Hyundai setzt tragbare akustische Kamera für die Untersuchung von Störgeräuschen basierend auf LabVIEW und FPGA ein

Kang-Duck Ih, Hyundai Motor Group

"Mithilfe von NI-Hard- und -Software entwickelten wir zu einem viel früheren Zeitpunkt als unsere Mitbewerber eine vollständig tragbare akustische Kamera. Sie wird uns sicher dabei unterstützten, unseren Kunden bessere Fahrzeuge zu liefern."

- Kang-Duck Ih, Hyundai Motor Group

Die Aufgabe:

Erstellen eines tragbaren Systems zur Darstellung und Identifizierung sporadisch auftretender Störgeräusche (Buzz, Squeak, and Rattle, BSR) in Automobilen von Hyundai

Die Lösung:

Entwickeln einer tragbaren akustischen Kamera mit der Systemdesignsoftware NI LabVIEW, die Geräuschquellen in Echtzeit identifiziert und darstellt und dazu ein mikroelektromechanisches System (MEMS) sowie FPGA-Technologien nutzt, um die Bildaktualisierungsrate zu erhöhen und das Gesamtgewicht des Geräts zu verringern

Autor(en):

Kang-Duck Ih - Hyundai Motor Group
Youngkey K. Kim - SM Instruments Co., Ltd.

 

 

Kunden erwarten, dass ihre Fahrzeuge ohne Summen, Quietschen und Klappern laufen (im englischen Sprachraum als Buzz, Squeak, and Rattle, BSR, bekannt). Diese Geräusche wirken sich auf Kundenzufriedenheitsuntersuchungen aus, wie etwa in der J.D. Power Initial Quality Study (IQS) belegt wurde, in der etliche Fahrzeuge von Hyundai höchste Bewertungen erhielten. Diese Geräusche werden durch Zusammenprall und Reibung beweglicher Teile verursacht. Das dabei auftretende Summen ist ein kurzes, durch Zusammenprall verursachtes Geräusch mit hohen Frequenzen aufgrund von Resonanz. Viele quietschende Geräusche treten auf, wenn es zu einer linearen Bewegung beim Kontakt zwischen zwei Metallen kommt oder wenn Gummi über eine Riemenscheibe aus Metall geschoben wird. Ein Klappern kann vorkommen, wenn das Fahrzeug in Bewegung ist oder wenn der Motor bei stehendem Fahrzeug läuft. Es kann auch durch Lautsprecher entstehen, wenn diese niederfrequente Geräusche mit hoher Intensität erzeugen. Der ersteSchritt, um Abhilfe zu schaffen, besteht darin, die Quelle des Geräusches zu identifizieren, was sich jedoch als schwierig erweisen kann.

 

 

 

 

 

Akustisches Beamforming beinhaltet das Abbilden von Geräuschquellen mithilfe eines akustischen Arrays. Es erkennt die Richtung, aus der das Geräusch kommt, aufgrund der Zeitverzögerungen, die auftreten, wenn sich das Geräusch über ein Mikrofonarray, wie etwa die akustische Kamera, hinweg bewegt. Eine akustische Kamera stellt Geräusche als Farbkonturen dar, ähnlich der Darstellung von Temperatur durch eine Wärmebildkamera. Ein Mikrofonarray, das nach dem Beamforming-Verfahren arbeitet, ortet die Geräuschquellen und legt diese visuell über das Kamerabild. Dadurch gehört es zu den besten Geräten zur Erkennung von BSR-Geräuschen. Etliche handelsübliche Beamforming-Geräte wandeln die Signale des Arrays in Konturen der Geräuschgrößen um Diese Geräte nutzen Kameras, um die Konturen über die optischen Abbildungen zu legen, wodurch das Orten der Geräuschquelle erleichtert wird. Sie können mehrere Geräuschbilder pro Sekunde aufnehmen, um Geräuschvideos bereitzustellen. Normalerweise erhöhen sich Geräuschbild- und -videoqualität in höheren Frequenzbereichen, da sich die Leistung umgekehrt proportional zur Wellenlänge des Geräusches verhält.

 

 

 

 

 

 

Das Identifizieren von Geräuschquellen stellt für manche Geräte eine Herausforderung dar. Zum einen müssen die Geräte schnelle Antwortzeiten bieten, um sporadisch auftretende Geräusche zu erfassen. Die meisten BSR-Geräusche treten unregelmäßig und plötzlich auf. Manchmal dauern die Geräusche nur wenige Millisekunden und verschwinden dann. Zum anderen benötigten wir für diese Anwendung ein leichtes Gerät, das klein genug war, um mobil im Inneren eines Pkw eingesetzt werden zu können, wo die meisten BSR-Geräusche auftreten bzw. bemerkt werden. Da sich die Größe des Arrays proportional zur Bildauflösung verhält, besonders in Niederfrequenzbereichen, war es nicht leicht, kleine Beamforming-Geräte zu bauen. Wir optimierten diesen mobilen Beamformer zur Erkennung von BSR-Geräuschen, die meist zwischen 300 Hz und 8 kHz liegen. Dabei ermöglichten die höheren Frequenzbereiche die Verwendung eines kleineren Arrays, sodass er mobil genutzt werden konnte.  

 

 

 

 

 

 

 

Die ersten von uns für die Geräuschquellenidentifizierung entwickelten Systeme verwendeten analoge Mikrofone mit spiralförmigen Arrays mit 30 bis 48 Kanälen und einem Durchmesser bis zu 85 cm. Wir erfassten Daten mithilfe des Moduls NI 9234 zur Erfassung dynamischer Signale in einem NI-CompactDAQ-System für die Version mit 30 Kanälen und des Moduls NI PXIe-4497 zur Erfassung dynamischer Signale für die Version mit 48 Kanälen. Die Anwendung für die akustische Kamera entwickelten wir in LabVIEW mit der NI Sound and Vibration Measurement Suite, die Messungen der Klangqualität zur Anzeige in Echtzeit umfasst. Durch die ausgeweitete Arraygröße ist sowohl die Erkennung von BSR-Geräuschquellen als auch die NVH-Identifizierung (Noise, Vibration, Harshness) bis auf 50 Hz möglich. Die akustische Kamera wurde in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z. B. für die Visualisierung von Reifengeräuschen beim Vorbeifahren und die Geräusche von Türverkleidungen aufgrund von Lautsprechern.

 

 

 

 

 

 

Da Geräte für die Signalverarbeitung immer besser werden, überarbeiteten wir unser Beamforming-System, sodass es leicht genug für die BSR-Geräuscherkennung auf engstem Raum war, um die Anforderungen von Hyundai zu erfüllen. Dazu nutzten wir MEMS-Mikrofone und FPGA-Technologie. Die Leistung von MEMS-Mikrofonen hat sich aufgrund der Verwendung in Unterhaltungselektronik wie Mobiltelefone stark weiterentwickelt. Sie sind inzwischen äußerst zuverlässig und auch kostengünstig. Zudem bieten sie eine flache Wiedergabe im Frequenzbereich der menschlichen Stimme zwischen 300 Hz bis 8 kHz, den relevanten Frequenzen der BSR-Geräusche. Ein digitales MEMS-Mikrofon beinhaltet einen Schallwandler, einen Vorverstärker und einen Sigma-Delta-Wandler auf einem einzigen Chip. Da der Chip das analoge Signal in eine digitale Impulsfolge wandelt, konnten wir auf einen Großteil der Messtechnik verzichten und so die Größe und das Gewicht des Systems bei gleichbleibend hoher Leistung reduzieren.  

 

Wir portierten die Anwendung mithilfe des LabVIEW FPGA Module, damit die rechenintensiven Beamforming-Algorithmen zur Ausführung auf dem FPGA eines NI Single-Board RIO umgewandelt werden, wodurch sich Größe, Kosten und Mobilität weiter verbesserten. So war es ebenfalls möglich, Signalkonditionierung, Datenerfassung, Filterung und Beamforming auf einem Chip zu vereinen und die Erfassungshardware direkt mit der Verarbeitungseinheit des FPGAs zu verbinden, wodurch die Latenz verringert wurde. Der FPGA konnte hunderte von Rechenoperationen in jedem Zyklus durchführen. So wurde die Rechenleistung des PCs durch einen stark parallel ausgerichteten Betrieb übertroffen. 

 

 

 

Das System wiegt weniger als 2 kg, wodurch sich die Mobilität verbessert. Wir entwarfen eine einzige durchgehende Vorrichtung für das Mikrofonarray und eine Kamera mit drei Griffen auf der Rückseite, um eine stabile Nutzung mit einer oder zwei Händen zu erlauben. Alle Sensoren wurden samt integrierter Verkabelung im Hauptteil montiert. Dadurch reduzierten sich im Vergleich zum vorherigen System die Größe um 60 und das Gewicht um 70 Prozent.

 

Anwender können dank der geringen Größe und des geringen Gewichts des Systems interaktiv verschiedene Geräuschquellen untersuchen, die innerhalb und außerhalb eines Fahrzeugs auftreten, und das sogar auf kleinstem Raum. Das integrierte Design reduziert die Einrichtungszeit erheblich. Aufgrund seiner hohen Aktualisierungsrate (Bild pro Sekunde) ist das System sehr effizient, was das Erfassen und Anzeigen sporadisch auftretender Geräusche betrifft, und wird bei Tests an zahlreichen neuen Luxusmodellen wie dem Hyundai Genesis verwendet, bei denen BSR-Geräusche nicht auftreten sollten.

 

 

Informationen zum Autor:

YoungkeyK. Kim
SM Instruments Co., Ltd. 
DIREC 302, Taplipdong 697, Yusunggu
Daejeon 305-701
South Korea
youngkey@smins.co.kr

 

Informationen zum Autor:

Kang-Duck Ih
Hyundai Motor Group

Abb. 1: Die akustische Kamera SeeSV wird zur Identifizierung der Auswirkung einer Motorabdeckung beim Hyundai Genesis verwendet.
Abb. 2: BSR-Geräusche treten innerhalb eines höheren Frequenzspektrums auf als normale Motorengeräusche.
Abb. 3: Geräuschquellen an einer Fahrzeugtür und einem Fenster werden erkannt.
Abb. 4: Für NVH-Anwendungen wird ein größeres Mikrofonarray eingesetzt, dazu ein BSR-Array im Vergleich.
Abb. 5: Ergonomisch geformte Griffe verbessern die Handhabung.
Abb. 6: Das System wiegt unter 2 kg.