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Sound-Design

Warum Motoren klingen, wie sie klingen

Technik - Sound-Design Foto: Hersteller 14 Bilder

Hinter dem Klang eines Sportwagen-Motors steckt mehr als lautes Gebrüll. Er gleicht einem Konzert. Der Komponist ist der Sound-Designer. Wir erklären Ihnen die Technik und den Aufwand, die dahinter stecken.

04.01.2010 Bianca Leppert Powered by

Im Konzertsaal herrscht Totenstille. Dann der erste Ton. Laut und eindrücklich, als wolle sich der Sänger nach langer Abstinenz wieder zurückmelden. Ein tiefes Grollen wie von einem Löwen, der sein Maul aufreißt und dessen Geräusch an einen Verstärker angeschlossen ist. Der Konzertsaal trägt die Nummer 911. Porsche 911.

Das Sound-Design nimmt einen hohen Stellenwert bei Porsche ein

Dr. Bernhard Pfäfflin sitzt jeden Tag in diesem Konzert. Er ist Leiter der Abteilung für Akustik- und Schwingungstechnik im Porsche Entwicklungszentrum in Weissach. Der Mann, der mit seinem Team jedem einzelnen Porsche seine Stimme verleiht. Neben dem Gestalten von Geräuschen wie dem Zuschlagen von Türen oder Klacken einzelner Knöpfe nimmt das Sound-Design des Motors einen besonderen Stellenwert in seiner Arbeit ein. „Alles was mit Emotionalität zu tun hat, ist für Porsche sehr wichtig“, sagt er. „Der Sound trägt neben dem Design zur Emotionalität bei.“

Gleiches gilt für die italienische Sportwagenschmiede Lamborghini. „In so einem Auto, bei dem der Motor und das Design eine so große Rolle spielen, müssen die Leute am Sound sofort erkennen, dass es ein Lamborghini ist“, erklärt Maurizio Reggiani, Leiter der Technischen Entwicklung. Denn Klang ist nicht gleich Klang. Selbst wenn der gleiche Motor unter dem Blechkleid sitzt, sind es keine eineiigen Zwillinge, sondern nur Geschwister. Jedes Auto hat seine Eigenheiten. „Unser aufgeladener 3,0-Liter Reihensechszylinder steckt im BMW 135i und im 335i. Die Abgasanlage und die Ansaugung sind aber unterschiedlich“, sagt Robert Mirlach, Leiter Motorakustik bei BMW. Ein gravierender Unterschied. Schließlich sind Abgasanlage und Ansaugsystem wie verschiedene Instrumente in einem Orchester. Gemeinsam mit den Geräuschen der Motormechanik bilden sie eine Harmonie.

Der Computer spielt eine große Rolle beim Sound-Design

Die wird bei den meisten Autoherstellern oder Abgasanlagenentwicklern am Computer entwickelt. Nachdem die Ingenieure alle störenden Geräusche am Auto beseitigt haben, überlegen sie sich, welcher Sound zum Charakter des Autos passt. „Der Porsche GT3 soll anders klingen als der Panamera“, sagt Pfäfflin. Die gleichen Ziele verfolgt man bei BMW. Während der V8-Motor in der X-Familie seine Stärke mit einem tieffrequenten Blubbern ausdrückt, soll der Fahrer in den Z-Modellen den V8 als kraftvoll und drehzahlbegierig wahrnehmen.

Bei Porsche, wo der Sound komplett selbst entwickelt wird, ist der zweite Schritt die Berechnung der vielen Bauteile mithilfe eines speziellen Programms. „Wir berechnen jedes Volumen, Luftfilter, Rohre, Schalldämpfer, jedes Teil, das am Gaswechselsystem beteiligt ist“, sagt Pfäfflin. Aus zig Variationen kommen vier bis fünf in die engere Auswahl. Die Bauteile werden als Prototypen gebaut und im Tonstudio bewertet. Die Sound-Designer modifizieren sie so lange, bis der Wunschklang entsteht. „Wir hören uns das nicht nur an, und sagen ‚hört sich gut an’ oder eben nicht“, sagt Pfäfflin. „Wir stellen am Computer grafisch dar, wie Ton und Sound aussehen und wie sich die Klänge zusammensetzen.“

Die Sound-Designer arbeiten Zahn in Zahn mit den Motorenentwicklern

Anhand dieser Grafiken bewerten die Spezialisten den Sound und entscheiden, an welchen Stellschrauben sie noch drehen müssen. Das Ganze gleicht einem großen Puzzle. Bei den bayerischen Kollegen entscheidet Sound-Designer Robert Mirlach anhand des Vorgängermodells, welche Teile des Klangs er herausnehmen, betonen, dazukomponieren oder verändern möchte. Anschließend setzt er sich ins Auto und testet den Klang. „Wenn ich dann beim Fahren die Beschleunigung spüre und den Fahrbahnkontakt wahrnehme, dann passiert es immer wieder, dass ich den Sound intensiver wahrnehmen möchte als beim Abhören des synthetisch erzeugten Klangs im Labor.“

Die Sound-Designer arbeiten eng mit den Motoren-Entwicklern zusammen. Bei Lamborghini gibt es keine eigene Abteilung für Sound-Design. Die Ingenieure der Motorentwicklung nehmen sich dieser Thematik zusätzlich an. Am Computer generieren die Italiener im ersten Schritt einen Basis-Sound, der sich aus der Zylinderzahl, der Zündreihenfolge und der geometrischen Form des Motors ergibt. Danach feilen sie an den Details. Diese Details sind zahlreich. Tritt der Fahrer aufs Gaspedal, will er die Beschleunigung nicht nur fühlen, sondern auch hören. Deshalb achten Porsche, BMW und Lamborghini darauf, dass der Kunde das Geräusch im Innenraum hört und bearbeiten deshalb das Ansaugsystem.

Jeder Hersteller hat seine eigenen Methoden, aber wie so oft gilt: Alle Wege führen nach Rom. Bei BMW verwendet man neben der Ansaugung an den Nieren eine zweite Öffnung, die in Richtung Stirnwand geht, dort aber verschlossen ist. Derart wird zwar keine Luft angesaugt, allerdings ein Klang erzeugt. Porsche entwickelte eine Öffnung im Luftfiltergehäuse, die das Geräusch in den Innenraum durchlassen soll. Je näher die Ansaugung am Fahrer sitzt, desto besser der Sound im Innenraum. Im Boxster befindet sich die Ansaugung hinter dem Fahrer.

Charakteristik des Motors für den Klang entscheidend

Grundlegend für den Klang ist außerdem die Charakteristik des Motors. Ob er nur vier Zylinder oder gar zwölf hat, ist in etwa so ein großer Unterschied wie das Piepen einer Maus und das Gebrüll eines Bären. Um auf die Merkmale des Motors einzugehen, arbeiten die Klangspezialisten mit sogenannten Motorordnungen, die sich je nach Zylinderzahl unterscheiden. Bei einem Sechszylindermotor zündet jeder Zylinder jede zweite Umdrehung der Kurbelwelle. Es gibt also pro Umdrehung drei Zündvorgänge. Deshalb hat der Motor eine starke dritte Ordnung. Beim Achtzylinder wäre es eine vierte Ordnung.

„Wir haben diese Anregungen aus der Verbrennung, das sind die Grundordnungen“, erläutert Dr. Pfäfflin. „Damit ein Motor so klingt wie ein Porsche-Motor, nehmen wir die Zwischen-Ordnungen noch dazu. Damit komponieren wir und unterscheiden uns. Wir haben nicht nur eine dritte oder vierte Ordnung bei unseren Motoren, sondern auch eine anderthalbfache Ordnung oder eine zweite Ordnung beim Sechszylinder. Das macht den besonderen Porsche-Sound aus.“

Details sind entscheidend beim Sound-Design

Zusätzlich fließen Kleinigkeiten in den Klang ein, von denen man es nie vermutet hätte. Die Ingenieure stellen sich im Entwicklungsprozess zum Beispiel zahlreiche Fragen zur Oberflächenabstrahlung des Motors: Wie gestalte ich die Zylinderköpfe oder die Kurbelgehäusewände? Mit Rippen – wie viele Rippen und wie viel Abstrahlung lassen sie zu? Oder: Wie werden die Geräusche von der Nockenwelle abgestrahlt?

Drittes wichtiges Element neben Ansaugsystem und Motorgeräuschen ist die Abgasanlage. Hier lassen sich Rohrlängen, Rohrquerschnitte und Schalldämpfervolumen variieren und somit Klänge verändern. Auch die Geometrie des Abgassystems ist entscheidend. „Wenn man eine Bank von fünf oder sechs Zylindern hat, lässt sich je nach Führung der Abgasanlage ein ganz anderer Sound erzeugen. Beispielsweise kann man fünf Zylinder in ein Rohr, oder drei in eins oder zwei in eins und all diese in ein Rohr zusammenführen“, erklärt Maurizio Reggiani von Lamborghini. Eine weitere Rolle spielt der Schalldämpfer, dessen Innenaufbau verschieden gestaltet werden kann. „Wir bauen ein paar Prototypen von Schalldämpfern, und mit Hilfe eines Mikrofons vergleichen wir die Simulation mit dem echten Klang. Das heißt wir passen die Geometrie des Schalldämpfers an den Basis-Sound des jeweiligen Motors an“, ergänzt Reggiani.

Abgasanlage ist die dritte wichtige Komponente

Beim V8-Motor von BMW unterscheidet sich der Innenaufbau im linken und rechten Teil der Abgasanlage. Diese Asymmetrien aufaddiert, ergeben einen anderen Klang als die einfache symmetrische Anordnung. Dieser ist so prägnant, dass ihn Robert Mirlach blind erkennt. „Meine Vision ist, dass man in einem Café an der Straße sitzt und bereits am Klang eindeutig wahrnimmt, wenn ein BMW vorbeikommt. Beim Reihensechszylinder von BMW habe ich damit überhaupt kein Problem, und auch die V8-Motoren haben aufgrund der Asymmetrie einen sehr eigenen Klang bei BMW.“

Die Klangkünstler müssen in ihrer Arbeit allerdings Restriktionen berücksichtigen – die weltweit gesetzlich festgelegten Geräuschbestimmungen. In Deutschland darf der gesetzlich festgelegte Grenzwert von 74 Dezibel nicht überschritten werden. Um diese erfüllen zu können, nutzt so mancher Hersteller Auspuffklappen, die erst bei höherer Drehzahl öffnen. Aus dem schnurrenden Kätzchen wird mit offenen Klappen ein fauchender Tiger. Für Porsche und BMW ist die gesetzliche Prüfung kein Grund, Klappen einzusetzen. Es geht um den sportlichen Klang im oberen Drehzahlbereich. Bei Porsche öffnen die Klappen unter anderem im Sport-Modus, bei BMW ist der Zeitpunkt auf jedes Auto abhängig von Drehzahl und Gang abgestimmt.

Wie funktionieren die Abgasklappen?

Maurizio Reggiani von Lamborghini erklärt die Funktion dieser Klappen: „Sie können im Bereich der gesetzlichen Vorschriften zum Beispiel geschlossen sein. Und nur wenn man aus diesem Bereich rauskommt, öffnen sie und erzeugen ein anderes Geräusch. Wir erfüllen damit die Geräuschbestimmungen und geben dem Kunden die Emotion, wenn sie aufs Gaspedal drücken.“

Der Mini Cooper S fordert es hingegen geradezu heraus, den Fuß vom Gaspedal zu nehmen. Dann blubbert er mit rauer Stimme aus dem Endrohr. BMW nennt das Schubblubbern. Der Sprit wird – bevor man ihn wegnimmt – nochmal einige Zentelsekunden eingespritzt. Allerdings ist dieses Merkmal der stärksten Motorvariante des Z4 und dem Mini Cooper S vorbehalten. „Als einmal ein Kollege aus einer anderen Baureihe auf mich zukam und unbedingt ein Schubblubbern für seine Modellreihe wollte“, plaudert Robert Mirlach aus dem Nähkästchen, „habe ich es mal an einer sportlichen Limousine ausprobiert, musste aber feststellen, dass es nicht zum Fahrzeugcharakter passt.“

Was passt und was nicht, entscheiden nicht Musiker, sondern in aller Regel Ingenieure. In der Abteilung für Akustik- und Schwingungstechnik bei Porsche sind die meisten Fahrzeugtechnik-Ingenieure, Maschinenbauer oder Physiker. Einige machen in ihrer Freizeit Musik. „Für jede Baureihe haben wir einen Chefdesigner, der das Sound-Design für die Anlage macht“, sagt Bernhard Pfäfflin. „Man braucht extrem viel Erfahrung, sonst verzettelt man sich. Man hat ja so viele Stellhebel, mit denen sich der Sound beeinflussen lässt.

Zukunft des Sound-Designs bei Elektroautos?

Noch sind es viele Stellhebel, doch in naher Zukunft könnte die Arbeit der Sound-Designer etwas anders aussehen. Dann gilt es, Elektroautos schön klingen zu lassen. “Das ist eine besondere Herausforderung. Wir wollen das gleiche Ergebnis erzielen wie bei den Verbrennungsmotoren: Ein Elektrofahrzeug oder Hybrid-Fahrzeug im E-Mode soll sich charakteristisch für Porsche anhören.„ Auch wenn sich dieses Konzert dann möglicherweise nicht so anhört wie im Konzertsaal 911.

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