AT521132B1

AT521132B1 - Vorrichtung, System und Verfahren zur räumlichen Lokalisierung von Schallquellen

Info

Publication number: AT521132B1
Application number: ATA50033/2019A
Authority: AT
Inventors: Rittenschober Dr Thomas
Original assignee: Seven Bel Gmbh
Priority date: 2018-03-19
Filing date: 2019-01-16
Publication date: 2022-12-15
Also published as: JP7491895B2; AT521132A3; AT521132A2; JP2021518569A

Abstract

Es wird eine Vorrichtung beschrieben, welche mindestens ein erstes Mikrofon (10), das beweglich angeordnet ist, mindestens ein zweites ortsfestes Mikrofon (11) und mindestens einen Sensor umfasst. Die Mikrofone können die von akustischen Quellen emittierten Schallwellen erfassen, und der Sensor kann Raumkoordinaten des ersten Mikrofons erfassen. Des Weiteren wird ein korrespondierendes Verfahren und ein System mit der erwähnten Vorrichtung beschrieben.

Description

Beschreibung

VORRICHTUNG, SYSTEM UND VERFAHREN ZUR RÄUMLICHEN LOKALISIERUNG VON SCHALLQUELLEN

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die vorliegende Beschreibung betrifft eine Vorrichtung, ein System sowie ein Verfahren zur räumlichen Lokalisierung von Schallquellen und ist daher dem Gebiet der akustischen Messtechnik zuzuordnen.

HINTERGRUND

[0002] Betreffend den einschlägigen Stand der Technik wird auf die Publikationen CN 104459625 A, JP 62-169069 A, und CN 108983148 A verwiesen.

[0003] Die räumliche Ortung von akustischen Schallquellen ist eine wesentliche Aufgabe bei der Quantifizierung von Lärm- und Vibrationscharakteristika von Produkten im Automotive- und Aerospace-Sektor sowie in den Sektoren Consumer Electronics und Industrial Equipment. Diese Aufgabe wird im Produktentwicklungsprozess Noise, Vibration, Harshness (NVH) Testing genannt. Um Produkte zu entwickeln, die sowohl regulative als auch kundenrelevante Anforderungen hinsichtlich Lärmgrenzen und Klangempfinden erfüllen, ist NVH Testing unerlässlich und dementsprechend müssen Produkte mit entsprechender Zuverlässigkeit und Genauigkeit vermessen werden. Die Ortung von Schallquellen ist nicht nur auf Produkte der oben genannten Industriesektoren eingeschränkt, sondern findet auch Anwendung in anderen Bereichen, wie z.B. bei der Umgebungslärm-Messung am Arbeitsplatz, in öffentlichen Bereichen zur Identifikation von akustischen Störquellen oder bei der bauakustischen Evaluierung von Schalldimmungen. Anwender von Systemen zur räumlichen Ortung von akustischen Quellen sind u.a. Hersteller von Produkten aus oben genannten Industriesektoren, Ingenieursdienstleister, Bauakustiker, Firmen des Baugewerbes und öffentliche Einrichtungen.

[0004] Speziell die Verifikation von regulativen Anforderungen und gewünschten Klangqualitäten findet relativ spät im Produktentwicklungsprozess statt. An diesem Punkt benötigen Produktentwickler einfach zu verwendende und intuitive Werkzeuge, die sie bei der Analyse von NVH-Problemen und Entscheidungsfindung hinsichtlich der Erfüllung von Produktspezifikationen unterstützen. Ahnlich gelagerte Probleme sind im Bereich der Bauakustik bei der In-Situ-Verifikation von baulichen Maßnahmen, der Qualitätsüberwachung in der Fertigung von Produkten und bei der Zustandsüberwachung von Maschinen und Prozessen zu finden.

[0005] Aus dem Stand der Technik sind sogenannte akustische Kameras bekannt, mit denen akustische Quellen visualisiert werden können. Solche akustischen Kameras weisen typischerweise ein Mikrofon-Array mit einer hohen Anzahl an Mikrofonen auf, die auf einer scheibenförmigen Oberfläche angeordnet sind. Der Aufbau solcher akustischen Kameras ist häufig komplex, und insbesondere werden in der Regel eine hohe Anzahl an Mikrofonen verbunden mit leistungsfähigen Systemen zur parallelen Datenerfassung und -verarbeitung benötigt.

[0006] Der Erfinder hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine Vorrichtung zur räumlichen Ortung und Visualisierung von akustischen Quellen und deren Visualisierung bereitzustellen, die beispielsweise intrinsische technische Vorteile in der Bildqualität im Vergleich zum Stand der Technik liefern können, im Speziellen im Bereich des Kontrastumfangs, der örtlichen Auflösung und der maximal darstellbaren Frequenz der Schallquellen und darüber hinaus besonders einfach zu handhaben und aufgrund der reduzierten technischen Komplexität kostengünstig herzustellen ist.

ZUSAMMENFASSUNG

[0007] Die oben genannte Aufgabe wird durch das System gemäß Anspruch 1, eine Vorrichtung gemäß Anspruch 18 und das Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Verschiedene Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

[0008] Es wird eine Vorrichtung beschrieben, welche mindestens ein erstes Mikrofon, das beweglich angeordnet ist, mindestens ein zweites ortsfestes Mikrofon und mindestens einen Sensor umfasst. Die Mikrofone können die von akustischen Quellen emittierten Schallwellen erfassen, und der Sensor kann Raumkoordinaten des ersten Mikrofons erfassen.

[0009] Es wird außerdem ein System mit einer entsprechenden Vorrichtung beschrieben, das ein ortsfestes Datenverarbeitungsgerät umfasst, an dem die Vorrichtung um die Drehachse drehbar gelagert ist. Das Datenverarbeitungsgerät kann Messdaten aus der Vorrichtung empfangen und akustische Quellstärken des zu vermessenden Objekts darstellen.

[0010] Ein Verfahren nach einem Ausführungsbeispiel umfasst die Schritte: Bereitstellen einer drehbar gelagerten Vorrichtung mit mindestens einem ersten Mikrofon, das beweglich angeordnet ist, und mindestens einem zweiten ortsfesten Mikrofon; Drehen der Vorrichtung um eine Drehachse, wobei das erste Mikrofon mitdreht und das zweite Mikrofon fest bleibt; Erfassen durch das erste und das zweite Mikrofon von Schallwellen, die von einem zu vermessenden Objekt emittiert werden und gleichzeitiges Erfassen von Raumkoordinaten des ersten Mikrofons; Berechnen und Abbilden von Quellstärken des schallemittierenden Objekts ausgehend von den erfassten Messdaten.

[0011] Die Erfindung beschreibt auch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur bildgebenden Darstellung von akustisch emittierenden Objekten durch die Aufnahme (i) von akustischen Größen des Schallfeldes mit einem bewegten und einem ortsfesten Sensor, (ii) von Bahnkoordinaten des bewegten Sensors und (iii) eines optischen Abbildes der zu vermessenden Szene durch eine Kamera, sowie die Aufnahme der Daten in einer mit der Sensorik mitbewegten elektronischen Einheit und Weiterleitung an ein Endgerät zur Verarbeitung der Daten und Darstellung der Ergebnisse als Überlagerung des farbkodierten akustischen Bildes mit dem optisch erfassten Bild des zu vermessenden Objekts.

[0012] Die hier beschriebenen Vorrichtungen können in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, insbesondere zur Verifikation von regulativen Anforderungen und gewünschter Klangqualitäten von Produkten aus den Industriesektoren Automotive, Aerospace, Consumer Electronics und Industrial Equipment, aber auch im Bereich der Bauakustik, Qualitätsüberwachung in der Fertigung von Produkten und der Zustandsüberwachung von Maschinen.

[0013] Die hier beschriebenen Konzepte zur bildgebenden Darstellung von akustisch emittierenden Objekten können in verschiedenen Anwendungen von Nutzen sein, beispielsweise weil der Messmittelaufwand im Vergleich zu bekannten Systemen mit vergleichbarer Leistungsfähigkeit und Bildqualität basierend auf einem Sensorarray und Beamforming-Technologien klein ist. Durch die damit einhergehende Kostenreduktion wird die Technologie einem weiten Anwenderkreis verfügbar gemacht. Die massive Reduktion hinsichtlich Größe und Gewicht erleichtert die Transportfähigkeit und die verringerte Komplexität reduziert die Rüstzeit für die Messung und erhöht die Zuverlässigkeit im Betrieb.

[0014] In manchen Anwendungen können die hier beschriebenen Konzepte vorteilhaft eingesetzt werden, da im Vergleich zu bekannten Sensor-Array und Beamforming-Techniken eine um ein bis zwei Größenordnungen geringere Datenmenge verarbeitet werden muss, und somit die Anforderungen an die zu verwendende Hardware für Datenerfassung und -verarbeitung signifikant reduziert sind und das Ergebnis in Form einer Abbildung von akustischen Quellen signifikant schneller berechnet werden kann.

KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN

[0015] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von den in den Abbildungen dargestellten Beispielen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Aspekte. Vielmehr wird Wert daraufgelegt, die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. Zu den Abbildungen:

[0016] Figur 1 illustriert anhand eines Blockschaltbildes ein Beispiel einer Methode zur Berechnung eines Abbilds von akustisch emittierenden Objekten basierend auf der

Messung akustischer Größen und gemessener Eigenschaften der Sensorbewegung.

[0017] Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung in einer Vorderansicht (links, inkl. Blockschaltbild der Elektronikeinheit), sowie in einer Schnittdarstellung (rechts).

[0018] Figur3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Vorrichtung in einer Vorderansicht (links, inkl. Blockschaltbild der Elektronikeinheit), einer Schnittdarstellung (Mitte) sowie in einer Rückansicht (rechts, ohne Gehäuseabdeckung und Antrieb).

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

[0019] Die vorliegende Erfindung adressiert das Problem der räumlichen Lokalisierung von akustischen Quellen und wird in der Literatur als „Direction of Arrival“ (DoA) Problem bezeichnet. Es sei darauf hingewiesen, dass das DoA-Problem und zugehörige Lösungen in nahezu allen Situationen relevant sein können, in denen die zugrundeliegende Physik durch die Ausbreitung von Wellen charakterisiert wird, z.B. Radar, Sonar, Seismologie, Drahtloskommunikation, Radioastronomie, bildgebende Verfahren in der Medizintechnik, Akustik, etc. Im Falle der Akustik besteht die Aufgabe darin, basierend auf der Messung von physikalischen Größen des Schallfeldes (z.B. mittels Mikrofonen) die Richtung bzw. Position von akustischen Quellen in Bezug auf die Position und Orientierung des beobachtenden Messsystems zu rekonstruieren.

[0020] Die hier beschriebenen Messmittel- und verfahren werden in kommerziell verfügbaren L6ösungen mit einer Videokamera, einem Datenrecorder mit Anschluss an Sensoren und einem Rechner zur Implementierung von Algorithmen zur Rekonstruktion der akustischen Abbildung kombiniert, siehe z.B. die Systembeschreibung in der Publikation WO 2004/068085 A2.

[0021] Folgende physikalische Größen und zugehörige Sensortechnologien werden in kommerziell verfügbaren Lösungen zur Schallquellenlokalisierung betrachtet: Druck (ungerichtetes Druckmikrofon); Schallschnelle (Hitzdrahtmikrofon), Schallintensität (Zweimikrofontechnik); Brechungsindex Luft (Laser-Doppler-Vibrometer); Transversalgeschwindigkeit von reflektierenden Oberflächen (Laser-Doppler-Vibrometer). In der wissenschaftlichen Literatur wird auch die Messung der Transversalgeschwindigkeit einer optisch reflektierenden und akustisch transparenten Membrane mittels eines Laser-Doppler-Vibrometer zur räumlichen Ortung von akustischen Quellen beschrieben. Gewöhnlich werden die mit den verschiedenen Sensortechnologien erfassten physikalischen Größen elektrisch gewandelt, mit entsprechenden ein- oder mehrkanaligen Datenerfassungssystemen digital erfasst, vorverarbeitet und schließlich dem eigentlichen Messverfahren zugeführt werden.

[0022] Für die weitere Betrachtung ist die Gliederung der Verfahren in eine erste Gruppe mit mehreren ortsfesten, zeitlich synchronisierten Sensoren (z.B. Mikrofonen), die in der Literatur als Sensor Array bezeichnet wird, und eine zweite Gruppe von Verfahren mit einzelnen oder mehreren bewegten, zeitlich synchronisierten Sensoren sinnvoll. Sensor Arrays können in Abhängigkeit der Anwendung ein-, zwei- oder dreidimensionale geometrische Anordnungen aufweisen, z.B. linear, ringförmig, kreuzförmig, spiralförmig, kugelförmig, regelmäßig oder zufällig verteilt in einer Ebene oder einem Volumen. Eine Variante in Form eines Rades mit lateral versetzen Speichen ist in der Publikation US 7,098,865 B2 (Originalpublikation DK 174558 B1) beschrieben. Die Konfiguration eines Arrays hinsichtlich der Abstände der Sensoren untereinander bzw. der räumlichen Ausdehnung des Arrays (Apertur) ist in allen nachstehenden Verfahren maßgeblich für die erreichbare örtliche Auflösung, die Unterdrückung von Artefakten und den maximal erfassbaren Frequenzinhalt der zu vermessenden akustischen Quellen.

[0023] Beamforming bezeichnet eine Signalverarbeitungstechnik, die den Zeitversatz aufgrund der unterschiedlichen Laufzeit von der akustischen Quelle zum jeweiligen Sensor im Array bezogen auf den betrachteten Fokuspunkt in einem ersten Schritt korrigiert und in einem zweiten Schritt alle zeitkorrigierten Signale summiert. Das Ausgangssignal des Beamforming Algorithmus

ist somit in seiner Amplitude verstärkt, wenn akustische Signale aus der Richtung des betrachteten Fokuspunkts kommen bzw. abgeschwächt, wenn diese aus anderen Richtungen kommen. Beamforming entspricht somit einer räumlichen Filterung von akustischen Signalen. Die algorithmische Verknüpfung von Sensorsignalen in der beschriebenen Art und Weise wird auch als „Delay and Sum“ oder „Steered Response Power“ (SRP) Algorithmus bezeichnet.

[0024] Der erste Schritt in der Signalverarbeitung der Sensorsignale, namentlich die zeitliche Korrektur bezogen auf den Fokuspunkt, kann durch einen Filter ersetzt werden, um das Verhältnis von empfangener Signalleistung im Verhältnis zum Signalrauschen zu optimieren. Die zugehörigen Methoden werden „superdirective beamforming“ und „adaptive beamforming genannt. Das Verfahren kann auch auf bewegte akustische Quellen angewandt werden, z.B. vorbeifahrende Züge, Automobile oder rotierende Objekte im Maschinenbau.

[0025] Akustische Holographie im Nahfeld (NAH - Near field Acoustic Holography) von schallemittierenden Objekten erzeugt eine Abbildung von Schallquellen auf einer Fläche auf Basis von Messungen mit einem Sensor-Array mit schachbrettartiger Anordnung der Sensoren in einem quellfreien Gebiet, wobei das Array transversal zur Ausbreitungsrichtung des Schalls ausgerichtet wird und den Großteil der abstrahlenden Fläche abdecken soll. Im Falle der Messung mit Druckmikrofonen ist der akustische Druck in der Quellebene durch inverse Fourier-Transformation der (zweidimensional) räumlichen Fourier- Transformation der akustischen Druckverteilung in der Messebene (Hologrammebene) multipliziert mit einer Funktion bestimmt, welche die Phasendrehung von der Hologrammebene in beliebige parallele, quellfreie Ebenen beschreibt. Diese Berechnungsmethodik ermöglicht, Schallschnelle und akustische Intensität durch die Eulergleichung zu rekonstruieren. Die sogenannte Patch-NAH-Methode adressiert das Problem der Vermessung großer Flächen und Strukturen, wobei die zu vermessende Fläche in kleinere FIlächen (Patches) unterteilt ist. Eine Erweiterung der NAH-Methode ist die NAH basierte Randelementmethode (IBEM (Inverse Boundary Element Method) based NAH), bei der die HelmholtzIntegral-Theorie angewandt wird, um die Wirkung von akustischen Quellen auf einer Hülle auf Punkte im Inneren des betrachteten Volumens zu berechnen. Eine Approximation der oben genannten Methoden ist in der Literatur als „Helmholtz Equation, Least Squares“ (HELS) Methode bekannt, wobei das akustische Feld durch zulässige Basisfunktionen mit einem Gütefunktional in Bezug auf den kleinsten quadratischen Fehler angenähert wird.

[0026] Time Difference of Arrival (TDOA) bezeichnet eine zweistufige Methode, bei der in einem ersten Schritt für ein Sensor-Array die Zeitverzögerung zwischen Sensorsignalen jeweils örtlich benachbarter Sensorpaare mittels Kreuzkorrelation ermittelt wird. Durch Kenntnis der paarweisen Zeitverzögerungen und örtlichen Position der Sensoren werden Kurven bzw. Flächen generiert und der Schnittpunkt der Kurven bzw. Flächen resultierend aus einem Optimierungsproblem als geschätzte Position der Schallquelle ermittelt.

[0027] Der Multiple Signal Classifier (MUSIC) Algorithmus gehört zur Gruppe der Unterraum(Subspace) Methoden und ermöglicht die Identifikation von mehreren, harmonischen akustischen Quellen (schmalbandige Quellen) bei hoher örtlicher Auflösung. Basierend auf einer linearen Abbildung spaltenweise bestehend aus sogenannten „Steering“ Vektoren, welche die Signale von mehreren a priori definierten räumlichen Quellen zu einem bestimmten Zeitpunkt auf die Messsignale eines Sensor-Array zu einem bestimmten Zeitpunkt abbilden, wird mittels Zerlegung der Kreuzkorrelationsmatrix der Sensorsignale in mathematische Unterräume und Eigenwertberechnung das räumliche Spektrum der Quellenverteilung berechnet. Die Spitzen im Spektrum entsprechen den Richtungen, aus denen der Schall der im Modell parametrierten Quellen eintrifft. ESPRIT (Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Technique) ist eine Adaptierung der oben erwähnten Unterraum-Methode mit dem Ziel, weniger sensitiv auf Variationen bzgl. Positions-, Verstärkungs- und Phasenfehler der Sensoren zu reagieren.

[0028] Die zeitlich synchronisierte, räumliche Abtastung der Sensorsignale eines Sensor-Array in Kreisform induziert im synthetisierten Signal einen Doppler Effekt. Der zeitdiskrete TeagerKaiser-Operator kann verwendet werden, um die Modulationen zu analysieren und im ebenen Fall die Richtung des eintreffenden Schalls analytisch zu berechnen. Die Lokalisierung mehrerer

Quellen und somit die Berechnung des räumlichen Spektrums der Quellenverteilung wird durch Ermittlung einer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion basierend auf der Auswertung von einzelnen Zeitabschnitten realisiert. Alternativ kann der Center of Gravity Algorithmus verwendet werden, um die Rauschempfindlichkeit und Einschränkungen im tatsächlich nutzbaren Frequenzbereich zu reduzieren.

[0029] In der Publikation US 9,357,293 B2 wird ein Frequenzbereichsverfahren basierend auf dem Abtasten von Mikrofonsignalen von virtuell bewegten Subaperturen eines linearen Arrays mit hoher Sensoranzahl vorgestellt. Durch die Bewegung der Subaperturen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten entlang des Arrays werden frequenzabhängig unterschiedliche Signalüberlagerungen in Abhängigkeit der Position der akustischen Quellen erzeugt. Diese Informationen über die unterschiedlichen Mischungen und Signalenergien im Frequenzspektrum bei unterschiedlichen Bewegungen der Subaperturen können verwendet werden, um schließlich auf die Position von akustischen Quellen bei einer bestimmten Frequenz zu schließen.

[0030] In der sogenannten „Light refractive tomography“ wird mittels eines Laser Scanning Vibrometers die Anderung des Brechungsindex des Mediums, in dem sich das Schallfeld ausbreitet, entlang des Laserstrahls, der an einem starren Reflektor reflektiert wird, berechnet. Die Ausrichtung des Laserstrahls ist hierbei transversal zur Ausbreitungsrichtung des Schallfeldes. Als Erweiterung können computertomographische Methoden angewandt werden, um das Schnittbild des akustischen Feldes in der Ebene, in der die Anderung des Brechungsindex berechnet wird, zu rekonstruieren.

[0031] Nachfolgend werden Verfahren mit einzelnen oder mehreren bewegten Sensoren zur Ausnutzung des Doppler Effekts diskutiert.

[0032] Durch eine a-priori bekannte Bewegung eines akustischen Sensors auf einer kreisförmigen Bahn wird eine im Raum positionierte akustische Einzelquelle mit konstanter Frequenz und Amplitude mittels Phase Lock Loop (PLL) Demodulation der Phasenmodulation des beobachteten Signals lokalisiert.

[0033] Gemäß der Publikation US 2,405,281 A kann die Richtung, aus der dominante akustische oder elektromagnetische Wellen eintreffen, basierend auf dem Doppler Effekt mittels eines auf einer Kreisbahn bewegten Sensors identifiziert werden. Hierbei wird die gemessene Bandbreite der Dopplerhistorie einer harmonischen Quelle maximal, wenn die Rotationsebene des Sensors orthogonal zur Empfangsrichtung der Quelle ist. Weitere Publikationen zur Identifikation von einzelnen, dominanten akustischen Quellen durch Bewegung von einem oder mehreren Mikrofonen unter Ausnutzung des Doppler-Effekts sind EP 2 948 787 A1 und EP 2 304 969 B1.

[0034] Die Anwendung von Beamforming für die räumliche Filterung von auf ein Sensor-Array (mit gleichmäßig verteilten Sensoren) eintreffenden Schallwellen hat die Einschränkung, dass die maximal erfassbare (kritische) Frequenz von akustischen Quellen durch den Abstand zweier benachbarter Sensoren eines Arrays definiert ist. Der Versuch, akustische Quellen jenseits dieser Frequenz zu lokalisieren, führt zur Erzeugung von sogenannten „Geisterbildern“ im rekonstruierten akustischen Bild und wird in der Literatur auch als räumlicher Aliasing-Effekt bezeichnet. Die Verwendung eines Sensor-Arrays mit fixer Anordnung von Sensoren jenseits der kritischen Frequenz und die zugehörige Unterdrückung von räumlichen Aliasing-Artefakten kann durch räumliche Bewegung des Sensor-Arrays realisiert werden. Die Punktbildfunktion (point spread function) des Abbildungssystems bestehend aus einem auf einer Kreisbahn mit konstanter Winkelgeschwindigkeit bewegten Sensor-Arrays kann mittels eines Delay and Sum Algorithmus simuliert und die Unterdrückung von Aliasing Artefakten experimentell mit einer einzelnen harmonischen Schallquelle verifiziert werden.

[0035] Wie bereits am Beginn dieses Abschnitts erwähnt, sind auch Methoden zur Ortung von Quellen oder reflektierenden Strukturen erwähnenswert, die nicht unmittelbar in der Akustik angewandt werden, aber deren zugrundeliegende Physik durch die Ausbreitung von Wellen charakterisiert wird. So kann ein Radar mit synthetischer Apertur (Synthetic Aperture Radar (SAR)) eine Abbildung einer Oberfläche liefern, indem das elektromagnetische Feld, welche von einem

bewegten Sender mit bekannter Position erzeugt wird, abgetastet wird. Die Bewegung des Senders relativ zur Oberfläche induziert im kollokierten Empfänger einen Doppler Effekt. Mittels Korrelation der gemessenen Dopplerhistorie, d.h. der zeitliche Verlauf der Dopplerfrequenz des Echos eines Objektes von zunächst positiven Werten hin zu negativen Werten, mit sogenannten Replika (d.h. aufgrund der Kenntnis der Bewegung des Senders für jede Entfernung erzeugte Dopplerhistorien zufolge punktförmiger Reflektoren) wird eine Abbildung der abgetasteten Oberfläche mit hoher Auflösung rekonstruiert.

[0036] Der grundlegende Gedanke der hier beschriebenen neuen Konzepte ist die Verringerung des messmitteltechnischen Aufwands zur Erfassung von Schallfeldinformationen auf ein Minimum bei gleichzeitig besserer Qualität der räumlichen Abbildung von akustischen Quellen, insbesondere hinsichtlich des Kontrastumfangs, der örtlichen Auflösung und der maximal darstellbaren Frequenz. Messverfahren, die ein Sensor-Array benötigen, haben den inhärenten Nachteil der Verwendung einer Vielzahl von Sensoren, um eine brauchbare örtliche Auflösung mit akzeptablem Kontrastumfang und sinnvoller oberer Grenzfrequenz zu erreichen.

[0037] Sowohl beim Beamforming als auch bei der akustischen Holographie ist die örtliche Auflösung durch die Aperturgröße des Arrays sowie die maximal darstellbare Frequenz und das Sichtfeld durch den Abstand der Sensoren untereinander beschrieben. Eine Verbesserung der örtlichen Auflösung bedingt somit eine Erhöhung der Anzahl der Sensoren auf der Messfläche.

[0038] Die TDOA Methode erlaubt nur die Identifikation der dominantesten Quelle, und die MUSIC/ESPRIT Methoden zeigen Einschränkungen in der Anzahl der identifizierbaren Quellen, deren Obergrenze durch die Anzahl der verwendeten Sensoren festgelegt ist. Sowohl bei TDOA als auch MUSIC/ESPRIT kann die Vermessung eines Schallfeldes mit einer unbekannten Anzahl von akustischen Quellen zu Fehlinterpretationen führen. Das DREAM (Discrete Representation Array Modelling) Verfahren benötigt mehrere Durchläufe, um in einem ersten Schritt das Signalspektrum der akustischen Quellen zu charakterisieren, und um schließlich in einem zweiten Schritt daraus die Größe und Geschwindigkeiten der Subapertur eines Lineararrays zu bestimmen. Durch das sequentielle Vorgehen zur Bestimmung der Konfiguration ist das Verfahren für die Messung von akustischen Einzelereignissen ohne a priori Information nicht anwendbar.

[0039] Das erwähnte Verfahren der Light Refractive Tomography stellt den Messtechniker vor die Herausforderung, ein vibrationsfreies Umfeld für das Laser Scanning Vibrometer und den starren Reflektor zu schaffen, da die Anderung des Brechungsindex des Mediums zufolge des Schallfelds typischerweise mehrere Größenordnungen unter dem Vibrationsniveau der verursachenden Quelle liegt. So wie bei Beamforming und akustischer Holographie ist ein Array von Laser Doppler Vibrometern entlang des Umfangs des zu rekonstruierenden Schnittbildes notwendig, um eine brauchbare örtliche Auflösung zu erreichen. Der messmitteltechnische Aufwand zur Realisierung eines Arrays mit Laser Doppler Vibrometern liegt aufgrund der Komplexität der verwendeten Messmittel um Größenordnungen höher als bei Arrays mit Druck- oder Schallschnellsensoren.

[0040] Die Methoden, welche die Demodulation einer Phasenmodulation des beobachteten Signals eines kreisförmig bewegten Sensors verwenden, funktionieren in der Regel nur für die Identifikation einer harmonischen Quelle mit konstanter Amplitude und Frequenz bzw. einer dominanten, stationären Quelle.

[0041] Fig. 1 illustriert in einem Blockschaltbild ein Beispiel einer Signalverarbeitungsmethode, die bei den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen zur Ermittlung einer Abbildung von schallemittierenden Objekten (sogenannte akustische Bilder, in denen der Schalldruck z.B. farblich codiert ist) eingesetzt werden kann. Die weiter unten noch detaillierter beschriebenen Ausführungsbeispiele verwenden jeweils einen Sensor (z.B. Mikrofon) mit bekannter, fester Position M, und einen oder mehrere entlang einer Kreisbahn bewegte Sensoren. Im vorliegenden Beispiel wird ein bewegtes Mikrofon betrachtet, dessen beispielsweise kreisbahnförmige oder spiralförmige Bewegung durch die zeitabhängige Position M;(t) beschrieben wird. Die Trajektorie M;(t) muss aber nicht zwangsläufig entlang einer Kreisbahn oder einer Spiralbahn verlaufen. Bei kreis- oder spiralförmigen Trajektorien lässt sich jedoch die Momentanposition M;(t) vergleichsweise leicht

mittels eines Winkelsensors (Drehwinkel-Encoder) ermitteln.

[0042] Als Eingangsgrößen des Verfahrens werden folgende Größen betrachtet: (i) ein Rekonstruktionspunkt R beschrieben durch Raumkoordinaten bezogen auf ein Koordinatensystem, dessen Ursprung am Ort M, des ortsfesten Sensors ist; (ii) die Sensorsignale des bewegten ersten Sensors (Mikrofonsignal p-(t)) und des ortsfesten zweiten Sensors (Mikrofonsignal p,(£); (I) die Bewegung M,;(t) des ersten bewegten Sensors beschrieben durch Raumkoordinaten bezogen auf das Koordinatensystem, dessen Ursprung am Ort des ortsfesten Sensors ist; (iv) die Beobachtungsdauer T, die durch die vollständige Abtastung der Apertur definiert ist (z.B. eine Umdrehung mit einem auf einer Kreisbahn geführten Sensor) und die die zeitliche Fensterung der Zeitsignale für die Transformation in den Frequenzbereich bestimmt; und (v) das beobachtete Frequenzband [F,, F;,].

[0043] In einem ersten Schritt wird das Zeitsignal np, (£) des bewegten Sensors zum Zeitpunkt t = 0 in den Rekonstruktionspunkt R mit dem Wert tz, = d(R, M4)«=-0/c zeitlich rückpropagiert (zeitlich zurück verschoben), wobei d(R, M;) den Abstand zwischen dem Rekonstruktionspunkt R und der Position des bewegten Sensors und c die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Störungen im betrachteten Medium bezeichnet (Schallgeschwindigkeit). In einem zweiten Schritt wird das Zeitsignalp,(t + t,) durch ein zeitvariantes Fractional-Delay-Filter mit einer variablen Zeitverzögerung 271 — 6, zeitlich verschoben. Die zeitlich variable Zeitverzögerung ö, = ti + öt(M,) bezeichnet die zeitliche Differenz, die die akustische Störung im betrachteten Medium vom Rekonstruktionspunkt R zum Ort M, des bewegten Sensors benötigt. ört ist eine Funktion der Position des bewegten Mikrofons M,. In einem dritten Schritt wird das Zeitsignal wie im ersten Schritt in den Rekonstruktionspunkt R zeitlich rückpropagiert (um den Wert 7,1). Das resultierende Zeitsignal A1(t) repräsentiert nun ein akustisches Signal, das im Rekonstruktionspunkt R von einer virtuellen Schallquelle (akustischer Monopol) abgestrahlt wird, und dieses Zeitsignal 5, (t) wird dann abschließend, in einem vierten Schritt, in den Ort M, des ortsfesten Sensors mit Zeitverzögerung tT2 = d(R,M,)/c vorwärtspropagiert (zeitlich vorwärts verschoben), wobei d(R, M,) den Abstand zwischen dem Rekonstruktionspunkt R und der Position des ortsfesten Sensors bezeichnet. Für eine tatsächlich abstrahlende Quelle im Rekonstruktionspunkt R sind die durch die Bewegung Mı des ersten Sensors verursachten zeitlich variablen Dopplerverschiebungen kompensiert. Das resultierende Zeitsignal p;(£) ist somit - für eine abstrahlende Quelle im Rekonstruktionspunkt R die örtliche Abbildung des Zeitsignals p,(t) des bewegten Sensors auf die Position M, des ortsfesten Sensors. Zeitsignalbeiträge von tatsächlich abstrahlenden Quellen abseits des Rekonstruktionspunkts R erfahren zusätzliche zeitlich variable Dopplerverschiebungen.

[0044] Mit den Zeitsignalen p,(t) und p,(t) wird nun im Frequenzbereich die Kohärenzschätzung Cp.5:(f) auf Basis der spektralen Leistungsdichtefunktionen P„„.(f) und Pzz-(f) sowie der spektralen Kreuzleistungsdichtefunktion P„z-(f) ermittelt, wobei

[Pop ML Pa (Pop Ef

[0045] Die geschätzte Kohärenz C„-(f) kann nun mit der spektralen Leistungsdichtefunktionen Po, (f) multipliziert werden und somit durch Integration für ein beobachtetes Frequenzband -

definiert durch eine untere Frequenz Fi und eine obere Frequenz F, des betrachteten Frequenzbandes - gemäß

Q = SE Pop PC Pdf

ausgewertet werden. Das auf diese Weise definierte Maß Q entspricht dem Beitrag der vom Rekonstruktionspunkt R in dem Frequenzband [F,, F,] abstrahlenden Quelle zu der am Ort M, des ortsfesten Sensors gemessenen Signalleistung. Dieser Beitrag ist bezogen auf die Signalleistung im Referenzpunkt M, (Ort des ortsfesten Mikrofons) und kann beispielsweise in dB angegeben werden.

Co f) =

[0046] Während Figur 1 die Rekonstruktion der akustischen Quellstärke in einem Rekonstrukti

onspunkt R im Raum zeigt, gelingt die Ausweitung dieses Konzepts auf eine beliebig geformte Fläche durch örtliche Diskretisierung der Fläche in eine Vielzahl von Rekonstruktionsunkten und Berechnung der akustischen Quellstärken in den jeweiligen diskreten Rekonstruktionspunkten. Abschließend kann die Abbildung der berechneten Quellstärken in den Rekonstruktionspunkten einem (z.B. mittels einer Kamera) optisch erfassten Bild der Messszene überlagert werden, um eine Örtliche Zuordnung zu ermöglichen. In einem Ausführungsbeispiel kann die Fläche, auf der die Rekonstruktionspunkte liegen, eine Bildebene sein, die z.B. rechtwinklig zu einer Rotationsachse liegt, um die das bewegte Mikrofon rotiert, und die in einem definierten, vorgebbaren Abstand zu dem ortsfesten Mikrofon liegt.

[0047] Figur 2 zeigt ein System zur Ortung und Abbildung von akustischen Quellen und deren Stärke in einer Messszene mit einer oder mehreren Schallquellen. Das System umfasst eine Vorrichtung, die als eine bewegliche Rahmenkonstruktion 100 ausgebildet ist, und ein damit verbundenes, ortsfestes Datenverarbeitungsgerät, das ein mobiles Gerät 20 (mobile device) mit einer Kamera 21 sein kann (z.B. ein Smartphone oder ein Tablet-PC). Weitere Arten von Datenverarbeitungsgeräten, die imstande sind, Daten über eine drahtgebundene oder drahtlose Kommunikationsverbindung zu empfangen und zu senden sowie Bilder abzubilden, können ebenso verwendet werden.

[0048] Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Rahmenkonstruktion 100 drehbar um eine (ortsfeste) Achse 54 gelagert (Achse 54 mit Drehachse A). Im Zentrum der Drehbewegung, d.h. auf der Drehachse A ist das oben erwähnte ortsfeste Mikrofon 11 (Position M„,) angeordnet, wohingegen entlang einer Längsachse der Rahmenkonstruktion 100 mehrere (z.B. elektronisch gemultiplexte) Mikrofone 10 angeordnet sind. Die erwähnte Längsachse der Rahmenkonstruktion 100 steht rechtswinklig auf die Drehachse A, weshalb bei einer Rotation der Rahmenkonstruktion 100 um die Achse 54 sich die Mikrofone 10 auf einer Kreisbahn um die Drehachse A bewegen. In der Rahmenkonstruktion 100 kann auch eine Elektronikeinheit 40 angeordnet sein, mit der die Mikrofone 10 und 11 verbunden sind. Anstatt einer Starrachse 54 kann auch eine drehbare Welle mit der Drehachse A verwendet werden.

[0049] Zur Energieversorgung kann die Elektronikeinheit 40 eine Batterie 49 aufweisen, welche die übrigen Komponenten der Elektronikeinheit mit einer Versorgungsspannung versorgt. Die Ladeeinheit 44 dient zum Laden der Batterie 49. Jedoch sind auch andere Formen der Spannungsversorgung möglich. Gemäß dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel umfasst die Elektronikeinheit 40 weiter (i) einen (z.B. magnetischen oder optischen) Drehwinkel-Encoder 16 für die Bestimmung der Winkelposition der Rahmenkonstruktion 100 in Bezug auf die Drehachse A, (ii) einen Mikrofonverstärker 41 für die analoge Vorverstärkung der Sensorsignale p,(t) und p,(t) des ortsfesten Mikrofons 10 und des bewegten Mikrofons 11, (iii) eine Datenerfassungsvorrichtung (Analog-Digital-Wandler 42, Speicher 46) zur Digitalisierung und Speicherung der Sensorsignale der Mikrofone 10, 11 sowie des Drehwinkel-Encoders 16, (iv) einen elektronischen Multiplexer 45 zur Auswahl des mit einer Datenerfassungsvorrichtung verbundenen bewegten Mikrofons 10 und (v) ein Modul 47 zur drahtlosen Übertragung der erfassten Daten an das mobile Gerät 20 zum Zweck der weiteren Verarbeitung der Messdaten bzw. Analyse durch den Anwender. Ein Mikrocontroller 43 steuert den Multiplexer 45, den Analog-Digital-Wandler 42, den Datenfluss und die Datenübertragung. Zur Erfassung der Raumkoordinaten M, (t) der bewegten Mikrofone können auch andere Sensorsysteme verwendet werden, wie zum Beispiel Systeme umfassend einen Winkelgeschwindigkeitssensor und einen dreiachsigen Beschleunigungssensor oder Motion-TrackingSysteme zur direkten Erfassung der Bewegung.

[0050] Das mobile Gerät 20 mit integrierter Kamera 21 ist mit seiner optischen Achse parallel zur Drehachse A ausgerichtet, empfängt auf drahtlosem Weg die digitalisierten Messdaten von der Elektronikeinheit 40 und sendet diese z.B. über eine drahtlose Netzwerkverbindung an einen Cloud-Computing-Service zur Berechnung der akustischen Abbildung gemäß dem oben mit Bezug auf Fig. 1 beschriebenen Verfahren und überlagert das (vom Cloud-Computing-Service) berechnete Ergebnis mit dem von der Kamera 21 erfassten optischen Bild der Messszene mit den darin enthaltenen Schallquellen. Die Berechnungen werden an einen Cloud-Computing-Service ausgelagert, um unter anderem den Leistungsverbrauch des mobilen Endgeräts zu entlasten,

Daten im Fall von Dauermessungen fortlaufend und nachhaltig zu speichern, die Zugänglichkeit der Daten für andere Benutzer mit entsprechenden Zugangsrechten zu vereinfachen sowie die webbasierte Einbindung des Sensors in beliebige mess- und regeltechnische Systeme zu ermöglichen. Die Auslagerung der Rechenleistung muss auch nicht notwendigerweise an einen CloudComputing-Service erfolgen, vielmehr können die Berechnungen auch von einem beliebigen anderen mit dem mobilen Gerät 20 verbundenen Computer (z.B. einer Workstation) durchgeführt werden.

[0051] Die Drehung der Rahmenkonstruktion 100 kann über einen manuellen oder einen elektrischen Antrieb 30 (Elektromotor) erfolgen. Als Alternative wäre auch ein Antrieb durch ein mechanisches Federwerk möglich. Im dargestellten Beispiel ist die Kraftübertragung des Antriebs 30 über ein Antriebsrad 31 realisiert ist, das mit der Rahmenkonstruktion 100 starr verbunden und auf der Achse 54 drehbar gelagert ist. Die Achse 54 und der Antrieb 30 sind ortsfest und beispielsweise an der Halterung 22 montiert. Das Antriebsrad 31 wird z.B. über ein Ritzel 32 an der Motorwelle des Elektromotors angetrieben. Ein Controller zur Ansteuerung des Elektromotors 30 inklusive Batterie oder einem Anschluss für eine externe elektrische Energiezufuhr ist in die Halterung 22 integriert. Die Halterung 22 kann z.B. auf einem Stativ angeordnet sein (wie es beispielsweise auch für Kameras benutzt wird).

[0052] In einem Ausführungsbeispiel kann das Gehäuse 13 (d.h. die äußere Hülle) der Rahmenkonstruktion 100 einen Querschnitt (normal zu Längsachse der Rahmenkonstruktion 100) aufweisen, der die Form eines aerodynamischen Flügelprofils 12 hat. Dies hat den Vorteil, dass durch die Rotationsbewegung der Rahmenkonstruktion 100 keine aeroakustischen Quellen verursacht werden oder deren Entstehen zumindest stark reduziert wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind vier Mikrofone 10 an der Rahmenkonstruktion 100 angeordnet, die mit der Rahmenkonstruktion 100 mitrotieren. Das Mikrofon 11 befindet sich wie erwähnt an einer Position auf der Drehachse und ändert daher seine Position nicht. Die Mikrofone 10, 11 sind entlang der Längsachse der Rahmenkonstruktion 100 angeordnet, wobei ein Abstand zwischen zwei benachbarten Mikrofonen jeweils gleich sein kann (was nicht notwendigerweise der Fall sein muss). In dem dargestellten Beispiel sind die bewegten Mikrofone 10 auf einer Seite der Rahmenkonstruktion 100 angeordnet, während die Elektronikeinheit 40 und eine Wuchtmasse 17 auf der anderen Seite der Rahmenkonstruktion 100 angeordnet sind. Die Wuchtmasse 17 kann so dimensioniert und positioniert werden, dass die an sich unsymmetrische Rahmenkonstruktion 100 bei einer Drehung um die Drehachse A keine Unwucht aufweist. Auch bei einer symmetrischen Ausgestaltung der Rahmenkonstruktion wird in der Regel eine Wuchtmasse 17 notwendig sein, da die Massen der an der Rahmenkonstruktion 100 befestigten Komponenten nicht symmetrisch in Bezug auf die Drehachse sind.

[0053] Gemäß dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel können die Mikrofone 10, 11 über eine elastische Lagerung 15 an der Rahmenkonstruktion 100 befestigt sein. Die elastische Lagerung 15 kann helfen, die Mikrofone 10, 11 von der Rahmenkonstruktion 100 mechanisch zu entkoppeln und die Übertragung von Vibrationen, die z.B. durch den Antrieb 30 oder die Drehlager 50 verursacht werden, auf die Mikrofone zu verhindern. In anderen Worten, die elastische, dämpfende Lagerung der Mikrofone 10, 11, bewirkt eine Unterbrechung des Körperschallpfades zu den Mikrofonen. In dem dargestellten Beispiel können am Gehäuse 13 der Rahmenkonstruktion 100 Windschutzelemente 14 vorgesehen sein, welche die Mikrofone 10, 11 abdecken, um die Einkopplung von Windgeräuschen und Signalen anderer aeroakustischer Quellen in die Sensorsignale zufolge der Bewegung der Rahmenkonstruktion 100 zu unterdrücken. Je nach Anwendung sind diese Windschutzelemente 14 optional.

[0054] Zusammenfassend kann die Funktion des in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiels wie folgt beschrieben werden: Bei einer Drehung der Rahmenkonstruktion 100 um die Achse A ändert das ortsfeste Mikrofon 11 seine Position nicht, während die anderen Mikrofone 10 einer kreisförmigen Bahn folgen. Die Mikrofone 10, 11 erfassen die von akustischer Quellen emittierten Schallwellen in Form eines Schalldrucks, während der Drehwinkel-Encoder 16 die Raumkoordinaten der bewegten Mikrofone 10 erfasst. Die Raumkoordinaten sind durch die Winkelstellung der Rahmenkonstruktion 100 und der (fixen) Position der Mikrofone 10 relativ zur Rahmenkonstruktion

100 definiert. Die erhaltenen Sensorsignale werden von der Elektronikeinheit 40 empfangen, digitalisiert und an das Mobilgerät 20 gesendet. Dieses kann wie oben erläutert selbst die Quellstärken der am vermessenen Objekt vorhandenen Schallquellen aus den empfangenen Messdaten berechnen, oder die Berechnung an eine externe Recheneinheit auslagern. Die Kamera 21 erfasst ein optisches Bild des zu vermessenden Objekts (oder mehrerer Objekte), welchem die berechneten Quellstärken überlagert werden können, um eine bildliche Darstellung und Zuordnung der akustischen Quellen und deren Quellstärke zu dem optischen Kamerabild zu erhalten. Beispielsweise kann das optische Bild in schwarz-weiß aufgenommen werden und die Quellstärke in dem Bild farblich codiert werden.

[0055] Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Systems zur Ortung und Abbildung von akustischen Quellen an einem zu vermessenden Objekt. Das System gemäß Figur 3 unterscheidet sich von dem System gemäß Figur 2 lediglich in der Gestaltung der Rahmenkonstruktion 200. Anstatt der vier Mikrofone 10, die entlang einer Kreisbahn bewegbar sind, ist im vorliegenden Beispiel nur ein bewegliches Mikrofon 10 vorgesehen, welches an der Rahmenkonstruktion 200 radial (entlang dessen Längsachse) verschiebbar gelagert ist. Der Abstand zwischen dem Mikrofon 10 und der Drehachse (und damit der Radius der Kreisbewegung des Mikrofons 10) kann somit variiert werden. Andere Anordnungen der Mikrofone, insbesondere mit mehreren verschiebbar gelagerten Mikrofonen 10 sind ebenso möglich.

[0056] Durch eine Veränderung (Vergrößerung oder Verkleinerung) des radialen Abstandes zwischen dem Mikrofon 10 und der Drehachse A während sich die Rahmenkonstruktion 200 dreht, vollführt das Mikrofon 10 effektiv eine spiralförmige Bewegung um die Drehachse A. Eine Einstellbarkeit des Abstandes zwischen Mikrofon 10 und der Drehachse A (also die Position des Mikrofons 10 relativ zur Rahmenkonstruktion 200 kann z.B. durch eine Seilzugvorrichtung 60 erreicht werden. Dabei kann ein Seil 61 mit einer Mikrofonhalterung 65 verbunden sein, die linear verschiebbar an der Rahmenkonstruktion 200 gelagert ist. Dazu kann die Rahmenkonstruktion 200 z.B. zwei Führungsstäbe 62 aufweisen, die im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Rahmenkonstruktion liegen und an denen die Mikrofonhalterung 65 entlang gleiten kann. Somit bilden die Führungsstäbe 62 zusammen mit der Mikrofonhalterung eine Linearführung für das Mikrofon 10. Das Seil 61 ist in dem dargestellten Beispiel um mehrere Umlenkrollen 63 sowie um eine mit der Achse 54 starr verbundene Scheibe 66 geführt. Im dargestellten Beispiel verläuft das Seil teilweise durch einen der (hohlen) Führungsstäbe 62 hindurch.

[0057] Bei einer Drehung der Rahmenkonstruktion 200 um die ortsfeste Achse 54 wird das Seil 61 am Umfang der Scheibe 66 abgewickelt, was zu einer Verschiebung des Mikrofonhalterung 65 und folglich zu einer annähernd spiralförmigen Bewegung des Mikrofons 10 führt, wobei einer gemessenen Winkelstellung der Rahmenkonstruktion eindeutig die radiale Position des bewegten Mikrofons 10 zugeordnet werden kann; mit jeder vollen Umdrehung der Rahmenkonstruktion wird das Mikrofon um einen Weg verschoben, der dem Umfang der Scheibe 65 entspricht. Die Rahmenkonstruktion weist wie im vorherigen Beispiel ein Gehäuse 213 auf, welches die Seilzugvorrichtung 60 bestehend aus Seil 61, Umlenkrollen 63, Scheibe 65, Führungsstäben 62 und Mikrofonhalterung 65 umgibt und welches eine längliche Öffnung (Schlitz) für das Mikrofon 10 aufweist. Im Ubrigen ist das in Fig. 3 dargestellte Beispiel gleich wie das vorherige Beispiel aus Fig. 2.

Claims

Patentansprüche

1. Ein System, das folgendes ausweist: eine Vorrichtung umfassend: mindestens ein erstes Mikrofon (10), das beweglich angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, akustische Quellen in einer Messszene zu erfassen, ein zweites ortsfestes Mikrofon (11), das dazu ausgebildet ist, akustische Quellen in der Messszene zu erfassen, und mindestens einen Positionssensor (16), der dazu ausgebildet ist, die Lage des ersten Mikrofons (10) zu erfassen; und eine Recheneinheit, die dazu ausgebildet ist, eine akustischen Quellstärke an einem oder an mehreren Rekonstruktionspunkten basierend auf den Sensorsignalen des ersten Mikrofon (10) und des zweiten Mikrofons (11) und weiter basierend auf dem erfassten Lage des ersten Mikrofons (10) zu berechnen.

2. Das System gemäß Anspruch 1, wobei die Vorrichtung so gelagert ist, dass sie um eine Drehachse (A) rotieren kann, wobei das zweite Mikrofon (11) auf der Drehachse (A) angeordnet ist, sodass es seine Position während der Drehung nicht ändert, und wobei die Vorrichtung die Form eines aerodynamisch geformten Flügels aufweist.

3. Das System gemäß Anspruch 1, wobei die Vorrichtung so gelagert ist, dass sie um eine Drehachse (A) rotieren kann, wobei das zweite Mikrofon (11) auf der Drehachse (A) angeordnet ist, sodass es seine Position während der Drehung nicht ändert wobei die Rekonstruktionspunkte in einer Ebene liegen, welche rechtwinklig zur Drehachse (A) liegt.

4. Das System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, die weiter aufweist: eine Elektronikeinheit (40), die dazu ausgebildet, Sensorsignale, die von dem ersten Mikrofon (10), dem zweiten Mikrofon (11) und dem Positionssensor (16) geliefert werden, zu verarbeiten.

5. Das System gemäß Anspruch 2, weiter umfassend: eine Wuchtmasse (17), die derart in der Vorrichtung angeordnet ist, dass sie bei einer Drehbewegung um die Drehachse (A) keine Unwucht aufweist.

6. Das System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Vorrichtung einen ersten Teil und einen zweiten Teil aufweist, wobei der erste Teil gegenüber dem zweiten Teil verschiebbar gelagert ist, wobei das erste Mikrofon (10) an dem ersten Teil und das zweite Mikrofon (11) an dem zweiten Teil angeordnet ist.

7. Das System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, das weiter aufweist:: eine Halterung, an der die Vorrichtung montiert ist; ein an der Halterung befestigbares Gerät (20), das dazu ausgebildet ist, auf den Sensorsignalen basierende Messdaten von der Vorrichtung zu empfangen und auf den Messdaten basierende Messergebnisse zu visualisieren.

8. Das System nach Anspruch 7, das weiter aufweist: wobei die Recheneinheit in dem Gerät (20) enthalten oder mit diesem über eine Kommunikationsverbindung gekoppelt ist.

9. Das System gemäß Anspruch 8, wobei die Recheneinheit durch einen Cloud-ComputingService gebildet wird.

10. Ein Verfahren, das folgendes umfasst: Bewegen eines ersten Mikrofons (10) relativ zu einer festen Referenzposition, an der ein zweites Mikrofon (11) angeordnet ist; Erfassen der von dem ersten Mikrofon (10) und dem zweiten Mikrofon (11) gelieferten Sensorsignale und gleichzeitiges Erfassen eines Positionssignals, das die Position des ers-

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ten Mikrofons (10) relativ zur Referenzposition anzeigt;

Berechnen einer akustischen Quellstärke an einem oder an mehreren Rekonstruktionspunkten basierend auf den Sensorsignalen des ersten Mikrofon (10) und des zweiten Mikrofons (11) und weiter basierend auf dem erfassten Positionssignal.

Das Verfahren nach Anspruch 10, das weiter umfasst: Erfassen eines optischen Bilds das eine oder mehrere Schallquellen aufweist; Überlagern der für den einen oder die mehreren die Rekonstruktionspunkte berechneten akustischen Quellstärken mit dem optisch erfassten Bild.

Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, weiter umfassend: Senden der erfassten Messdaten an eine Recheneinheit, insbesondere an einen Cloud Computing Service, über eine Kommunikationsverbindung,

wobei die Berechnung der akustischen Quellstärke an dem einem oder den mehreren Rekonstruktionspunkten von der Recheneinheit durchgeführt wird.

Ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, das weiter das Berechnen der akustischen Quellstärke weiter umfasst:

Ermitteln eines Beitrags von virtuellen Schallquellen, die sich virtuell in den Rekonstruktionspunkten (R) befinden, zur gemessenen Signalleistung des Sensorsignals (p„(t)) des zweiten Mikrofons (11) basierend auf den Sensorsignalen (pn, (t), p„(t)) des ersten und des zweiten Mikrofons (10, 11) und der gemessenen Position des ersten Mikrophons (10) relativ zu der festen Referenzposition (M„).

Das Verfahren gemäß Anspruch 13, das weiter umfasst:

Aufnehmen eines Bildes mittels einer Kamera mit fester Position relativ zum ersten Mikrofon (11);

Zuordnen der Rekonstruktionspunkte (R) zu korrespondierenden Pixel des Bildes; und

Darstellen des Bildes, wobei die den Rekonstruktionspunkten (R) zugeordneten Pixel basierend auf dem für den jeweiligen Rekonstruktionspunkt (R) berechneten Beitrag der in dem jeweiligen Rekonstruktionspunkt (R) befindlichen virtuellen Schallquelle eingefärbt wird.

Das Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei, für jeden Rekonstruktionspunkt (R), das Ermitteln des Beitrags einer virtuellen Schallquelle folgendes umfasst:

Transformieren des Sensorsignals (p, (£)) des ersten Mikrofons (10) in ein transformiertes erstes Sensorsignal (5; (t)), in dem der Einfluss des Dopplereffektes, der durch die Bewegung des zweiten Mikrofons (10) verursacht wird, zumindest näherungsweise kompensiert ist;

Berechnen der Kohärenz (C„„3;(f)) zwischen dem Sensorsignal (p,(t)) des zweiten Mikrofons (11) und dem transformierten ersten Sensorsignal (5; (t)); und

Berechnen des Beitrags der in dem jeweiligen Rekonstruktionspunkt (R) befindlichen virtuellen Schalquelle bezogen auf die gemessene Signalleistung des Sensorsignals (p,(£)) des zweiten Mikrofons (11) für ein vorgebbares Frequenzband ([F,( F,]).

Das Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei das Transformieren des ersten Sensorsignal (p1(0) folgendes umfasst:

Rückpropagieren des Sensorsignals (p,(t)) des ersten Mikrofons (10) in den jeweiligen Rekonstruktionspunkt (R) um eine Zeitspanne, die von dem Abstand zwischen dem ersten Mikrofon (10) zu einem beliebigen Startzeitpunkt einer Messung und dem Rekonstruktionspunkt (R) abhängt;

Filtern des rückpropagierten Sensorsignals (p,(t)) des ersten Mikrofons (10) mit einem zeitvarianten Fractional-Delay-Filter um eine Zeitspanne, welche die Zeit darstellt, die ein akustisches Signal vom Rekonstruktionspunkt zum ersten Mikrofon (10) benötigt;

Rückpropagieren des gefilterten Sensorsignals in den Rekonstruktionspunkt (R) um eine Zeitspanne, die von dem Abstand zwischen dem ersten Mikrofon (10) zu einem beliebigen Startzeitpunkt einer Messung und dem Rekonstruktionspunkt (R) abhängt, wobei das resultierende rückpropagierte gefilterte Sensorsignal (5, (£t)) ein von einer im jeweiligen Rekon-

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struktionspunkt (R) befindlichen virtuellen Schallquelle abgestrahltes akustisches Signal repräsentiert;

Vorwärtspropagieren des rückpropagierten gefilterten Sensorsignals (5, (t)) in die Referenzposition um eine Zeitspanne die von dem Abstand zwischen der Referenzposition und dem Rekonstruktionspunkt (R) abhängt.

Das Verfahren gemäß Anspruch 15 oder 16, wobei das Berechnen des Beitrags der in dem jeweiligen Rekonstruktionspunkt (R) befindlichen virtuellen Schalquelle folgendes umfasst:

Integration des Produkts aus Kohärenz (C„;-(f)) und spektraler Leistungsdichte (Pop. (f)) des Sensorsignals (p,(t)) des zweiten Mikrofons (11) über das vorgebbare Fre-

quenzband ([F,, F,]).

Eine Vorrichtung zur räumlichen Ortung von akustischen Quellen auf beliebigen Flächen durch die Aufnahme von Messgrößen des akustischen Feldes mit zwei Mikrofonen (10, 11), dadurch gekennzeichnet, dass sich ein erstes Mikrofon (10) auf einer Bahn bewegt und ein zweites Mikrofon (11) ortsfest ist, wobei die zugehörigen akustischen Signale an eine sich mit dem ersten bewegten Mikrofon (10) mitbewegende Einheit bestehend aus einem Sensorsystem zur Erfassung der Raumkoordinaten des ersten bewegten Mikrofons (10), einer Datenerfassungseinrichtung für die Daten der beiden Mikrofone (10, 11), den Sensoren (16) für die Erfassung der Raumkoordinaten des ersten bewegten Sensors (10), und einer elektrischen Energieversorgung (49), übertragen werden, an eine Datenverarbeitungseinrichtung (20) mit einer Anzeige- und Bedienfläche für die Steuerung der Messung und Darstellung der Ergebnisse in Form einer Überlagerung des mit einer Kamera (21) erfassten Bildes der Messszene und der rekonstruierten Abbildung von akustischen Quellen weitergeleitet werden und wobei das erste bewegte Mikrofon (10), das zweite ortsfeste Mikrofon (11) und die sich mitbewegende Einheit in eine Rahmenkonstruktion (100, 200) integriert sind.

Die Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenkonstruktion (100, 200) um eine raumfeste Achse (54) drehbar gelagert ist und somit eine kontrollierte Rotation der Rahmenkonstruktion (100, 200) stattfindet.

Eine Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,

dass die Rahmenkonstruktion (100, 200) mit einem Antrieb (30) gekoppelt ist und somit eine selbsttätige Rotation der Rahmenkonstruktion (100, 200) um die raumfeste Achse (54) geschaffen ist.

Eine Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,

dass das erste bewegte Mikrofon (10) aus einem entlang der Rahmenkonstruktion (100, 200) verteilten Array von Mikrofonen in Abhängigkeit von Zeit und/oder Winkelstellung der Rahmenkonstruktion (100, 200) durch einen von der Datenerfassungseinrichtung gesteuerten elektronischen Multiplexer (45) ausgewählt wird und somit eine approximierte Spiralbewegung des ersten bewegten Mikrofons (10) realisiert werden kann.

Eine Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,

dass das erste bewegte Mikrofon (10) auf einer in die Rahmenkonstruktion (200) eingebetteten, radial ausgerichteten Schiene gleitet, dessen radiale Bewegung mit der Bewegung der Rahmenkonstruktion (200) um die raumfeste Achse (54) synchronisiert ist und somit eine spiralförmige Bewegung des ersten bewegten Mikrofons (10) bei Bewegung der Rahmenkonstruktion (200) induziert wird.

Eine Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das erste bewegte Mikrofon (10) und das zweite ortsfeste Mikrofon (11) körperschalltechnisch von der Rahmenkonstruktion (100, 200) im Wesentlichen akustisch entkoppelt

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sind und somit Antriebs-, Bewegungs- oder Windgeräusche die messtechnische Dynamik in einem vernachlässigbaren Ausmaß beeinflussen.

Eine Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,

dass das erste bewegte Mikrofon (10) und das zweite ortsfeste Mikrofon (11) mit einem Windschutz (14) versehen sind, um aeroakustische Geräusche der bewegten Rahmenkonstruktion (100, 200) zu unterdrücken und die die messtechnische Dynamik nur in einem vernachlässigbaren Ausmaß zu beeinflussen.

Eine Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,

dass die Oberfläche der Rahmenkonstruktion (100, 200) in Bewegungsrichtung aerodynamisch geformt ist, um aeroakustische Geräusche der bewegten Rahmenkonstruktion zu unterdrücken und die die messtechnische Dynamik nur in einem vernachlässigbaren Ausmaß zu beeinflussen.

Eine Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,

dass das Sensorsystem zur Erfassung der Raumkoordinaten des ersten bewegten Mikrofons (10) durch einen Drehwinkelsensor (16) zur Messung des Drehwinkels gegenüber der starren Drehachse (54) realisiert ist.

Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,

dass das Sensorsystem zur Erfassung der Raumkoordinaten des ersten bewegten Mikrofons (10) durch einen zumindest einachsigen, mit der Drehachse (54) der Rahmenkonstruktion (100, 200) kollinear ausgerichteten Winkelgeschwindigkeitssensor und einen dreiachsigen Beschleunigungssensor realisiert ist.

Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem zur Erfassung der Raumkoordinaten des ersten bewegten Mikrofons (10) durch ein Motion-Tracking-System realisiert ist.

Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,

dass der Abstand des ersten bewegten Mikrofons (10) zum Drehzentrum der Rahmenkonstruktion (200) variiert werden kann, um die Örtliche Auflösung speziell bei akustischen Quellen mit tiefen Frequenzen zu verbessern.

Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,

dass die Daten der in die Rahmenkonstruktion (100, 200) integrierten mitbewegten Datenerfassungseinrichtung drahtlos auf einen Personal Computer, Laptop oder Mobile Device zur weiteren Verarbeitung oder Visualisierung übertragen werden.

Verfahren zur Rekonstruktion der akustischen Quellstärke in einem beliebigen Raumpunkt durch Schätzung der Kohärenz zwischen dem Zeitsignal eines ersten ortsfesten akustischen Sensors und einer Transformierten des Zeitsignals eines zweiten bewegten Sensors, dadurch gekennzeichnet, dass

das Zeitsignal des zweiten bewegten akustischen Sensors durch Zeitverschiebung unter Berücksichtigung der Ausbreitungsgeschwindigkeit im betrachteten Medium auf den Rekonstruktionspunkt transformiert wird,

das resultierende Signal als Anregung für eine akustische Monopolquelle im Rekonstruktionspunkt dient,

mit einem bezüglich der zeitabhängigen Zeitverzögerung zwischen Rekonstruktionspunkt und Position des zweiten bewegten akustischen Sensors um den Gleichanteil invertierten zeitlichen Verzögerungsprofil zeitverschoben wird und

abschließend auf den Ort des ersten ortsfesten akustischen Sensors durch eine konstante zeitliche Verschiebung abgebildet wird,

wobei die so ermittelte Kohärenzfunktion im Frequenzbereich ein Maß für den Beitrag der von einem Rekonstruktionspunkt abstrahlenden Quelle bezogen auf den am Ort des ortsfesten Sensors gemessenen Pegels definiert.

32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohärenzschätzung im Frequenzbereich an einer bestimmten Frequenz ausgewertet oder in einem definierten Frequenzband integriert wird, um Analysen der akustischen Quellverteilung im Frequenzbereich zu ermöglichen.

33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekonstruktion der akustischen Quellstärke auf mehreren Raumpunkten ausgeführt wird, sodass eine Abbildung der akustischen Quellstärken auf einer beliebig geformten Fläche ermöglicht wird.

34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildung der akustischen Quellstärken mit einem optisch erfassten Bild der Messszene überlagert, um eine örtliche Zuordnung zu ermöglichen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen