EP3206414A1 - Mikrofonanordnung - Google Patents

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EP3206414A1
EP3206414A1 EP17155489.2A EP17155489A EP3206414A1 EP 3206414 A1 EP3206414 A1 EP 3206414A1 EP 17155489 A EP17155489 A EP 17155489A EP 3206414 A1 EP3206414 A1 EP 3206414A1
Authority
EP
European Patent Office
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microphone
microphones
arrangement according
signals
group
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17155489.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Kletschkowski
Rasmus Rettig
Dagmar Rokita
Friedrich Ueberle
Birgit Wendholt
Tobias Wenzel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hochschule fuer Angewandte Wissenschaften Hamburg
Original Assignee
Hochschule fuer Angewandte Wissenschaften Hamburg
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Filing date
Publication date
Application filed by Hochschule fuer Angewandte Wissenschaften Hamburg filed Critical Hochschule fuer Angewandte Wissenschaften Hamburg
Publication of EP3206414A1 publication Critical patent/EP3206414A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
    • H04R1/32—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only
    • H04R1/40—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only by combining a number of identical transducers
    • H04R1/406—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only by combining a number of identical transducers microphones
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R3/00—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R3/005—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones for combining the signals of two or more microphones
    • H—ELECTRICITY
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2410/00—Microphones
    • H04R2410/05—Noise reduction with a separate noise microphone

Definitions

  • the invention relates to a microphone arrangement, in particular a multi-channel, synchronous measurement technique for airborne and structure-borne noise. Can be used, the microphone assembly for the realization of an acoustic camera with a distributed multi-sensor microphone system. Moreover, the invention also makes it possible to realize adaptive systems, e.g. for noise reduction.
  • the DE10304215A1 - “Method and apparatus for imaging of acoustic objects and a corresponding computer program product and a corresponding computer-readable storage medium” describes the construction of an acoustic camera with a central data recorder, a calibration tester and a PC with different analysis and visualization options.
  • the US2014 / 0241548 - “Acoustic Sensor Apparatus and acoustic camera for using MEMS microphone array” describes an acoustic camera made of MEMS microphones in an arrangement on a printed circuit board.
  • the US 5193117 - “Microphone Apparatus” describes a construction with two microphones each with a ball characteristic, which are used by temporal shift and overlay to reduce background noise.
  • a method and a device for determining acoustic properties of a vehicle interior are known.
  • the method combines structure-borne sound information with simultaneously determined sound pressure information of the vehicle interior, wherein the sound pressure information is detected by means of a beam-forming microphone array in the far field and / or by means of an intensity measuring device in the near field.
  • a very high degree of detection in the determination of a sound radiation distribution in the vehicle interior is realized over a broad medium frequency range with simultaneous knowledge of a body sound introduction.
  • the aim of this linkage is a three-dimensional sound pressure mapping, which allows to carry out a transmission path analysis.
  • the invention has for its object to provide a microphone assembly, which is particularly suitable to achieve undisturbed results in the measurement of airborne sound.
  • microphones These convert airborne sound into an electrical signal, typically into an electrical voltage. According to the prior art, this signal is amplified and then further processed or digitized directly in the microphone and transmitted digitally.
  • microphones also convert structure-borne noise into an electrical signal which is superimposed on the actual measured variable as a disturbance. In order to minimize these disturbances, microphones are usually built up isolated against structure-borne noise, eg by integration into one vibration-damping mount or by suspension on the ceiling (eg concert halls).
  • the microphone arrangement according to the invention has at least one microphone for measuring airborne sound and an evaluation unit for storing the measured microphone signals.
  • the storage of the microphone signals is important for applications in which, for example, a spatial resolution of sound sources is to take place.
  • an acceleration sensor is provided which detects a structure-borne noise for the microphone.
  • the evaluation unit is designed to eliminate a component of the microphone signals that goes back to the structure-borne noise. When calculating, the recorded microphone signals are scaled and subtracted from the structure-borne noise. The aim of the calculation is to reduce the influence of structure-borne noise on the microphone signals.
  • a field (array) of microphones is provided, the microphone signals are evaluated in a conventional manner by the evaluation to an acoustic image.
  • the microphones may, for example, be a microphone according to MEMS technology (microelectromechanical system).
  • MEMS microphones may be a small distance apart that is small relative to a mean wavelength of the incoming airborne sound. So information about the intensity of airborne sound can be recorded very accurately.
  • a first group evaluation unit is provided for a first group of microphones and a second group evaluation unit for a second group of microphones.
  • First and second group evaluation unit provide the received microphone signals each with time stamps and cause a further evaluation.
  • the core idea for the use of group evaluation units is that which is necessary for signal processing Already apply computational power to subgroups of data, not the entirety of the data. Furthermore, the amount of data exchanged between the group evaluation units and a central unit can be reduced, for example by lossless compression.
  • further group evaluation units can be provided for further groups of microphones. The assignment of the signals of the acceleration sensors is preferably carried out here for the microphones grouped in the groups.
  • the group evaluation units are preferably synchronized with each other with the evaluation unit of the microphone arrangement.
  • the evaluation unit may be a microcontroller and / or an FPGA unit as well as a memory for the microphone signals and for the signals of the acceleration sensors to the structure-borne sound.
  • each of the microphones is equipped with an acceleration sensor, which is installed together with the microphone.
  • the acceleration sensor may be integrated in the housing or even on a circuit board of the microphone.
  • further sensors are provided for the microphone arrangements, which allow a position determination or a determination of the orientation for the microphone arrangement. The position determination can help with an evaluation of the sound signals.
  • An important idea of this invention is to integrate a pick-up for structure-borne noise (ie an acceleration sensor) together with the acoustic microphone in a mechanical unit and so perform an electronic compensation, ie removal of the structure-borne sound signal.
  • an arithmetic unit ie a microcontroller or an FPGA
  • an analog circuit such as a differential amplifier, may be used.
  • the acceleration sensor may be single or multi-axis.
  • the preferably integrated in the microphone arithmetic unit can also compress these signals in addition to the compensation of interference signals and provided with time stamps, so that they can be synchronized with the signals of other microphone units in the aftermath.
  • the additional recording of the signal of an acceleration sensor can also record very low frequencies that an acoustic microphone can no longer detect (infrasound).
  • acoustic microphone with at least one single- or multi-axis acceleration sensor and a programmable arithmetic logic unit with non-volatile memory in the microphone arrangement is envisaged.
  • MEMS microelectromechanical system
  • the microphone and the acceleration sensor can also be produced in a MEMS process. This is in illustration 1 shown.
  • the advantage of the use of highly integrated sensors lies in particular in the increased robustness of the sensors and the measuring method, lower sensitivity to external disturbances and a simplified performance of acoustic measurements.
  • the sensor modules according to the invention offer a considerable potential to reduce costs for this measurement technology by a factor of 100 to 1000 and to realize adaptive systems.
  • the measuring microphones are set up stationary and generates an acoustic reference pulse at a known position.
  • an algorithm it is concluded from the arrival of the pulse at each microphone or from the phase position of the acoustic oscillations to the position of the microphones, which are usually arranged in a fixed arrangement, e.g. circular or arranged on a tripod.
  • Another embodiment of this invention integrates further sensors in the microphone array:
  • the integration of a compass allows the measurement of the exact orientation in space during the measurement. This allows the orientation of the microphones to be recorded during the measurement. This allows acoustic measurements on a non-stationary platform, such as on a ship (at sea).
  • the integration of a rotation rate sensor allows an improved determination of the orientation of the microphone.
  • a rangefinder which determines the distance to the examined, sound-emitting object, for example by transit time measurement of a time-modulated laser beam.
  • an integrated microphone unit allows an improvement of the frequency and phase response:
  • a first microphone is combined with a second, different type of microphone.
  • a microphone for measuring audible sound f ⁇ 20kHz
  • a second microphone for measuring ultrasound f> 20kHz.
  • both signals are superimposed time synchronously, so that a particularly broadband microphone unit is created.
  • the second, closely spaced microphone it is also possible to measure the pressure gradient and the sound intensity.
  • all computing units B transfer their measured data with a time stamp to a central processing unit C, on which the overall measurement is then evaluated.
  • the structure can be extended modularly by adding further arithmetic units B or possibly supplemented by cascading.
  • a key advantage lies in the fact that the merging of all channels can take place offline in the arithmetic unit C at the end. The difficult technical task of synchronizing a measuring system with several hundred channels is thus reduced to the synchronization of the computing units B with each other.
  • the arithmetic units B can continue to pre-process the measured signals, for example by compensation, correction of offsets or even compression, in order to then only process the preprocessed data to the central processor To transfer arithmetic unit C.
  • the arithmetic units B can already perform a preprocessing of the measured data of the microphones.
  • the computing units B are group evaluation units which evaluate signals of a group of microphones.

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Abstract

Mikrofonanordnung mit mindestens einem Mikrofon zur Messung von Luftschall und einer Auswerteeinheit zur Speicherung der gemessenen Mikrofonsignale, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beschleunigungssensor vorgesehen ist, der einen Körperschall für das Mikrofon erfasst, wobei die Auswerteeinheit ausgebildet ist, um einen auf den Körperschall zurückgehenden Anteil der Mikrofonsignale herauszurechnen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Mikrofonanordnung, insbesondere eine vielkanalige, synchrone Messtechnik für Luft- und Körperschall. Eingesetzt werden kann die Mikrofonanordnung für die Realisierung einer akustischen Kamera mit einem verteilten Multisensor-Mikrofonsystem. Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung auch die Realisierung von adaptiven Systemen z.B. zur Geräuschminderung.
  • Das Dokument "Mit den Augen hören - acustic camera", GFAI / Gesellchaft für angewandte Informatik, Berlin beschreibt unterschiedliche Anwendungen für eine akustische Kamera. Explizit wird eingegangen auf ortsaufgelöste Untersuchungen von Schallemissionen von Windenergieanlagen, Baufahrzeugen, Automobilen, Fluggeräten, Industrieanlagen sowie Nähmaschinen.
  • Die DE10304215A1 - "Verfahren und Vorrichtung zur bildgebenden Darstellung von akustischen Objekten sowie ein entsprechendes Computerprogramm-Erzeugnis und ein entsprechendes computerlesbares Speichermedium" beschreibt den Aufbau einer akustischen Kamera mit einem zentralen Datenrekorder, einem Kalibriertester sowie einem PC mit unterschiedlichen Analyse- sowie Visualisierungsmöglichkeiten.
  • Die US2014/0241548 - "Acoustic Sensor Apparatus and acoustic camera for using MEMS microphone array" beschreibt eine akustische Kamera aus MEMS-Mikrofonen in einer Anordnung auf einer Leiterplatte.
  • Die US 5193117 - "Microphone Apparatus" beschreibt einen Aufbau mit zwei Mikrofonen jeweils mit einer Kugelcharakteristik, die durch zeitliche Verschiebung und Überlagerung zur Reduzierung von Hintergrundgeräuschen genutzt werden.
  • Aus DE 10 2013 005 405 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung von Akustikeigenschaften eines Fahrzeuginnenraums bekannt. Bei dem Verfahren werden Körperschallinformationen mit gleichzeitig ermittelten Schalldruckinformationen des Fahrzeuginnenraums verknüpft, wobei die Schalldruckinformation mittels eines Beamforming-Mikrofon-Arrays im Fernfeld und/oder mittels einer Intensitätsmessvorrichtung im Nahfeld erfasst wird. Ein sehr hoher Detektionsgrad bei der Ermittlung einer Schallabstrahlungsverteilung im Fahrzeuginnenraum wird über einen breiten mittleren Frequenzbereich bei gleichzeitiger Kenntnis einer Körperschalleinleitung realisiert. Ziel dieser Verknüpfung ist eine dreidimensionale Schalldruckkartierung, die es erlaubt, eine Übertragungsweganalyse durchzuführen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mikrofonanordnung bereitzustellen, die im besonderen Maße dazu geeignet ist, bei der Messung von Luftschall ungestörte Ergebnisse zu erzielen.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Mikrofon-Anordnung mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche entsprechen vorteilhaften Ausgestaltungen.
  • Die Messung von Luftschall wird nach dem Stand der Technik mit Mikrofonen durchgeführt. Diese wandeln Luftschall in ein elektrisches Signal, typischerweise in eine elektrische Spannung. Nach dem Stand der Technik wird dieses Signal verstärkt und dann weiter verarbeitet oder direkt im Mikrofon digitalisiert und digital übertragen. Mikrofone wandeln jedoch neben dem zu messenden Luftschall auch Körperschall in ein elektrisches Signal, welches der eigentlichen Messgröße als Störung überlagert wird. Um diese Störungen zu minimieren, werden Mikrofone meist gegen Körperschall isoliert aufgebaut, z.B. durch Integration in eine schwingungsdämpfende Halterung oder durch Aufhängung an der Decke (z.B. Konzerthallen).
  • Die erfindungsgemäße Mikrofon-Anordnung weist mindestens ein Mikrofon zur Messung von Luftschall und eine Auswerteeinheit zur Speicherung der gemessenen Mikrofon-Signale auf. Die Speicherung der Mikrofon-Signale ist für Anwendungen, bei denen beispielsweise eine örtliche Auflösung von Schallquellen erfolgen soll, wichtig. Bei der erfindungsgemäßen Mikrofon-Anordnung ist ein Beschleunigungssensor vorgesehen, der einen Körperschall für das Mikrofon erfasst. Die Auswerteeinheit ist erfindungsgemäß dazu ausgebildet, um einen auf den Körperschall zurückgehenden Anteil der Mikrofon-Signale herauszurechnen. Beim Herausrechnen werden die aufgezeichneten Mikrofon-Signale skaliert und vom Körperschall subtrahiert. Ziel des Herausrechnens ist es, den Einfluss von Körperschall auf die Mikrofon-Signale zu reduzieren. Bevorzugt ist ein Feld (Array) von Mikrofonen vorgesehen, deren Mikrofon-Signale in an sich bekannter Weise von der Auswerteeinheit zu einem akustischen Bild ausgewertet werden. Bei den Mikrofonen kann es sich beispielsweise um ein Mikrofon nach MEMS-Technologie (Mikro-elektromechanisches System) handeln. Darüber hinaus können MEMS-Mikrofone einen geringen Abstand zueinander besitzen, der klein relativ zu einer mittleren Wellenlänge des eintreffenden Luftschalls ist. So können Informationen zur Intensität des Luftschalls besonders genau aufgezeichnet werden.
  • Bevorzugt ist eine erste Gruppenauswerteeinheit für eine erste Gruppe von Mikrofonen vorgesehen und eine zweite Gruppenauswerteeinheit für eine zweite Gruppe von Mikrofonen. Erste und zweite Gruppenauswerteeinheit versehen die empfangenen Mikrofon-Signale jeweils mit Zeitstempeln und veranlassen eine weitergehende Auswertung. Kerngedanke zur Verwendung von Gruppenauswerteeinheiten ist es, die für die Signalverarbeitung notwendige Rechenleistung bereits auf Untergruppen von Daten anzuwenden und nicht auf die Gesamtheit der Daten. Weiterhin kann hierdurch die zwischen den Gruppenauswerteeinheiten und einer Zentraleinheit ausgetauschte Datenmenge z.B. durch verlustfreie Kompression reduziert werden. Zweckmäßigerweise können weitere Gruppenauswerteeinheiten für weitere Gruppen von Mikrofonen vorgesehen sein. Die Zuordnung der Signale der Beschleunigungssensoren erfolgt hierbei bevorzugt ebenfalls für die in den Gruppen zusammengefassten Mikrofone. Für eine bessere Auswertung der Signale sind die Gruppenauswerteeinheiten bevorzugt untereinander mit der Auswerteeinheit der Mikrofonanordnung synchronisiert. Als Auswerteeinheit können ein Mikrocontroller und/oder eine FPGA-Einheit sowie ein Speicher für die Mikrofon-Signale und für die Signale der Beschleunigungssensoren zu dem Körperschall vorgesehen sein. Zweckmäßigerweise ist jedes der Mikrofone mit einem Beschleunigungssensor ausgestattet, der gemeinsam mit dem Mikrofon verbaut ist. Je nach Bauweise des Mikrofons kann der Beschleunigungssensor in das Gehäuse oder sogar auf eine Schaltungsplatine des Mikrofons integriert sein. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind für die Mikrofon-Anordnungen weitere Sensoren vorgesehen, die eine Positionsbestimmung oder eine Bestimmung der Ausrichtung für die Mikrofon-Anordnung erlauben. Die Positionsbestimmung kann bei einer Auswertung der Schallsignale helfen.
  • Eine wichtige Idee dieser Erfindung liegt darin, einen Aufnehmer für Körperschall (d.h. einen Beschleunigungssensor) gemeinsam mit dem akustischen Mikrofon in eine mechanische Einheit zu integrieren und so eine elektronische Kompensation, d.h. Entfernung des Körperschallsignals durchzuführen. Hierzu wird weiterhin eine Recheneinheit (d.h. ein Microcontroller oder ein FPGA) integriert, die beide Signale synchron aufnimmt und bevorzugt digital voneinander abzieht. Alternativ hierzu kann eine analoge Schaltung, wie z.B. ein Differenzverstärker, verwendet werden. Der Beschleunigungssensor kann ein- oder mehrachsig ausgeführt sein. Besonders vorteilhaft ist die beschriebene Erfindung unter Verwendung von mikromechanischen Sensoren, die durch ihre geringe Größe, ihr geringes Gewicht, ihre hohe Robustheit sowie ihren geringen Preis Vorzüge gegenüber feinmechanischen Sensoren bieten. Die bevorzugt im Mikrofon integrierte Recheneinheit kann darüber hinaus neben der Kompensation von Störsignalen diese Signale auch komprimieren und mit Zeitstempeln versehen, sodass diese im Nachgang mit den Signalen anderer Mikrofoneinheiten synchronisiert werden können. Ergänzend können durch die zusätzliche Aufzeichnung des Signals eines Beschleunigungssensors auch sehr niedrige Frequenzen aufgezeichnet werden, die ein akustisches Mikrofon nicht mehr detektieren kann (Infraschall).
  • Vorgesehen ist, die Integration mindestens eines akustischen Mikrofons mit mindestens einem ein- oder mehrachsigen Beschleunigungssensor sowie einer programmierbaren Recheneinheit mit nicht-flüchtigem Speicher in die Mikrofonanordnung. Hierbei ist der Einsatz hochintegrierter Sensorik, die meist als mikroelektromechanisches System (MEMS) realisiert wird, vorteilhaft. Grundsätzlich kann auch das Mikrofon und der Beschleunigungssensor in einem MEMS-Prozess hergestellt werden. Dieses ist in Abbildung 1 dargestellt.
  • Vorteil des Einsatzes hochintegrierter Sensorik liegt insbesondere in einer erhöhten Robustheit der Sensorik und des Messverfahrens, geringeren Empfindlichkeit gegen externe Störungen sowie einer vereinfachten Durchführung akustischer Messungen. Darüber hinaus bieten die erfindungsgemäßen Sensormodule ein erhebliches Potenzial, Kosten für diese Messtechnik um einen Faktor 100 bis 1000 zu reduzieren sowie adaptive Systeme zu realisieren.
  • Für gewisse Anwendungen, wie z.B. dem Einsatz in einer akustischen Kamera oder einem anderen Vielkanal-Messverfahren ist es vorteilhaft, die Position oder Ausrichtung des jeweiligen Mikrofons exakt und zeitgleich zur Messung zu erfassen. Über die Position hinaus können lokal am Mikrofon gemessene Größen, wie z.B. die Temperatur oder der Absolutdruck vorteilhaft sein.
  • Nach dem Stand der Technik (Beispiel akustischen Kamera) werden hierzu die Messmikrofone stationär eingerichtet und ein akustischer Referenzpuls an einer bekannten Position erzeugt. Mittels eines Algorithmus wird aus dem Eintreffen des Pulses an jedem Mikrofon oder aus der Phasenlage der akustischen Schwingungen auf die Position der Mikrofone geschlossen, die meist in einer festgelegten Anordnung z.B. kreisförmig oder auf einem Dreibein angeordnet sind.
  • Eine weitere Ausprägung dieser Erfindung integriert weitere Sensoren in der Mikrofonanordnung: Die Integration eines Kompass erlaubt die Messung der exakten Ausrichtung im Raum während der Messung. Hierdurch kann die Ausrichtung der Mikrofone während der Messung aufgenommen werden. Dies ermöglicht akustische Messungen auf einer nicht ortsfesten Plattform, wie z.B. auf einem Schiff (bei Seegang). In einer weiteren Ausprägung erlaubt die Integration eines Drehratensensors eine verbesserte Bestimmung der Orientierung des Mikrofons.
  • Eine weitere Messgröße, die vorteilhaft in der beschriebenen Mikrofonanordnung integriert wird ist ein Entfernungsmesser, der beispielsweise durch Laufzeitmessung eines zeitlich modulierten Laserstrahls, den Abstand zum untersuchten, Schall-abstrahlenden Objekt bestimmt.
  • Bevorzugt ist die Integration mindestens eines akustischen Mikrofons mit mindestens einem ein- oder mehrachsigen Beschleunigungssensor sowie einer programmierbare Recheneinheit mit nicht-flüchtigem Speicher sowie weiterer, unabhängiger Sensoren z.B. zur Bestimmung der Drehrate, der Orientierung (Kompass), des Drucks, der Temperatur oder des Abstands zum Messobjekt vorgesehen.
  • In einer besonderen Ausführungsform erlaubt eine integrierte Mikrofoneinheit eine Verbesserung des Frequenz- und Phasengangs: Ein erstes Mikrofon wird mit einem zweiten, andersartigen Mikrofon kombiniert. So kann beispielsweise ein Mikrofon für die Messung von hörbarem Schall (f<20kHz) mit einem zweiten Mikrofon zur Messung von Ultraschall (f>20kHz) kombiniert werden. In der Recheneinheit werden beide Signale zeitsynchron überlagert, so dass eine besonders breitbandige Mikrofoneinheit entsteht. Durch den Einsatz des zweiten, in geringem Abstand angebrachten Mikrofones ist auch die Messung des Druckgradienten und der Schallintensität möglich.
  • Eine weitere technische Herausforderung besteht in der zeitsynchronen Aufnahme einer großen Zahl von Einzelmikrofonen. Nach dem Stand der Technik akustischer Kameras werden typischerweise 30....100 analoge Signale parallel zu einem Datenrekorder geführt, der diese Signale digitalisiert und synchron aufzeichnet. Hier bietet ein weiterer Aspekt dieser Erfindung signifikante Vorteile durch erheblich reduzierten Aufwand in Verkabelung und Kosten:
    • Die Daten von mindestens zwei bis typisch 30 Mikrofonen werden in einer autark arbeitenden Recheneinheit B zeitsynchron zusammengeführt und mit Zeitstempeln versehen sowie zwischengespeichert. Mehrere dieser Recheneinheiten B synchronisieren sich wiederum vor Beginn einer Messung, z.B. über ein Netzwerk. Alle Messdaten werden mit einem Zeitstempel entweder zu Beginn einer Messung (bei Abtastung mit konstanter Abtastrate) oder mit jedem aufgenommenen Messwert (bei variabler Abtastrate) aufgezeichnet und zwischengespeichert.
  • Abbildung 2 zeigt den Aufbau gemäß dieser Erfindung.
    Die Recheneinheiten B können über die Aufzeichnung hinaus eine Vorverarbeitung der Messdaten vornehmen, wie z.B.
    • Entfernung von Störungen durch Filterung
    • Entfernung von Offsets der aufgezeichneten Sensordaten
    • Mathematische Operationen (z.B. Addieren, Subtrahieren, Multiplizieren, Dividieren, Korrelation) der Sensorsignale untereinander
    • Bestimmung von Laufzeitunterschieden (d.h. Unterschieden im Zeitpunkt der Aufnahme einer bestimmten akustischen Signatur zwischen unterschiedlichen Multisensor-Mikrofonen)
    • Korrektur des Phasengangs der Mikrofone
    • Korrektur des Frequenzgangs der Mikrofone
    • Verzögerung und Addition ("Delay and Sum") der Messdaten der einzelnen Mikrofone
  • Am Ende eines Messzyklus überspielen alle Recheneinheiten B ihre Messdaten mit Zeitstempel an eine zentrale Recheneinheit C, auf der die Gesamt-Messung dann ausgewertet wird. Der Aufbau kann modular durch Hinzufügen weiterer Recheneinheiten B erweitert werden oder ggf. durch Kaskadierung ergänzt werden. Ein Kernvorteil liegt darin, dass das Zusammenführen aller Kanäle am Ende offline in der Recheneinheit C erfolgen kann. Die schwierige technische Aufgabe der Synchronisierung eines Messsystems mit mehreren einhundert Kanälen wird damit reduziert auf die Synchronisation der Recheneinheiten B untereinander.
  • Die Recheneinheiten B können die gemessenen Signale weiterhin bereits vorverarbeiten, z.B. durch Kompensation, Korrektur von Offsets oder auch Kompression, um dann nur noch die vorverarbeiteten Daten an die zentrale Recheneinheit C zu übertragen. Für die Realisierung einer akustischen Kamera können die Recheneinheiten B bereits eine Vorverarbeitung der Messdaten der Mikrofone durchführen. Bei den Recheneinheiten B handelt es sich um Gruppenauswerteeinheiten, die Signale einer Gruppe von Mikrofonen auswerten.
    • Bezugszeichenliste
    • (1)
    Mikrofon 1
    (2)
    Optional: andersartiges Mikrofon 2
    (3)
    Beschleunigungssensor
    (4)
    optional: weitere Sensor Elemente (Kompass, Drehrate, Druck, ...)
    (5)
    Recheneinheit
    (6)
    nicht-flüchtiger Speicher
    (7)
    elektrische Schnittstelle / Netzwerkschnittstelle
    (8)
    Schnittstelle zum Mikrofonmodul
    (9)
    Recheneinheit mit Microcontroller und ggf. FPGA
    (10)
    nichtflüchtiger Speicher
    (11)
    Netzwerkschnittstelle
    (12)
    opt. drahtloses Netzwerk
    (13)
    (Zentrale) Recheneinheit
    (14)
    Netzwerkschnittstelle
    (15)
    opt. drahtloses Netzwerk
    (16)
    nichtflüchtiger Speicher
    (17)
    Mikrofon
    (18)
    Datenrekorder
    (19)
    PC mit Computerprogramm
    Beispiele für die Erfindung sind:
    1. 1. Multisensor-Mikrofon bestehend aus mindestens einem Mikrofon, einem Sensor für Körperschall und einer Recheneinheit, einem nichtflüchtigen Speicher sowie einer bevorzugt digitalen Schnittstelle
    2. 2. Multisensor-Mikrofon nach Nummer 1, wobei die verwendeten Sensoren Körperschall mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sind
    3. 3. Multisensor-Mikrofon nach Nummer 1 oder 2, wobei weitere Sensoren, wie z.B. Drehraten, Absolutdruck, Magnetfeldsensoren (Kompass) oder Abstandssensoren in das Multisensor-Mikrofon integriert sind
    4. 4. Multisensor-Mikrofon nach Nummer 1 oder 2, wobei weitere andersartige Mikrofone z.B. für einen erweiterten Frequenzbereich integriert sind
    5. 5. Multisensor-Mikrofon nach Nummer 1 oder 2, wobei weitere identische Mikrofone in das Multisensor-Mikrofon integriert sind
    6. 6. Multisensor-Mikrofon nach Nummer 4 oder 5, wobei die Abstände zwischen den Mikrofonen klein gegenüber der mittleren Wellenlänge des zu untersuchenden Signals sind
    7. 7. Verteiltes, synchrones Multisensor-Mikrofon-System bestehend aus Mikrofonen nach den Nummern 1-6, wobei mindesten 2 Multisensor-Mikrofone mit jeweils einer autarken Aufnahmeeinheit verbunden sind, die alle verbundenen Mikrofone zeitsynchron und mit einem Zeitstempel aufzeichnet sowie weitere Aufnahmeeinheiten angeschlossenen Mikrofonen, die sich vor einer Messung untereinander automatisch synchronisiert haben
    8. 8. Aufnahmeeinheit nach Nummer 7, wobei diese bevorzugt aufgebaut ist aus einem Mikrocontroller mit einem Field-Programmalbe-Gate-Array (FPGA) sowie einem Speichermedium für das Zwischenspeichern größerer Datenmengen.
    9. 9. Verteiltes, synchrones Multisensor-Mikrofon-System mit autarken Aufnahmeeinheiten nach den Nummern 7-8, die eine Vorverarbeitung der aufgenommenen Sensordaten vornehmen.
    10. 10. Verteiltes, synchrones Multisensor-Mikrofon-System mit autarken Aufnahmeeinheiten nach den Nummern 7-9, die eine Analyse der aufgenommenen Sensordaten vornehmen und Laufzeitunterschiede eines akustischen Signals zwischen den Multisensor-Mikrofonen bestimmen
    11. 11. Verteiltes, synchrones Multisensor-Mikrofon-System nach den Nummern 7-9, wobei die aufgenommenen Messdaten einschließlich ihres Zeitstempels nach Abschluss der Messung an eine zentrale Recheneinheit übertragen werden.
    12. 12. Verteiltes, synchrones Multisensor-Mikrofon-System nach den Nummern 7-11, wobei die Messdaten zur Ansteuerung eines Aktors, wie z.B. eines Lautsprechers zur Erzeugung von Gegenschall verwenden werden.

Claims (11)

  1. Mikrofonanordnung mit mindestens einem Mikrofon zur Messung von Luftschall und einer Auswerteeinheit zur Speicherung der gemessenen Mikrofonsignale, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beschleunigungssensor vorgesehen ist, der einen Körperschall für das Mikrofon erfasst, wobei die Auswerteeinheit ausgebildet ist, um einen auf den Körperschall zurückgehenden Anteil der Mikrofonsignale herauszurechnen.
  2. Mikrofonanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Feld von Mikrofonen vorgesehen ist, deren Mikrofonsignale von der Auswerteeinheit zu einem akustischen Bild ausgewertet werden.
  3. Mikrofonanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrofone, insbesondere als MEMS-Mikrofone ausgebildet, einen Abstand zueinander besitzen, der klein relativ zu einer mittleren Wellenlänge des eintreffenden Luftschalls ist.
  4. Mikrofonanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Gruppenauswerteeinheit einer ersten Gruppe von Mikrofonen und eine zweite Gruppenauswerteeinheit einer zweiten Gruppe von Mikrofonen zugeordnet ist, wobei die erste und zweite Gruppenauswerteeinheit jeweils die Mikrofonsignale der ihnen zu geordneten Mikrofone mit Zeitstempeln versehen und auswerten.
  5. Mikrofonanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Gruppenauswerteeinheiten und weitere Gruppen von Mikrofonen vorgesehen sind.
  6. Mikrofonanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppenauswerteinheiten ausgebildet sind, um jeweils die Signale der Beschleunigungssensoren und der in der Gruppe zusammengefassten Mikrofone auszuwerten.
  7. Mikrofonanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppenauswerteeinheiten untereinander und mit der Auswerteinheit synchronisiert sind.
  8. Mikrofonanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit einen Mikrocontroller und/oder eine FPGA-Einheit sowie einen Speicher für die Mikrofonsignale und die Signale der Beschleunigungssensoren für den Körperschall aufweist.
  9. Mikrofonanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Mikrofone einen Beschleunigungssensor aufweist, der gemeinsam mit dem Mikrofon verbaut ist.
  10. Mikrofonanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Sensoren vorgesehen sind, die eine Positionsbestimmung für die Mikrofonanordnung erlauben.
  11. Mikrofonanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, , dadurch gekennzeichnet, dass weitere Sensoren vorgesehen sind, die lokal die Temperatur oder den Absolutdruck messen.
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