DE102021205466A1 - Vorrichtung zur Detektion von Schall in der Umgebung eines Automobils - Google Patents

Vorrichtung zur Detektion von Schall in der Umgebung eines Automobils Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Schall in der Umgebung eines Fahrzeugs, mit einem ersten Körperschallsensor (10), welcher mit einem ersten schwingfähigen Körper an einer Außenseite des Fahrzeugs akustisch gekoppelt ist und ein erstes Audiosignal (30) bereitstellt, mit einem zweiten Audiosignal (40), welches Schall aus einem Innenraum des Fahrzeugs repräsentiert, und mit einer Verarbeitungseinheit (100), welche dazu eingerichtet ist vom ersten Audiosignal wenigstens das zweite Audiosignal zu subtrahieren.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Schall in der Umgebung eines Automobils.
  • Autos werden im Innenraum immer besser gegen Schall von außen und gegen Schall aus dem Motorraum isoliert, um den Komfort für die Insassen und die Konzentrationsfähigkeit für den Fahrer zu erhöhen. Nachteilig ist dabei, dass akustische Warngeräusche von außen, wie Sirenen, in Innenraum immer schwerer wahrgenommen werden.
  • Bekannt sind Systeme die diese Geräusche erkennen und dem Fahrer einen Warnhinweis dazu geben. Derartige Systeme werden in Zukunft mit autonom fahrenden Autos immer wichtiger, weil autonome Fahrzeuge eine Sirene und auch andere Schallsignale automatisiert erkennen und möglichst auch die Richtung aus der das Geräusch kommt bestimmen sollen.
  • Um eine solche automatisierte Erkennung zu ermöglichen sind Mikrofone notwendig die Außengeräusche möglichst gut und zuverlässig aufnehmen können. Problematisch dabei ist, dass klassische Mikrofon sehr empfindlich gegenüber Staub, Feuchtigkeit und Überlast sind und daher im Außenbereich des Autos sehr schnell zerstört werden oder ihre Empfindlichkeit schnell und undefiniert nachlässt. Der Innenbereich des Autos ist dagegen gut gegen Feuchtigkeit und Staub geschützt, er ist aber auch gut gegen Schall von außen abgeschirmt, wodurch ein Schallsignal von außen in Innenraum schwer zu detektieren ist.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Es ist eine Mikrofonanordnung gesucht mit der der Außenschall am Fahrzeugen empfindlich, mit wenig Störgeräuschen und zuverlässig aufgenommen werden kann. Weiter ist ein Verfahren gesucht mit dem eine möglichst rauschfreies Signal des Außenschalls erzeugt werden kann.
  • Kern und Vorteile der Erfindung
  • Der Kern der Erfindung besteht darin, dass anstelle eines klassischen Mikrofons zur Detektion des Außenschalls ein Körperschallsensor verwendet wird. Körperschallsensoren sind wesentlich robuster gegenüber Umwelteinflüssen.
  • Vorteilhaft ist der Körperschallsensor auf der auf der Innenseite des Autos an einer ersten Stelle angebracht ist, die über den Außenschall zur Schwingung angeregt werden kann. Es kann sich dabei beispielsweise um die Innenseite einer Seitenscheibe des Autos handeln oder um die Innenseite einer anderen nach außen gerichteten Verkleidungskomponente des Autos. Durch Anbringung an der Innenseite ist der Körperschallsensor zusätzlich durch die Außenhaut des Automobils vor allen Umwelteinflüssen, außer Erschütterungen der Außenhaut, geschützt.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zusätzlich der Körperschall an einer zweiten Position gemessen, die schwerer oder gar nicht über den Außenschall zur Schwingung angeregt werden kann. Bevorzugt wird der Körperschall wieder an der Innenseite oder im Innenraum des Autos an einer räumlich nahe zu der ersten Position liegen Stelle gemessen.
  • Zusätzlich oder alternativ wird der Schall im Inneren des Autos (Innenschall) über ein klassisches Mikrofon aufgenommen oder auch das Signal des Audiosystems des Autos wird verwendet.
  • Vom Signal des ersten Körperschallsensors wird das Signal des zweiten Körperschallsensors abgezogen oder auch eine Signalkomponente des Innenschalls. Dadurch erhält man ein qualitativ hochwertiges Signal des Außenschalls. Mit dieser Anordnung und diesen Verfahren kann Schall in der Umgebung des Automobils gut detektiert werden, während Störsignale des Autos sehr gut unterdrückt werden können.
  • Die Anordnung erlaubt einen sehr robusten Aufbau. Zur Messung des Köperschalls wird bevorzugt ein MEMS-basierter Beschleunigungssensor genutzt. Bei diesem handelt es sich um ein geschlossenes System, das die Beschleunigung über sein Gehäuse aufnimmt und in ein elektrisches Signal verwandelt. Er ist daher sehr gut gegen Schmutz und Feuchtigkeit geschützt. Er ist auch sehr gut gegen eine Überlast geschützt. Ein klassisches Mikrofon benötigt dagegen immer einen direkten Medianzugang für den Schall und ist daher schwer zu schützen. Vorteilhaft wird der Körperschallsensor an der Innenseite der Verkleidung des Autos angebracht und ist damit automatisch sehr gut gegen direkte Einflüsse von außen geschützt.
  • Die Anordnung erlaubt eine sehr gute Signalqualität. Der Außenschall koppelt direkt an die Verkleidung des Autos und kann daher an der Verkleidung sehr gut detektiert werden. Ein klassisches Mikrofon würde man in dieser Anwendung immer mit einer oder mehreren Membranen schützen über die das Signal in eine zweiten Raum übertragen wird und dort erst detektiert wird. Dies führt zu einer signifikanten Schwächung des Signals. Die Eigenschwingung des Autos und der Innenschall können in dieser Anordnung sehr gut unterdrückt werden. Mit einem klassischen Mikrofon wäre es nicht möglich den Schall der von außen kommt von dem Schall der durch die Schwingung des Autos und des Motors entsteht zu unterscheiden.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion von Schall in der Umgebung eines Automobils in einem ersten Ausführungsbeispiel.
    • 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion von Schall in der Umgebung eines Automobils in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
    • 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion von Schall in der Umgebung eines Automobils in einem dritten Ausführungsbeispiel.
    • 4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion von Schall in der Umgebung eines Automobils in einem vierten Ausführungsbeispiel.
    • 5 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion von Schall in der Umgebung eines Automobils in einem fünften Ausführungsbeispiel.
  • Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion von Schall in der Umgebung eines Automobils in einem ersten Ausführungsbeispiel.
    Schall 1 in der Umgebung eines Automobils trifft auf einen ersten schwingfähigen Körper 11 an einer Außenseite des Automobils. Ein erster Körperschallsensor 10 ist mit dem ersten schwingfähigen Körper akustisch gekoppelt, am besten, indem der Sensor daran befestigt ist. Der erste Körperschallsensor stellt ein erstes Audiosignal 30 bereit. Außerdem wird ein zweites Audiosignal 40 bereitgestellt, welches weiteren Schall 2 aus einem Innenraum des Automobils repräsentiert, und aus unterschiedlichsten Quellen stammen kann. Die Audiosignale werden einer Verarbeitungseinheit 100 zugeführt, welche dazu eingerichtet ist vom ersten Audiosignal wenigstens das zweite Audiosignal zu subtrahieren. Die Verarbeitungseinheit ist beispielsweise ein Soundprozessor, insbesondere ein DSP.
  • 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion von Schall in der Umgebung eines Automobils in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
    Das zweite Audiosignal 40 wird in diesem Beispiel von einer aktiven Schallquelle 60, insbesondere einer Audioanlage, im Automobil bereitgestellt. Das zweite Audiosignal wir in elektronischer Form - analog oder digital dargestellt und entspricht dem akustischen Spektrum, welches die aktive Schallquelle gleichzeitig, beispielsweise mittels Lautsprecher, in den Innenraum des Automobils aussendet.
  • 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion von Schall in der Umgebung eines Automobils in einem dritten Ausführungsbeispiel.
  • Das zweite Audiosignal 40 wird in diesem Beispiel von einem weiteren Schallsensor, hier einem Innenraummikrofon 70 bereitgestellt.
  • 4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion von Schall in der Umgebung eines Automobils in einem vierten Ausführungsbeispiel.
  • Das zweite Audiosignal 40 wird in diesem Beispiel von einem weiteren Schallsensor, hier einem zweiten Körperschallsensor 20 bereitgestellt. Der zweite Körperschallsensor ist mit einem zweiten schwingfähigen Körper 21 an einer Innenseite 22 des Automobils, beispielsweise einer Innenverkleidung, akustisch gekoppelt. Dies ist am besten bewerkstelligt, indem der zweite Körperschallsensor an der Innenverkleidung befestigt ist. Der erste Körperschallsensor 10 ist an einer Innenseite des Automobils, beispielsweise an der Innenseite eines Autofensters oder an der Innenseite einer äußeren Verkleidungskomponente des Automobils, angeordnet. Der zweite Körperschallsensor 20 ist in räumlicher Nähe zum ersten Körperschallsensor 10 angeordnet. Der erste Schwingfähige Körper 11 und der zweite schwingfähige Körper sind jeweils unterschiedlich an den äußeren Schall 1 und den Innenraum-Schall 2 akustisch angekoppelt, sodass der erste Körperschallsensor 10 vom zweiten Körperschallsensor 20 wenigstens teilweise akustisch entkoppelt ist.
  • 5 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion von Schall in der Umgebung eines Automobils in einem fünften Ausführungsbeispiel.
  • Die Verarbeitungseinrichtung 100 ist in diesem Beispiel dazu eingerichtet ist vom ersten Audiosignal 30 auch ein oder mehrere dritte Audiosignale 50 zu subtrahieren, welche insbesondere von einer aktiven Schallquelle 60 im Automobil oder einem Innenraummikrofon 70 oder sonstigen denkbaren Audioquellen bereitgestellt werden.
  • Als erste und zweite Körperschallsensoren werden vorzugsweise mikromechanische Beschleunigungssensoren eingesetzt.
  • In einer günstigen Anordnung wird bevorzugt auf der Seitenscheibe oder der Rückscheibe oder der Dachscheibe in einem inneren Bereich der Scheibe mindestens ein erster Beschleunigungssensor fest verankert und im Randbereich der Scheibe mindestens ein zweiter Beschleunigungssensor fest verankert. Vom Signal des ersten Beschleunigungssensors wird das Signal oder ein Teil des Signals des zweiten Beschleunigungssensors abgezogen. Weiter kann auch zusätzlich noch das Signal eines Innenmikrofons oder der Audioanlage des Autos von Signal abgezogen werden.
  • In einer besonders kostengünstige Variante wird nur ein erster Beschleunigungssensor an einer Scheibe fest verankert und nur das Signal eines Innenmikrofons oder der Audioanlage des Autos von Signal des ersten Beschleunigungssensors abgezogen.
  • In einer weiteren günstigen Anordnung wird der erste Beschleunigungssensor auf der Innenseite der Blechverkleidung des Autos montiert, an einer Stelle die durch Außenschall zur Schwingung angeregt werden kann. Metall überträgt ähnlich wie Glas Schallschwingungen sehr gut. Die Verkleidung kann so versteift beziehungsweise nicht versteift werden, dass der Teilbereich an dem der erste Beschleunigungssensor befestigt ist besonders gut auf den Außenschall reagiert. Ein zweiter Beschleunigungssensor wird auf einem versteiften Bereich, bevorzugt in baulicher Nähe, angeordnet.
  • Vorteilhaft ist dabei, dass der Beschleunigungssensor für den Kunden nicht sichtbar ist und auch die Versteifung auf der Innenseite der Verkleidung stattfinden kann, daher sehr gut anpassbar ist und zusätzlich ebenfalls nicht für den Kunden sichtbar ist.
    Weiter Vorteilhaft ist, dass man den Sensor und der Verkleidung zum Innenraum hin abschirmen kann, insbesondere mit einem Schallschutz versehen kann, so dass kein Schall der Insassen oder des Audiosystems das Außen-Signal stört.
  • Besonders günstig ist es wenn die Glasscheibe oder das Verkleidungselement auf dem die Schwingung gemessen wird flexibel oder teilflexibel, zum Beispiel mit einer Dichtung mit dem Auto verbunden ist. Damit kann erreicht werden, dass weniger Eigenschwingungen vom Auto auf das Element übertragen werden und/oder die Schwingungen gedämpft werden.
  • Besonders günstig ist es zwei Beschleunigungssensoren mit ähnlicher oder möglichst gleicher Charakteristik (Übertragungsfunktion) und Bandbreite für die Differenzbildung des Signals zu verwenden, um so eine möglichst gute Subtraktion mit geringem Fehler zu ermöglichen. Sinnvoll ist es dabei etwas breitbandigere Beschleunigungssensoren zu verwenden und das Differenzsignal dann noch durch einen etwas engeren Bandpass zu filtern, um eine möglichst gutes Signal zu erhalten.
  • Besonders günstig sind Beschleunigungssensoren mit einer Bandbreite von 50Hz bis 600Hz, insbesondere mit einer Bandbreite von 360Hz bis 700Hz.
  • Weiter kann es günstig sein die Intensitäten der beiden Signale bei der Subtraktion dynamisch über einen gleitenden Mittelwert derart zu steuern, dass das Differenzsignal minimiert wird, um Empfindlichkeitsschwankungen der beiden Sensoren, die beispielsweise durch unterschiedlichen Temperaturverhalten entsteht, zu kompensieren.
  • Weiter ist es günstig zwei oder mehr der hier vorgeschlagenen Schalldetektionsanordnungen zu verwenden. Über die Signalintensität oder die Phaseninformation der einzelnen Signale kann dann auch die Schallrichtung bestimmen werden.
  • Die Anwendung ist nicht beschränkt auf die Auswertung des Differenz-Signals der beiden Beschleunigungssensoren. Die beiden Signale können auch genutzt werden, um weitere Parameter zu bestimmen. Der Körperschall des zweiten Sensors kann beispielsweise genutzt werden, um die Straßenbeschaffenheit abzuleiten. Ist die Fläche auf der der erste Sensor angebracht ist nach oben oder nach vorne gerichtet kann über eine Analyse des Signals beispielsweise auch Regen detektiert werden. Viele weitere Anwendung sind denkbar.
  • Unter Subtraktion beziehungsweise Differenzbildung eines zweiten Signals von einem ersten Signal wird hier nicht nur eine echte Subtraktion im engeren Sinne verstanden, es kann sich auch ganz allgemein um eine Veränderung eines ersten Signals auf Basis eines zweiten Signals handeln. Liegt beispielsweise ein zweites Signal mit einer sehr großen Amplitude bei einer definierten Frequenz vor kann es günstig sein diese Frequenz oder dieses Frequenzband gezielt und vollständig aus dem ersten Signal herauszufiltern.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Schall in der Umgebung des Automobils
    2
    weiterer Schall aus dem Innenraum des Automobils
    10
    erster Körperschallsensor
    11
    erster schwingfähiger Körper
    20
    zweiter Körperschallsensor
    21
    zweiter schwingfähiger Körper
    30
    erstes Audiosignal
    40
    zweites Audiosignal
    50
    drittes Audiosignal
    60
    aktive Schallquelle
    70
    Innenraummikrofon
    100
    Verarbeitungseinrichtung

Claims (9)

  1. Vorrichtung zur Detektion von Schall (1) in der Umgebung eines Automobils, - mit_einem ersten Körperschallsensor (10), welcher mit einem ersten schwingfähigen Körper (11) an einer Außenseite des Automobils akustisch gekoppelt ist und ein erstes Audiosignal (30) bereitstellt, - mit einem zweiten Audiosignal (40), welches weiteren Schall (2) aus einem Innenraum des Automobils repräsentiert, und - mit einer Verarbeitungseinheit (100), welche dazu eingerichtet ist vom ersten Audiosignal wenigstens das zweite Audiosignal zu subtrahieren.
  2. Vorrichtung zur Detektion von Schall in der Umgebung eines Automobils nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Audiosignal von einer aktiven Schallquelle (60), insbesondere einer Audioanlage, im Automobil bereitgestellt wird.
  3. Vorrichtung zur Detektion von Schall in der Umgebung eines Automobils nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen weiteren Schallsensor aufweist, welcher dazu ausgestaltet ist, Schall aus einem Innenraum des Automobils zu detektieren und das zweite Audiosignal (40) bereitzustellen.
  4. Vorrichtung zur Detektion von Schall in der Umgebung eines Automobils nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Schallsensor ein Innenraummikrofon (70) ist.
  5. Vorrichtung zur Detektion von Schall in der Umgebung eines Automobils nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Schallsensor ein zweiter Körperschallsensor (20) ist, welcher mit einem zweiten schwingfähigen Körper (20) an einer Innenseite des Automobils, insbesondere einer Innenverkleidung, akustisch gekoppelt ist.
  6. Vorrichtung zur Detektion von Schall in der Umgebung eines Automobils nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung (100) dazu eingerichtet ist vom ersten Audiosignal (30) ein drittes Audiosignal (50) zu subtrahieren, welches insbesondere von einer aktiven Schallquelle (60) im Automobil oder einem Innenraummikrofon (70) bereitgestellt wird.
  7. Vorrichtung zur Detektion von Schall in der Umgebung eines Automobils nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Körperschallsensor (10) an einer Innenseite des Automobils, insbesondere an der Innenseite eines Autofensters oder an der Innenseite einer äußeren Verkleidungskomponente des Automobils, angeordnet ist.
  8. Vorrichtung zur Detektion von Schall in der Umgebung eines Automobils nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Körperschallsensor (20) in räumlicher Nähe zum ersten Körperschallsensor (10) angeordnet ist.
  9. Vorrichtung zur Detektion von Schall in der Umgebung eines Automobils nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Körperschallsensor (10) vom zweiten Körperschallsensor (20) wenigstens teilweise akustisch entkoppelt ist.
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