DE4329246C2 - Verfahren zur Bestimmung der frequenzabhängigen Reflexionseigenschaften von Wandmaterialien - Google Patents
Verfahren zur Bestimmung der frequenzabhängigen Reflexionseigenschaften von WandmaterialienInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung
der frequenzabhängigen Reflexionseigenschaften von
Wandmaterialien
Die "Akustik" eines Raumes wird maßgeblich von den akustischen
Eigenschaften der Raumbegrenzungsflächen, also Wände, Decken
und Boden bestimmt. Insbesondere kennzeichnet der
frequenzabhängige Absorptionsgrad der Begrenzungsflächen, unter
dem man das Verhältnis von nicht wiederkehrender zu
auffallender Schallintensität versteht, diese Eigenschaften.
Für die raumakustische Planung ist die Kenntnis des
Absorptionsgrads eine wichtige Voraussetzung. Um diesen
messtechnisch zu bestimmen, existieren im wesentlichen zwei
Verfahren, nämlich das Hallraumverfahren und die Bestimmung des
Absorptionsgrades im Kundtschen Rohr (siehe z. B. DIN 52212 bzw.
DIN 52215). Im erstgenannten Fall wird die Schallenergieabnahme
nach Abschalten einer definierten Schallquelle bestimmt, im
zweiten Fall ein Stehwellenmuster vor dem zu messenden Material
analysiert. Diese Meßmethoden liefern entweder nur über
bestimmte Frequenzbereiche und über alle Raumwinkel gemittelte
Ergebnisse (Hallraum) oder aber es müssen sehr kleine
Materialproben ausgemessen werden (Kundtsche Rohr). Zudem
müssen Proben des auszumessenden Materials vorliegen, was bei
der Überprüfung der Absorptionseigenschaften von Wandflächen in
einem existierendem Raum nicht immer möglich ist. Hier ließe
sich beispielsweise ein in der Offenlegungsschrift DE 34 19 515 A1
beschriebenes Verfahren anwenden. Eine neuere Methode
besteht in der In-Situ Messung von Absorptionsgraden, wie sie
aus der Veröffentlichung "In-Situ Messung komplexer
Reflexionsfaktoren" in Acustica Vol. 75, 1991, Seiten 28-39
von U. Wilms, R. Heinz bekannt ist. Die darin beschriebene
Methode erlaubt zwar die breitbandige Bestimmung der komplexen
akustischen Reflexionsfaktoren von Wandflächen vor Ort, weist
jedoch einige Nachteile auf. Da sowohl der Direktschallimpuls
als auch die Störreflexionen aus der Impulsantwort
herausgeschnitten werden müssen, ist das resultierende
Zeitfenster verhältnismäßig kurz und somit die Aussagekraft der
Messergebnisse für tiefere Frequenzen eingeschränkt. Des
weiteren verursacht die nicht fest definierte Geometrie der
Lautsprecher - Mikrophon Anordnung Messfehler. Auch die
Erfassung von anderen Schalleinfallswinkeln als den senkrechten
ist nicht ohne weiteres möglich. Zusätzlich ist die nach
trägliche softwaremäßige Bearbeitung der Messsignale
verhältnismäßig aufwendig und erfordert vom Benutzer viel Know-
how, was eine kommerzielle Nutzung einschränkt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur
Bestimmung der frequenzabhängigen Reflexionseigenschaften von
Wandmaterialien unter Beseitigung der vorgenannten Nachteile
bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das in Anspruch 1
angegebene Verfahren zur Bestimmung der frequenzabhängigen
Reflexionseigenschaften von Wandmaterialien gelöst.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht darin, ein
erstes digitalisiertes Messsignal aus einem ermittelten
einfallenden Schallsignal zu erzeugen, eine Messanordnung vor
der auszumessenden Wandfläche zu positionieren, ein zweites
digitalisiertes Messsignal aus dem einfallenden und
reflektierten Schall zu bestimmen und einen frequenzabhängigen
Reflexionsfaktor nach der Bestimmung des reflektierten
Schallanteils durch laufzeitrichtige Subtraktion des ersten
digitalisierten Messsignals zu bestimmen.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen
und Verbesserungen des Erfindungsgegenstandes.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Messanordnung zur Erläuterung einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 einen schematischen Messaufbau zur Erläuterung einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ein Signalschaubild zur Erläuterung der Funktion
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 zwei Signalschaubilder zur Erläuterung der Funktion
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 zwei Signalschaubilder zur Erläuterung der Funktion
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 6 einen schematischen Messaufbau zur Erläuterung einer
weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder
Funktionsgleiche Bestandteile.
Bei dem Verfahren befinden sich ein Lautsprecher und ein Mikro
phon gemäß Fig. 1 vor der auszumessenden Fläche, die eine Wand
in einem geschlossenen Raum sein kann. Für die dargestellte
Geometrie wird nach der Theorie für lineare zeitinvariante
Systeme nach H. D. Lüke "Signalverarbeitung", Springer Verlag,
3. Auflage 1985 Seite 4 ff, die Impulsantwort hM2(t) gemessen.
Die über einen AD-Wandler diskretisierten und digitalisierten
Signale werden über einen Computer auf einem geeigneten
Speichermedium (Festplatte) abgespeichert und später
weiterverarbeitet. Der schematische Messaufbau ist in Fig. 2
dargestellt.
Als Messsignale bieten sich Pseudorauschsignale, insbesondere
sogenanntes Maximalfolgenrauschen nach F. Williams, N. Sloane
"Pseudo-Random Sequences and Arrays", Proc IEEE, Vol. 64, 1976
Seiten 1715-1729, an, das ein sehr günstiges Verhältnis von
Nutz- zu Störsignal liefert. Diese Messsignale erfordern eine
Kreuzkorrelationsbildung des gemessenen Signals mit der
anregenden Maximalfolge (Korrelationsfilter, matched filter),
was softwaremäßig mit der effizienten "Schnellen Hadamard
Transformation" erfolgen kann, wie in J. Borish, J. Angell "An
Efficent Algorithm for measuring the Impulse Response Using
Pseudorandom Noise", J. Audio Eng. Soc., Vol. 31, No. 7, 1983
beschrieben. Das Ergebnis ist die Impuls- oder Stoßantwort des
Systems.
Die so bestimmte Impulsantwort hM2(t) besteht aus der
Überlagerung von einfallendem (Direktschall) und reflektiertem
Impuls und weiteren unerwünschten Rückwürfen (Bodenreflexion,
Rückwürfen von anderen Wänden)
hierbei beschreibt hM1(t) die Impulsantwort vom Lautsprecher
zum Mikrophon (es wird vorausgesetzt, dass das Mikrophon eine
kugelförmige Richtcharakteristik aufweist),
die
Summe der Störreflexionen inklusive Nachhall und r(t) ist die
inverse Fouriertransformierte des frequenzabhängigen
Reflexionsfaktors R(f). In Fig. 3 ist der Ausschnitt inklusive
der ersten Störreflexion aus einer solchen Impulsantwort
dargestellt.
Um den frequenzabhängigen Reflexionsfaktor zu bestimmen, muss
der Schalldruck der reflektierten Welle zu dem Schalldruck der
einfallenden Schallwelle ins Verhältnis gesetzt werden. Dies
erfordert die getrennte Kenntnis der beiden komplexen
Schalldrücke. Zu diesem Zweck wird vor der Wandmessung die
einfallende Schallwelle in Form der Impulsantwort hM1(t) durch
eine Quasi-Freifeld-Referenzmessung bestimmt. Diese kann vor
Ort vorgenommen werden, wenn durch die Messgeometrie
sichergestellt ist, dass die Störreflexionen ausgeblendet
werden können, ohne den Direktschallimpuls maßgeblich zu
beeinflussen (deshalb Quasi-Freifeld), also reflektierende
Flächen weit entfernt sind (mindestens ≈3 m). Das Ausblenden
geschieht durch Multiplikation der gemessenen Impulsantwort mit
einer auf diese zugeschnittenen Fensterfunktion (z. B.
Rechteckfenster).
Nach dieser für jede Messreihe nur einmal durchzuführenden
Referenzmessung wird die Anordnung gemäß Fig. 1 vor der
auszumessenden Wand positioniert. Bei der Wandmessung setzt
sich, wie erwähnt, der Schalldruck aus einfallender und reflek
tierter Welle zusammen. Nur die Störreflexionen (letzter Term
in Formel 1) werden herausgefenstert. Der reflektierte
Schallanteil wird durch laufzeitrichtige Subtraktion der beiden
im Rechner vorliegenden Messsignale erhalten.
h M3(t) = hM1(t) + hM1(t).r(t) - hM1(t) = hM1(t).r(t) (2)
Die korrekte. Subtraktion setzt bei der Freifeldmessung die
gleichen Übertragungsverhältnisse, einschließlich der exakten
Laufzeit vom Lautsprecher zum Mikrophon voraus wie bei der
eigentlichen Wandmessung. Um dies zu erreichen, kann man sich
gemäß der Erfindung und wie in Fig. 1 angedeutet, einer
Anordnung bedienen, bei der das Mikrophon und der
Messlautsprecher während der Messungen starr verbunden sind.
Starr bedeutet in diesem Zusammenhang, dass etwaige Positionie
rungsungenauigkeiten, welche beim Umstellen der Messanordnung
entstehen könnten, nur einen Bruchteil der minimal betrachteten
Wellenlänge betragen. Die mechanische Verbindung ist derart zu
gestalten, dass sie die Schallausbreitung vom Lautsprecher zum
Mikrophon im betrachteten Frequenzbereich nicht störend
beeinflusst (im Verhältnis zur Wellenlänge dünnes Gestänge).
Nach Transformation in den Frequenzbereich über eine "Schnelle
Fourier Transformation" (FFT) erhält man
H M3(f) = H M1(f)R(f) (3)
Die Übertragungseigenschaften der Lautsprecher - Mikrophon
Anordnung, welche in HM1(f) enthalten sind, werden durch
Division eliminiert und man erhält den frequenzabhängigen
Reflexionsfaktor R(f) (siehe auch Fig. 4).
H M3(f)/H M1(f) = R(f) (4)
Daraus lassen sich des weiteren die relevanten Größen
Absorptionsgrad und die akustische Impedanz ableiten. Die
Division bewirkt unmittelbar eine Kalibrierung und eine
Laufzeitkompensation.
Der Vorteil der Erfindung liegt in der Tatsache, dass die
Subtraktion eine Platzierung des Mikrophons unmittelbar vor der
Wand erlaubt. Zum einen werden dabei die als erstes
eintreffende störende Reflexion und die Wandreflexion relativ
zueinander zeitlich auseinander geschoben. Dies vergrößert das
Zeitfenster zum Herausfenstern der Störreflexionen, was sich
durch verbesserte Messergebnisse im tieffrequenten Bereich
äußert. Weiterhin ermöglicht die Platzierung des Mikrophons
unmittelbar vor der Wand, auch von 90° verschiedene Ein
fallswinkel unter Beibehaltung der Lautsprecher-Mikrophon
Anordnung zu erfassen. Der fest definierte Abstand zwischen
Lautsprecher und Mikrophon erlaubt eine weitgehende
Automatisierung der Auswertung.
Bei Wandflächen mit inhomogener Oberfläche ist es hingegen
zwecks einer gewissen Flächenmittelung der Messergebnisse
sinnvoll, das Mikrophon nicht unmittelbar vor der Wand zu
positionieren. In diesem Fall lässt sich weiterhin die Subtrak
tionsmethode anwenden. Jedoch muss die 1/r-Schalldruckdivergenz
und der Phasengang des Reflexionsfaktors über die
entsprechenden Laufzeiten korrigiert werden.
Eine zusätzliche Verbesserung des Messverfahrens bieten
Messsignale (z. B. Pseudorauschsignale), die exakt die inversen
Übertragungseigenschaften des Lautsprechers, des Mikrophons und
anderer beteiligter Systemkomponenten (z. B. Filter) enthalten.
Diese Messsignale können durch eine softwaremäßige digitale
Filterung generiert werden. Durch diese Maßnahme erreicht man,
dass der Direktschallimpuls ein linearphasiges
Bandpassverhalten aufweist (siehe Fig. 4). Durch die nur durch
ein digitales Filter zu erreichende Korrektur des Phasenverhal
tens des Lautsprechers (insbesondere Ausschwingen bei tiefen
Frequenzen) ist die resultierende Impulsantwort zeitlich
schneller hinreichend abgeklungen und störende Reflexionen
können früher eintreffen, um noch fehlerfrei ausgeblendet zu
werden.
Bei Positionierung des Mikrophons in einigen Zentimetern
Abstand vor der Wand und gleichzeitiger Verwendung von Pseudo-
Rauschsignalen, die die exakten inversen
Übertragungseigenschaften von Lautsprecher und Mikrophon
besitzen (dies setzt eine starre Verbindung zwischen
Lautsprecher und Mikrophon voraus), ist wie beschrieben der
Direktschallimpuls zeitlich sehr kurz. In diesem Fall kann der
Direktschall ebenfalls herausgefenstert werden. Der Vorteil des
Verfahrens besteht in der Vorentzerrung der Messsignale und der
zueinander starren Lautsprecher - Mikrophon Anordnung, welches
die genaue Vorentzerrung erst ermöglicht.
Das Verfahren lässt sich gemäß Fig. 6 auch als Rohrmessung
anwenden, wobei eine Probe eines bestimmten Materials vermessen
wird. In diesem Fall ist ein Rohrende reflexionsfrei
abgeschlossen; der Rohrdurchmesser darf nur die Ausbreitung
ebener Wellen im betrachteten Frequenzbereich erlauben. Bei der
Referenzmessung wird an das zweite Ende des Rohres ein fest
definierter Abschluss (z. B. schallhart) angebracht. Noch
günstiger ist es, das Rohr durch einen Rohraufsatz mit gleichem
Innendurchmesser zu verlängern und die Reflexion "abzusumpfen"
oder zeitlich gegenüber dem Direktschallimpuls (Referenzsignal)
nach hinten zu schieben. So ist ein Ausblenden der störenden
Reflexion möglich.
Bei der Probenmessung wird die Probe eingebracht und die
entsprechende Impulsantwort gemessen. Die weiteren Schritte
Subtraktion, Transformation in den Frequenzbereich und
Kalibrierung erfolgen wie beschrieben.
Claims (3)
1. Verfahren zur Bestimmung der frequenzabhängigen
Reflexionseigenschaften von Wandmaterialien mit Hilfe
einer vor der auszumessenden Wandfläche positionierten
Lautsprecher-Mikrofon Anordnung,
bei dem die Position des Mikrofons relativ zum Lautsprecher während der unten beschriebenen Verfahrensschritte unverändert bleibt,
bei dem Messsignale verwendet werden, die impulsförmige Signale sind, sich aus impulsförmigen Signalen zusammensetzen oder auf impulsförmige Signale zurückführbar sind,
bei dem die folgenden Schritte durchgeführt werden:
Ermittlung des einfallenden Schallsignals durch eine Quasi-Freifeld-Referenzmessung zur Erzeugung eines ersten digitalisierten Messsignals hM1(t),
Positionieren der Messanordnung vor der auszumessenden Wandfläche, Beschallen der Wandfläche mit den Messsignalen, Aufnahme des Schalls und Bestimmung des Schallsignals als zweites digitalisiertes Messsignal (hM2(t)), welches aus einfallendem Schall und an der auszumessenden Fläche reflektiertem Schall besteht
(hM1(t) + hM1(t).r (t)) Bestimmung des reflektierten Schallanteils (hM1(t).r(t)) durch laufzeitrichtige Subtraktion des ersten digitalisierten Messsignals nach folgender Gleichung
h M3(t) = h M1(t) + hM1(t).r(t) - hM1(t) = hM1(t).r(t),
Durchführen einer Fouriertransformation, des ersten und des reflektierten digitalisierten Messsignals (H M2(f), H M3(f)), Ermittlung des frequenzabhängigen Reflexionsfaktors (R(f)) nach folgender Gleichung H M3(f)/H M1(f) = R(f).
bei dem die Position des Mikrofons relativ zum Lautsprecher während der unten beschriebenen Verfahrensschritte unverändert bleibt,
bei dem Messsignale verwendet werden, die impulsförmige Signale sind, sich aus impulsförmigen Signalen zusammensetzen oder auf impulsförmige Signale zurückführbar sind,
bei dem die folgenden Schritte durchgeführt werden:
Ermittlung des einfallenden Schallsignals durch eine Quasi-Freifeld-Referenzmessung zur Erzeugung eines ersten digitalisierten Messsignals hM1(t),
Positionieren der Messanordnung vor der auszumessenden Wandfläche, Beschallen der Wandfläche mit den Messsignalen, Aufnahme des Schalls und Bestimmung des Schallsignals als zweites digitalisiertes Messsignal (hM2(t)), welches aus einfallendem Schall und an der auszumessenden Fläche reflektiertem Schall besteht
(hM1(t) + hM1(t).r (t)) Bestimmung des reflektierten Schallanteils (hM1(t).r(t)) durch laufzeitrichtige Subtraktion des ersten digitalisierten Messsignals nach folgender Gleichung
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Durchführen einer Fouriertransformation, des ersten und des reflektierten digitalisierten Messsignals (H M2(f), H M3(f)), Ermittlung des frequenzabhängigen Reflexionsfaktors (R(f)) nach folgender Gleichung H M3(f)/H M1(f) = R(f).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei spektral gewichtete
Messsignale verwendet werden, die die inversen komplexen
Übertragungseigenschaften (nach Betrag und Phase) des
Lautsprechers, des Mikrofons und eventuell anderer
beteiligter Systemkomponenten beinhalten.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Messanordnung
derart gestaltet ist, dass eine Materialprobe in einem
Wellenleiter (Rohr) gebracht wird.
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DE (1) | DE4329246C2 (de) |
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