DE10043055A1

DE10043055A1 - Verfahren und Anordnung zur passiven Schallortung

Info

Publication number: DE10043055A1
Application number: DE2000143055
Authority: DE
Inventors: Carsten Schauer
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2000-08-29
Filing date: 2000-08-29
Publication date: 2002-03-14

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vollständige Richtungsbestimmung in einer Ebene nur mit einem zweikanaligen Signal zu ermöglichen. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass richtungsspezifische Schalleigenschaften in ein Stereosignal abgebildet und analysiert werden, wobei zur rechts/links Orientierung in einem unteren Bereich des akustischen Spektrums binaurale Zeitdifferenzen mit einem Kreuzkorrelationsverfahren ermittelt werden und, basierend auf demselben Stereosignal, in einem höheren Frequenzbereich spektrale Unterschiede zur vorne/hinten Unterscheidung analysiert werden und dass zwei Mikrofone in der Ortungs-Ebene angeordnet sind und die Mikrofone mit einer Tiefpaßanordnung gekoppelt sind, deren Charakteristik um 180 Grad entgegengesetzt ausgerichtet ist. DOLLAR A Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur passiven Schallortung im Sinne der Bestimmung der Einfallsrichtung des Schalls in einer durch die Lage einer zweikanaligen Mikrofonanordnung bestimmten Ebene.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur passiven Schallortung im Sinne der Bestimmung der Einfallsrichtung des Schalls in einer durch die Lage einer zweikanaligen Mikrofonanordnung bestimmten Ebene.

Bekannte passive Schallortungssysteme verwenden vielkanalige Mikrofon-Anordnungen, um durch Kreuzkorrelation der Kanäle Laufzeitdifferenzen zu ermitteln und damit Schallquellenort oder Schalleinfallsrichtung zu bestimmen. Alternativ oder ergänzend kann die Richtcharakteristik von festen oder beweglichen Mikrofonen benutzt werden, um Schallpegeldifferenzen einzubeziehen.

Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren und Anordnungen zur Schallortung bekannt.

Nach WO 99/60788 ist ein vierkanaliges, laufzeitbasiertes Ortungssystem bekannt, bei dem auch die Entfernung einer Schallquelle ermittelt wird. Eine vorne/hinten Unterscheidung des Signals ist hierbei jedoch nicht möglich.

In US 5 778 082 ist ein Verfahren und eine Anordnung beschrieben, bei der eine Richtungsbestimmung und eine Nutz-/Störgeräuschtrennung durch Frequenzanalyse und Kreuzkorrelation eines Stereosignals erfolgt. Mit dem dort verwendeten Mikrofonpaar ist jedoch nur eine 180 Grad umfassende Richtungsbestimmung möglich. Zur Erweiterung der Ortungsmöglichkeiten werden zusätzliche Mikrofone vorgeschlagen.

Ferner ist aus US 4 817 149 ein System zur Bestimmung von Rauminformationen in binauralen Mikrofonsignalen bekannt, das nach dem Vorbild des menschlichen Gehörs arbeitet. Nachteilig ist hierbei jedoch, dass Kunstkopfaufnahmen erforderlich sind.

In DE 197 45 762 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Einfallsrichtung empfangener Schallimpulse beschrieben, bei dem eine Peilung nach einem Verfahren erfolgt, bei dem mittels Korrelation der Signale eines Mikrofon- oder Antennenarrays unter Verwendung der Einhüllenden der Signale die Auswertung vorgenommen wird. Nachteilig ist hier, dass ausschließlich Laufzeitinformationen ausgewertet werden und dass vielkanalige Anordnungen zur vollständigen 2D- oder 3D-Richtungsbestimmung benötigt werden.

Allen bekannten Anordnungen haftete der Nachteil an, dass diese zur Realisierung einer 360 Grad umfassenden Peilung mehr als nur zwei Sensoren benötigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vollständige Richtungsbestimmung in einer Ebene nur mit einem zweikanaligen Signal zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen der Patentansprüche 1 und 3 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Stereosignal erzeugt und analysiert, in welchem gleichzeitig Laufzeitinformationen und richtungsspezifische, spektrale Eigenschaften in einer im Vergleich zu Kunstkopfaufnahmen einfach auszuwertenden Form enthalten sind.

Die Ermittlung der Laufzeitinformationen erfolgt in einem unteren, die spektrale Analyse im oberen Bereich des akustischen Spektrums. Zur Bestimmung der Einfallsrichtung des Schalls kann mit einem Kreuzkorrelationsverfahren eine Zeitdifferenz zwischen beiden Mikrofonsignalen und somit die rechtslinks Orientierung der Schallquelle mit einer festzulegenden Genauigkeit bestimmt werden. Die Auswertung der erzeugten, spektralen Unterschiede ermöglicht zusätzlich die vorn/hinten Unterscheidung und somit eine 360 Grad umfassende Schallortung.

Die vorgestellte Erfindung ist insbesondere dafür geeignet, natürliche, breitbandige Geräusche, wie beispielsweise die menschliche Sprache, zu orten.

Die Erfindung zeichnet sich insbesondere durch den Vorteil aus, dass sie eine 360 Grad umfassende Richtungsbestimmung in einer Ebene auf der Grundlage eines zweikanaligen Signals gestattet, das ohne Kunstkopftechnik und nur mit, auf die Größe der Anordnung bezogen kleinen und frei angeordneten Mikrofonen erzeugt wird.

Die Erfindung wird im Folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

In der zugehörigen Zeichnung ist die Anordnung schematisch dargestellt.

Die richtungsspezifischen, spektralen Eigenschaften werden im Sinne einer interauralen Differenz erzeugt, und zwar so, dass die Ausrichtung der Mikrofoncharakteristik um 180 Grad entgegengesetzt und orthogonal zur Mikrofonbasis erfolgt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Mikrofonen mit Richtcharakteristik wird nicht eine möglichst gleichmäßige Dämpfung oder Verstärkung aller Frequenzbereiche angestrebt, die Richtungsabhängigkeit des Übertragungsverhaltens soll vielmehr auf hohe Frequenzen beschränkt bleiben. In der abgebildeten Anordnung wird der akustische Effekt der Beugung genutzt, der sich mit zunehmender Frequenz des Schalls weniger stark auswirkt. Das Signal mit der helleren Klangfarbe kann so dem Mikrofon zugeordnet werden, welches mehr der Schallquelle zugewandt ist.

Die Mikrofone selbst sind senkrecht zur Ortungs-Ebene ausgerichtet, um gegenphasige Signale zu verhindern. Die Anordnung ist so gestaltet, daß nur hinreichend geringe Laufzeitfehler entstehen.

Zur Auswertung der spektralen Unterschiede soll zunächst eine Analyse des aktuellen linken und rechten Spektrums entweder durch eine elektronische Schaltung oder algorithmisch anhand der digitalisierten Signale durchgeführt werden. Für die resultierenden Spektren wird pegelunabhängig eine Wichtung zwischen den Frequenzkomponenten berechnet, zeitlich gemittelt und verglichen.

Die Anordnung sollte möglichst frei vom Einfluß dämpfender oder reflektierender Körper und Flächen an oder über einem Gerät oder frei im Raum angebracht werden. Die erzielte Ortungsgenauigkeit wird durch die Abmessungen der Anordnung sowie durch das zeitliche Auflösungsvermögen der Laufzeitmessung (i. a. die Abtastfrequenz bei der Digitalisierung der Mikrofonsignale) bestimmt. In der vorgeschlagenen Realisierung sind die Mikrofone senkrecht im verschlossenen Ende zweier kleiner Rohre angebracht, deren offene Enden sich einmal nach vorn und einmal nach hinten weisend auf der links/rechts-Achse befinden. Länge und Durchmesser werden so gewählt, dass die Periodendauer der Resonanzfrequenz der Anordnung nicht im Bereich der detektierten Laufzeit liegt und der dem Rohr-Radius entsprechende maximale Laufzeitfehler gering ist.

Die Bestimmung der rechts/links Orientierung kann mit einem bekannten binauralen Korrelationsverfahren erfolgen. Zur vorn/hinten Unterscheidung kann das aktuelle Schallspektrum durch eine Fouriertransformation der digitalisierten Mikrofonsignale über ein Zeitfenster von n Werten erfolgen. Für die resultierenden Spektren [f₁ . . . f_n]_links und [f₁ . . . f_n]_rechts berechne man einen linken und rechten spektralen Schwerpunkt:

Korrespondierend zur Abbildung ist nun eine einfache Auswertung möglich:
C_links < C_rechts → vorne; C_links < C_rechts → hinten. Sind die Werte nahezu gleich ist ihre Unterscheidung nicht notwendig, da die Laufzeitschätzung bereits ein eindeutiges Ergebnis (90 Grad rechts bzw. links) liefert.

Claims

1. Verfahren zur passiven Schallortung im Sinne der Bestimmung der Einfallsrichtung des Schalls in einer durch die Lage einer zweikanaligen Mikrofonanordnung bestimmten Ebene, dadurch gekennzeichnet, dass richtungsspezifische Schalleigenschaften in ein Stereosignal abgebildet und analysiert werden, wobei zur rechts/links Orientierung in einem unteren Bereich des akustischen Spektrums binaurale Zeitdifferenzen mit einem Kreuzkorrelationsverfahren ermittelt werden und, basierend auf demselben Stereosignal, in einem höheren Frequenzbereich spektrale Unterschiede zur vorne/hinten Unterscheidung analysiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal mit der helleren Klangfarbe dem Mikrofon zugeordnet wird, welches der Schallquelle mehr zugewandt ist.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Mikrofone in der Ortungs-Ebene angeordnet sind und die Mikrofone mit einer Tiefpaßanordnung gekoppelt sind,deren Charakteristik um 180 Grad entgegengesetzt ausgerichtet sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsachse der Mikrofone senkrecht zur Ortungsebene angeordnet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an den Mikrofonen rohrförmige Umhüllungen angebracht sind.