-Management ist auf die Zunahme von Elektrofahrzeugen und den Umgang mit den in Elektromotoren entstehenden hochfrequenten Vibrationen zurückzuführen. Zudem arbeiten die Teams daran, Lösungen für den Umstand zu finden, dass das Geräusch des Verbrennungsmotors andere Klänge nicht mehr überdeckt; diese anderen Geräusche müssen nun identifiziert und minimiert werden.

Über die durch Elektrofahrzeuge bedingten Veränderungen hinaus liegen die drei wichtigsten Trends in der NVH-Technik in Innovationen bei der Schallabsorption, der aktiven Lärmkompensation und dem aktiven Sounddesign (ASD). Unternehmen erforschen neue Materialien und innovative Fertigungsverfahren, wie z. B. 3D-Druck, um Strukturen zu schaffen, die Schall und Vibrationen dämpfen oder absorbieren. Darüber hinaus arbeiten Forscher an Verbesserungen im Bereich Edge-Computing im Fahrzeug, an optimierter Sensortechnik sowie an effizienteren Schallgeneratoren, um unerwünschte Geräusche präziser zu erfassen und zu reduzieren. Sobald das Geräusch durch passive oder aktive Maßnahmen reduziert wurde, eröffnet sich Spielraum für die Gestaltung neuer Klänge. Mithilfe von ASD lassen sich beispielsweise futuristische Sounds entwickeln, die akustisches Feedback zum hohen Drehmoment eines Elektroantriebs geben, oder subtile 3D-Klänge für Warnsignale moderner Fahrerassistenzsysteme (ADAS) erzeugen. Ein für aktive Elektrofahrzeuge vorgeschriebenes Geräusch ist das Außengeräusch bei niedrigen Geschwindigkeiten, das so genannte akustische Fahrzeugwarnsystem.

Der vielversprechendste Forschungsansatz ist der Einsatz künstlicher Intelligenz (KI) durch F&E-Teams, um das Phänomen der Rauheit zu verstehen und zu quantifizieren und sie von einer subjektiven Einschätzung in eine objektive, messbare Größe zu überführen. 

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