AT521132B1 - Device, system and method for the spatial localization of sound sources - Google Patents
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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.A device is described which comprises at least one first microphone (10) which is arranged movably, at least one second stationary microphone (11) and at least one sensor. The microphones can capture the sound waves emitted by acoustic sources and the sensor can capture spatial coordinates of the first microphone. Furthermore, a corresponding method and a system with the mentioned device are described.
Description
VORRICHTUNG, SYSTEM UND VERFAHREN ZUR RÄUMLICHEN LOKALISIERUNG VON SCHALLQUELLEN DEVICE, SYSTEM AND METHOD FOR SPATIAL LOCALIZATION OF NOISE SOURCES
TECHNISCHES GEBIET TECHNICAL AREA
[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. The present description relates to a device, a system and a method for the spatial localization of sound sources and is therefore assigned to the field of acoustic measurement technology.
HINTERGRUND BACKGROUND
[0002] Betreffend den einschlägigen Stand der Technik wird auf die Publikationen CN 104459625 A, JP 62-169069 A, und CN 108983148 A verwiesen. Regarding the relevant prior art, reference is made to the publications CN 104459625 A, JP 62-169069 A, and CN 108983148 A.
[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. [0003] The spatial localization of acoustic sound sources is an essential task in the quantification of noise and vibration characteristics of products in the automotive and aerospace sector as well as in the consumer electronics and industrial equipment sectors. This task is called Noise, Vibration, Harshness (NVH) testing in the product development process. In order to develop products that meet both regulatory and customer-relevant requirements with regard to noise limits and sound perception, NVH testing is essential and accordingly products must be measured with the appropriate reliability and accuracy. The location of sound sources is not only limited to products from the above-mentioned industrial sectors, but is also used in other areas, such as measuring ambient noise at the workplace, in public areas to identify sources of acoustic interference or in the acoustic evaluation of sound dimming in buildings. Users of systems for the spatial localization of acoustic sources include manufacturers of products from the above-mentioned industrial sectors, engineering service providers, building acousticians, construction companies and public institutions.
[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. [0004] In particular, the verification of regulatory requirements and desired sound qualities takes place relatively late in the product development process. At this point, product developers need easy-to-use and intuitive tools to help them analyze NVH issues and make decisions about how to meet product specifications. Similar problems can be found in the field of building acoustics in the in-situ verification of structural measures, quality monitoring in the manufacture of products and in the condition monitoring of machines and processes.
[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. So-called acoustic cameras are known from the prior art, with which acoustic sources can be visualized. Such acoustic cameras typically have a microphone array with a large number of microphones, which are arranged on a disc-shaped surface. The structure of such acoustic cameras is often complex and, in particular, a large number of microphones combined with powerful systems for parallel data acquisition and processing are usually required.
[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. The inventor has set himself the task of providing a device for spatial localization and visualization of acoustic sources and their visualization, which can, for example, provide intrinsic technical advantages in image quality compared to the prior art, especially in the area of contrast range , the local resolution and the maximum frequency of the sound sources that can be represented and is also particularly easy to handle and inexpensive to produce due to the reduced technical complexity.
ZUSAMMENFASSUNG SUMMARY
[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. The above object is achieved by the system according to claim 1, an apparatus according to claim 18 and the method according to claim 10. Various embodiments and further developments are the subject of the dependent claims.
[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. A device is described which comprises at least one first microphone, which is movably arranged, at least one second stationary microphone and at least one sensor. The microphones can capture the sound waves emitted by acoustic sources and the sensor can capture spatial coordinates of the first microphone.
[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. A system with a corresponding device is also described, which comprises a stationary data processing device on which the device is rotatably mounted about the axis of rotation. The data processing device can receive measurement data from the device and display acoustic source strengths of the object to be measured.
[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. A method according to an embodiment comprises the steps: providing a rotatably mounted device with at least one first microphone, which is movably arranged, and at least one second stationary microphone; rotating the device about an axis of rotation with the first microphone rotating and the second microphone remaining fixed; detecting, by the first and second microphones, sound waves emitted from an object to be measured and simultaneously detecting spatial coordinates of the first microphone; Calculation and mapping of source strengths of the sound-emitting object based on the recorded measurement data.
[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. The invention also describes a method and a device for imaging acoustically emitting objects by recording (i) acoustic variables of the sound field with a moving and a stationary sensor, (ii) path coordinates of the moving sensor and (iii) an optical image of the scene to be measured by a camera, as well as the recording of the data in an electronic unit that moves with the sensors and forwarding to a terminal for processing the data and displaying the results as a superimposition of the colour-coded acoustic image with the optically recorded image of the measured object.
[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. The devices described here can be used in a large number of applications, in particular for the verification of regulatory requirements and desired sound qualities of products from the automotive, aerospace, consumer electronics and industrial equipment sectors, but also in the field of building acoustics, quality monitoring in Manufacturing of products and condition monitoring of machines.
[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. The concepts described here for imaging acoustically emitting objects can be useful in various applications, for example because the measuring equipment is small compared to known systems with comparable performance and image quality based on a sensor array and beamforming technologies. The associated cost reduction makes the technology available to a wide range of users. The massive reduction in size and weight facilitates transportability and the reduced complexity reduces the set-up time for the measurement and increases operational reliability.
[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. In some applications, the concepts described here can be used to advantage since, compared to known sensor array and beamforming techniques, the amount of data to be processed is one to two orders of magnitude smaller, and thus the requirements for the hardware to be used for data acquisition and processing are significantly reduced and the result in the form of an image of acoustic sources can be calculated significantly faster.
KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF ILLUSTRATIONS
[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: The invention is explained in more detail below with reference to the examples shown in the figures. The illustrations are not necessarily to scale, and the invention is not limited to only the aspects illustrated. Rather, emphasis is placed on presenting the principles on which the invention is based. About the pictures:
[0016] Figur 1 illustriert anhand eines Blockschaltbildes ein Beispiel einer Methode zur Berechnung eines Abbilds von akustisch emittierenden Objekten basierend auf der Figure 1 illustrates an example of a method for calculating an image of acoustically emitting objects based on a block diagram
Messung akustischer Größen und gemessener Eigenschaften der Sensorbewegung. Measurement of acoustic quantities and measured properties of the sensor movement.
[0017] Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung in einer Vorderansicht (links, inkl. Blockschaltbild der Elektronikeinheit), sowie in einer Schnittdarstellung (rechts). Figure 2 shows a first embodiment of a device in a front view (left, including block diagram of the electronics unit), and in a sectional view (right).
[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). Figure 3 shows an alternative embodiment of the device in a front view (left, including block diagram of the electronics unit), a sectional view (middle) and a rear view (right, without housing cover and drive).
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DETAILED DESCRIPTION
[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. The present invention addresses the problem of the spatial localization of acoustic sources and is referred to in the literature as the "Direction of Arrival" (DoA) problem. It should be noted that the DoA problem and associated solutions can be relevant in almost any situation where the underlying physics is characterized by the propagation of waves, e.g. radar, sonar, seismology, wireless communications, radio astronomy, medical imaging , acoustics, etc. In the case of acoustics, the task is to reconstruct the direction or position of acoustic sources in relation to the position and orientation of the observing measuring system based on the measurement of physical variables of the sound field (e.g. using microphones).
[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. The measuring equipment and methods described here are combined in commercially available solutions with a video camera, a data recorder connected to sensors and a computer for implementing algorithms for reconstructing the acoustic image, see e.g. the system description in publication 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. The following physical variables and associated sensor technologies are considered in commercially available solutions for sound source localization: pressure (omnidirectional pressure microphone); Speed of sound (hot-wire microphone), sound intensity (two-microphone technology); refractive index air (laser Doppler vibrometer); Transverse Velocity of Reflecting Surfaces (Laser Doppler Vibrometer). The scientific literature also describes the measurement of the transverse velocity of an optically reflecting and acoustically transparent membrane using a laser Doppler vibrometer for the spatial localization of acoustic sources. Usually, the physical quantities recorded with the various sensor technologies are converted electrically, recorded digitally with corresponding one- or multi-channel data acquisition systems, pre-processed and finally fed into the actual measurement process.
[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. For further consideration, the methods are divided into a first group with several stationary, time-synchronized sensors (e.g. microphones), which is referred to in the literature as a sensor array, and a second group of methods with one or more moving, time-synchronized sensors make sense. Depending on the application, sensor arrays can have one, two or three-dimensional geometric configurations, e.g. linear, annular, cruciform, spiral, spherical, regularly or randomly distributed in a plane or volume. A variant in the form of a wheel with laterally offset spokes is described in publication US Pat. No. 7,098,865 B2 (original publication DK 174558 B1). The configuration of an array with regard to the distances between the sensors and the spatial extent of the array (aperture) is decisive for the achievable local resolution, the suppression of artefacts and the maximum detectable frequency content of the acoustic sources to be measured in all of the following methods.
[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 Beamforming refers to a signal processing technique that corrects the time offset due to the different runtime from the acoustic source to the respective sensor in the array based on the focus point in question in a first step and sums all time-corrected signals in a second step. The output signal of the beamforming algorithm
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. is thus amplified in its amplitude when acoustic signals come from the direction of the focus point under consideration or weakened when they come from other directions. Beamforming thus corresponds to spatial filtering of acoustic signals. The algorithmic linking of sensor signals in the manner described is also referred to as "Delay and Sum" or "Steered Response Power" (SRP) algorithm.
[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. The first step in the signal processing of the sensor signals, namely the temporal correction related to the focus point, can be replaced by a filter in order to optimize the ratio of received signal power to signal noise. The associated methods are called "superdirective beamforming" and "adaptive beamforming". The method can also be applied to moving acoustic sources, e.g. passing trains, automobiles or rotating objects in mechanical engineering.
[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. Acoustic holography in the near field (NAH - Near field Acoustic Holography) of sound-emitting objects generates an image of sound sources on a surface based on measurements with a sensor array with a chessboard-like arrangement of the sensors in a source-free area, the array being transverse to the Direction of propagation of the sound is aligned and should cover the majority of the radiating area. In the case of measurement with pressure microphones, the acoustic pressure in the source plane is determined by inverse Fourier transformation of the (two-dimensional) spatial Fourier transformation of the acoustic pressure distribution in the measurement plane (hologram plane) multiplied by a function that describes the phase shift from the hologram plane to any parallel , source-free planes describes. This calculation method makes it possible to reconstruct sound velocity and acoustic intensity using the Euler equation. The so-called patch NAH method addresses the problem of measuring large areas and structures, with the area to be measured being divided into smaller areas (patches). An extension of the NAH method is the NAH-based boundary element method (IBEM (Inverse Boundary Element Method) based NAH), in which the Helmholtz integral theory is applied to calculate the effect of acoustic sources on an envelope on points inside the volume under consideration . An approximation of the above methods is known in the literature as the "Helmholtz Equation, Least Squares" (HELS) method, where the acoustic field is approximated by allowable basis functions with a merit function related to the least square error.
[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. [0026] Time difference of arrival (TDOA) denotes a two-stage method in which, in a first step, the time delay between sensor signals of respectively locally adjacent sensor pairs is determined by means of cross-correlation for a sensor array. Knowing the pairs of time delays and the local position of the sensors, curves or surfaces are generated and the intersection of the curves or surfaces is determined as the estimated position of the sound source as a result of an optimization problem.
[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. The Multiple Signal Classifier (MUSIC) algorithm belongs to the group of subspace (subspace) methods and enables the identification of multiple, harmonic acoustic sources (narrow-band sources) with high spatial resolution. Based on a column-wise linear mapping consisting of so-called "steering" vectors, which map the signals from several a priori defined spatial sources at a certain point in time to the measurement signals of a sensor array at a certain point in time, the cross-correlation matrix of the sensor signals is broken down into mathematical Subspaces and eigenvalue calculation calculates the spatial spectrum of the source distribution. The peaks in the spectrum correspond to the directions from which the sound of the sources parameterized in the model arrives. ESPRIT (Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Technique) is an adaptation of the subspace method mentioned above with the aim of reacting less sensitively to variations in position, gain and phase errors of the sensors.
[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 The time-synchronized, spatial sampling of the sensor signals of a sensor array in circular form induces a Doppler effect in the synthesized signal. The discrete-time TeagerKaiser operator can be used to analyze the modulations and, in the plane case, to calculate the direction of the incoming sound analytically. The localization of several
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. Sources and thus the calculation of the spatial spectrum of the source distribution is realized by determining a probability density function based on the evaluation of individual time segments. Alternatively, the Center of Gravity algorithm can be used to reduce noise sensitivity and limitations in the actual usable frequency range.
[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. In the publication US Pat. No. 9,357,293 B2, a frequency domain method based on the sampling of microphone signals from virtually moving sub-apertures of a linear array with a large number of sensors is presented. Due to the movement of the sub-apertures at different speeds along the array, different signal overlays are generated depending on the frequency and the position of the acoustic sources. This information about the different mixing and signal energies in the frequency spectrum with different movements of the subapertures can be used to finally infer the position of acoustic sources at a certain frequency.
[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. In what is known as “light refractive tomography”, the change in the refractive index of the medium in which the sound field propagates is calculated using a laser scanning vibrometer along the laser beam, which is reflected on a rigid reflector. The alignment of the laser beam is transversal to the direction of propagation of the sound field. As an extension, computer tomographic methods can be used to reconstruct the sectional image of the acoustic field in the plane in which the change in refractive index is calculated.
[0031] Nachfolgend werden Verfahren mit einzelnen oder mehreren bewegten Sensoren zur Ausnutzung des Doppler Effekts diskutiert. Methods with one or more moving sensors for utilizing the Doppler effect are discussed below.
[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. By a priori known movement of an acoustic sensor on a circular path, a single acoustic source positioned in space with constant frequency and amplitude is localized by means of phase lock loop (PLL) demodulation of the phase modulation of the observed signal.
[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. [0033] According to publication US Pat. No. 2,405,281 A, the direction from which dominant acoustic or electromagnetic waves arrive can be identified based on the Doppler effect by means of a sensor moving on a circular path. Here, the measured bandwidth of the Doppler history of a harmonic source is at its maximum when the plane of rotation of the sensor is orthogonal to the receiving direction of the source. Further publications on the identification of individual, dominant acoustic sources by moving one or more microphones using the Doppler effect are EP 2 948 787 A1 and 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. The application of beamforming for the spatial filtering of a sensor array (with evenly distributed sensors) incident sound waves has the limitation that the maximum detectable (critical) frequency of acoustic sources is defined by the distance between two adjacent sensors of an array . The attempt to localize acoustic sources beyond this frequency leads to the generation of so-called "ghost images" in the reconstructed acoustic image and is also referred to in the literature as the spatial aliasing effect. The use of a sensor array with a fixed arrangement of sensors beyond the critical frequency and the associated suppression of spatial aliasing artifacts can be realized by spatial movement of the sensor array. The point spread function of the imaging system consisting of a sensor array moving on a circular path with constant angular velocity can be simulated using a delay and sum algorithm and the suppression of aliasing artifacts can be verified experimentally with a single harmonic sound source.
[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 As already mentioned at the beginning of this section, methods for locating sources or reflecting structures are also worth mentioning, which are not directly applied in acoustics, but whose underlying physics is characterized by the propagation of waves. For example, a synthetic aperture radar (SAR) can provide an image of a surface by using the electromagnetic field emitted by a
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. moving transmitter with known position is generated, is sampled. The movement of the transmitter relative to the surface induces a Doppler effect in the collocated receiver. By correlating the measured Doppler history, i.e. the time course of the Doppler frequency of the echo of an object from initially positive values to negative values, with so-called replicas (i.e. Doppler histories generated for each distance based on the knowledge of the movement of the transmitter as a result of point-like reflectors), an image of the scanned surface reconstructed with high resolution.
[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. The basic idea of the new concepts described here is to reduce the outlay on measuring equipment for acquiring sound field information to a minimum while at the same time improving the quality of the spatial imaging of acoustic sources, in particular with regard to the contrast range, the local resolution and the maximum frequency that can be represented. Measurement methods that require a sensor array have the inherent disadvantage of using a large number of sensors in order to achieve a usable spatial resolution with an acceptable contrast range and a sensible upper limit frequency.
[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. Both in beamforming and in acoustic holography, the local resolution is described by the aperture size of the array and the maximum frequency that can be displayed and the field of view by the distance between the sensors. An improvement in the local resolution thus requires an increase in the number of sensors on the measuring surface.
[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. The TDOA method only allows the identification of the most dominant source, and the MUSIC/ESPRIT methods show limitations in the number of identifiable sources, the upper limit of which is determined by the number of sensors used. For both TDOA and MUSIC/ESPRIT, measuring a sound field with an unknown number of acoustic sources can lead to misinterpretations. The DREAM (Discrete Representation Array Modelling) method requires several runs in order to characterize the signal spectrum of the acoustic sources in a first step and to finally determine the size and velocities of the subaperture of a linear array in a second step. Due to the sequential procedure for determining the configuration, the method cannot be used to measure individual acoustic events without a priori information.
[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. The light refractive tomography method mentioned presents the metrologist with the challenge of creating a vibration-free environment for the laser scanning vibrometer and the rigid reflector, since the change in the refractive index of the medium due to the sound field is typically several orders of magnitude below the vibration level of the causative source lies. As with beamforming and acoustic holography, an array of Laser Doppler vibrometers along the perimeter of the slice image to be reconstructed is necessary to achieve useful spatial resolution. Due to the complexity of the measuring equipment used, the outlay in terms of measuring equipment for realizing an array with laser Doppler vibrometers is orders of magnitude higher than for arrays with pressure or sound velocity sensors.
[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. The methods that use the demodulation of a phase modulation of the observed signal of a sensor moving in a circular motion usually only work for the identification of a harmonic source with constant amplitude and frequency or a dominant, stationary source.
[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 1 illustrates in a block diagram an example of a signal processing method that can be used in the exemplary embodiments described here to determine an image of sound-emitting objects (so-called acoustic images in which the sound pressure is e.g. color-coded). The exemplary embodiments described in more detail below each use a sensor (e.g. microphone) with a known, fixed position M, and one or more sensors moved along a circular path. In the present example, a moving microphone is considered whose, for example, circular or spiral-shaped movement is described by the time-dependent position M;(t). However, the trajectory M;(t) does not necessarily have to run along a circular path or a spiral path. In the case of circular or spiral trajectories, however, the instantaneous position M;(t) can be determined comparatively easily
mittels eines Winkelsensors (Drehwinkel-Encoder) ermitteln. determined using an angle sensor (angle of rotation encoder).
[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;,]. The following variables are considered as input variables of the method: (i) a reconstruction point R described by spatial coordinates in relation to a coordinate system whose origin is at location M i of the stationary sensor; (ii) the sensor signals of the moving first sensor (microphone signal p-(t)) and the stationary second sensor (microphone signal p,(£); (I) the movement M,;(t) of the first moving sensor described by spatial coordinates related to the coordinate system whose origin is at the location of the stationary sensor; (iv) the observation period T, which is defined by the complete scanning of the aperture (e.g. one revolution with a sensor guided on a circular path) and the temporal windowing of the time signals for the transformation determined in the frequency domain, and (v) the observed frequency band [F i , F i ,].
[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. In a first step, the time signal np, (ε) of the moving sensor at time t = 0 is propagated back in time to the reconstruction point R with the value tz, = d(R, M4)« = -0/c (back in time shifted), where d(R, M;) denotes the distance between the reconstruction point R and the position of the moving sensor and c denotes the propagation speed of disturbances in the medium under consideration (speed of sound). In a second step, the time signal p i (t + t i ) is shifted in time by a time-varying fractional delay filter with a variable time delay 271-6 i . The time-variable time delay ö, = ti + öt(M,) designates the time difference that the acoustic disturbance in the medium under consideration requires from the reconstruction point R to the location M, of the moving sensor. ort is a function of the position of the moving microphone M i . In a third step, as in the first step, the time signal is propagated back in time to the reconstruction point R (by the value 7.1). The resulting time signal A1(t) now represents an acoustic signal, which is radiated from a virtual sound source (acoustic monopole) at the reconstruction point R, and this time signal 5, (t) is then finally, in a fourth step, transferred to the location M, of the fixed sensor with time lag tT2 = d(R,M,)/c forward propagated (shifted forward in time), where d(R,M,) denotes the distance between the reconstruction point R and the position of the fixed sensor. For a source that is actually radiating at the reconstruction point R, the time-variable Doppler shifts caused by the movement Mı of the first sensor are compensated. The resulting time signal p i (£) is thus - for a radiating source in the reconstruction point R, the local mapping of the time signal p i (t) of the moving sensor to the position M i of the stationary sensor. Time signal contributions from sources that are actually radiating away from the reconstruction point R undergo additional Doppler shifts that vary over time.
[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 With the time signals p, (t) and p, (t) is now in the frequency domain, the coherence estimation Cp.5: (f) on the basis of the spectral power density functions P"".(f) and Pzz-(f) and the spectral cross power density function P z (f) determined, where
[Pop ML Pa (Pop Ef [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 -The estimated coherence Cn-(f) can now be multiplied by the spectral power density function P01 (f) and thus by integration for an observed frequency band -
definiert durch eine untere Frequenz Fi und eine obere Frequenz F, des betrachteten Frequenzbandes - gemäß defined by a lower frequency Fi and an upper frequency F, of the considered frequency band - according to
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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. be evaluated. The measure Q defined in this way corresponds to the contribution of the source radiating from the reconstruction point R in the frequency band [F i , F i ] to the signal power measured at the location M i of the fixed sensor. This contribution is related to the signal power at the reference point M (location of the stationary microphone) and can be specified in dB, for example.
Co f) = Co f) =
[0046] Während Figur 1 die Rekonstruktion der akustischen Quellstärke in einem Rekonstrukti[0046] While FIG. 1 shows the reconstruction of the acoustic source strength in a reconstruction
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. point R in space, this concept can be extended to an arbitrarily shaped surface by local discretization of the surface into a large number of reconstruction points and calculation of the acoustic source strengths in the respective discrete reconstruction points. Finally, the image of the calculated source strengths in the reconstruction points can be superimposed on an optically recorded image of the measurement scene (e.g. using a camera) in order to enable local assignment. In one exemplary embodiment, the surface on which the reconstruction points lie can be an image plane which, for example, lies at right angles to an axis of rotation about which the moving microphone rotates and which lies at a defined, specifiable distance from the stationary microphone.
[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. FIG. 2 shows a system for locating and imaging acoustic sources and their strength in a measurement scene with one or more sound sources. The system comprises a device, which is designed as a movable frame construction 100, and a stationary data processing device connected thereto, which can be a mobile device 20 (mobile device) with a camera 21 (e.g. a smartphone or a tablet PC). Other types of data processing devices capable of receiving and sending data over a wired or wireless communication link and displaying images may also be used.
[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. According to one embodiment, the frame structure 100 is rotatably mounted about a (stationary) axis 54 (axis 54 with axis of rotation A). The above-mentioned stationary microphone 11 (position Mn) is arranged in the center of the rotary movement, i.e. on the rotary axis A, whereas several (e.g. electronically multiplexed) microphones 10 are arranged along a longitudinal axis of the frame construction 100. The aforementioned longitudinal axis of the frame construction 100 is at right angles to the axis of rotation A, which is why the microphones 10 move on a circular path about the axis of rotation A when the frame construction 100 rotates about the axis 54 . An electronic unit 40 to which the microphones 10 and 11 are connected can also be arranged in the frame construction 100 . Instead of a rigid axle 54, a rotatable shaft with the axis of rotation A can also be used.
[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. For power supply, the electronic unit 40 can have a battery 49, which supplies the remaining components of the electronic unit with a supply voltage. The charging unit 44 is used to charge the battery 49. However, other forms of voltage supply are also possible. According to the example shown in Fig. 2, the electronics unit 40 further comprises (i) a (e.g. magnetic or optical) rotation angle encoder 16 for determining the angular position of the frame structure 100 with respect to the rotation axis A, (ii) a microphone amplifier 41 for the analog preamplification of the sensor signals p,(t) and p,(t) of the stationary microphone 10 and the moving microphone 11, (iii) a data acquisition device (analog-to-digital converter 42, memory 46) for digitizing and storing the sensor signals of the microphones 10 , 11 and the rotation angle encoder 16, (iv) an electronic multiplexer 45 for selecting the moving microphone 10 connected to a data acquisition device and (v) a module 47 for wireless transmission of the acquired data to the mobile device 20 for the purpose of further processing the Measurement data or analysis by the user. A microcontroller 43 controls the multiplexer 45, the analog/digital converter 42, the data flow and the data transmission. Other sensor systems can also be used to detect the spatial coordinates M, (t) of the moving microphones, such as systems comprising an angular velocity sensor and a three-axis acceleration sensor or motion tracking systems for directly detecting the movement.
[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, The mobile device 20 with an integrated camera 21 is aligned with its optical axis parallel to the axis of rotation A, wirelessly receives the digitized measurement data from the electronics unit 40 and sends them, for example, via a wireless network connection to a cloud computing service for calculation the acoustic imaging according to the method described above with reference to FIG. 1 and superimposes the result calculated (by the cloud computing service) with the optical image captured by the camera 21 of the measurement scene with the sound sources contained therein. The calculations are outsourced to a cloud computing service in order, among other things, to relieve the power consumption of the mobile device,
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. To store data continuously and sustainably in the case of long-term measurements, to simplify the accessibility of the data for other users with the appropriate access rights, and to enable the web-based integration of the sensor into any measuring and control systems. The computing power does not necessarily have to be outsourced to a cloud computing service, rather the calculations can also be carried out by any other computer connected to the mobile device 20 (e.g. a workstation).
[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). The rotation of the frame structure 100 can be done via a manual or an electric drive 30 (electric motor). As an alternative, a drive by a mechanical spring mechanism would also be possible. In the example shown, the power transmission of the drive 30 is implemented via a drive wheel 31 which is rigidly connected to the frame construction 100 and is rotatably mounted on the axle 54 . The axle 54 and the drive 30 are stationary and are mounted on the bracket 22, for example. The drive wheel 31 is driven, for example, via a pinion 32 on the motor shaft of the electric motor. A controller for controlling the electric motor 30 including the battery or a connection for an external electrical energy supply is integrated into the holder 22 . The holder 22 can, for example, be arranged on a tripod (such as is also used for cameras, for example).
[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. In one embodiment, the housing 13 (i.e., the outer shell) of the framework 100 may have a cross section (normal to the longitudinal axis of the framework 100) that is in the shape of an aerodynamic airfoil 12 . This has the advantage that no aeroacoustic sources are caused by the rotational movement of the frame construction 100 or their occurrence is at least greatly reduced. In the present exemplary embodiment, four microphones 10 are arranged on the frame construction 100 and rotate with the frame construction 100 . As mentioned, the microphone 11 is located at a position on the axis of rotation and therefore does not change its position. The microphones 10, 11 are arranged along the longitudinal axis of the frame construction 100, whereby a distance between two adjacent microphones can be the same in each case (which does not necessarily have to be the case). In the example shown, the moving microphones 10 are arranged on one side of the frame construction 100, while the electronics unit 40 and a balancing mass 17 are arranged on the other side of the frame construction 100. The balancing mass 17 can be dimensioned and positioned in such a way that the frame construction 100, which is asymmetrical per se, has no imbalance when it rotates about the axis of rotation A. Even with a symmetrical design of the frame construction, a balancing mass 17 will generally be necessary since the masses of the components fastened to the frame construction 100 are not symmetrical in relation to the axis of rotation.
[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. According to the example shown in FIG. 2, the microphones 10, 11 can be fastened to the frame construction 100 via an elastic mounting 15. The elastic mounting 15 can help to mechanically decouple the microphones 10, 11 from the frame construction 100 and to prevent the transmission of vibrations, which are caused, for example, by the drive 30 or the rotary bearing 50, to the microphones. In other words, the elastic, damping mounting of the microphones 10, 11 causes an interruption of the structure-borne noise path to the microphones. In the example shown, wind protection elements 14 can be provided on the housing 13 of the frame construction 100, which cover the microphones 10, 11 in order to suppress the coupling of wind noise and signals from other aeroacoustic sources into the sensor signals as a result of the movement of the frame construction 100. Depending on the application, these wind protection elements 14 are 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 In summary, the function of the embodiment shown in FIG. 2 can be described as follows: When the frame structure 100 rotates about the axis A, the stationary microphone 11 does not change its position, while the other microphones 10 follow a circular path. The microphones 10, 11 capture the sound waves emitted by acoustic sources in the form of a sound pressure, while the rotation angle encoder 16 captures the spatial coordinates of the moving microphones 10. The spatial coordinates are due to the angular position of the frame construction 100 and the (fixed) position of the microphones 10 relative to the frame construction
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. 100 defined. The sensor signals obtained are received by the electronics unit 40 , digitized and sent to the mobile device 20 . As explained above, this can itself calculate the source strengths of the sound sources present on the measured object from the measurement data received, or outsource the calculation to an external computing unit. The camera 21 captures an optical image of the object to be measured (or multiple objects) on which the calculated source strengths can be superimposed in order to obtain a visual representation and assignment of the acoustic sources and their source strength to the optical camera image. For example, the optical image can be recorded in black and white and the source strength can be color-coded in the image.
[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. FIG. 3 shows a further embodiment of a system for locating and imaging acoustic sources on an object to be measured. The system according to FIG. 3 differs from the system according to FIG is mounted to be displaceable radially (along its longitudinal axis). The distance between the microphone 10 and the axis of rotation (and thus the radius of the circular movement of the microphone 10) can thus be varied. Other arrangements of the microphones, in particular with a plurality of slidably mounted microphones 10, are also possible.
[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. By changing (increasing or decreasing) the radial distance between the microphone 10 and the axis of rotation A while the frame structure 200 rotates, the microphone 10 effectively performs a helical movement about the axis of rotation A. An adjustability of the distance between the microphone 10 and the axis of rotation A (i.e. the position of the microphone 10 relative to the frame construction 200 can be achieved, for example, by a cable pull device 60. A cable 61 can be connected to a microphone holder 65, which is mounted on the frame construction 200 in a linearly displaceable manner. For this purpose, the frame construction 200 For example, have two guide rods 62, which are essentially parallel to the longitudinal axis of the frame construction and along which the microphone holder 65 can slide.Thus, the guide rods 62 together with the microphone holder form a linear guide for the microphone 10. The cable 61 is in the example shown several pulleys 63 so as guided around a disk 66 rigidly connected to the axis 54 . In the example shown, the cable runs partially through one of the (hollow) guide rods 62 .
[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. When the frame construction 200 rotates about the stationary axis 54, the cable 61 is unwound on the circumference of the disc 66, which leads to a displacement of the microphone holder 65 and consequently to an approximately spiral movement of the microphone 10, with a measured angular position of the frame construction clearly the radial position of the moving microphone 10 can be assigned; with each full revolution of the frame structure, the microphone is displaced by a distance corresponding to the circumference of the disk 65. As in the previous example, the frame construction has a housing 213 which surrounds the cable pulling device 60 consisting of cable 61, deflection rollers 63, disk 65, guide rods 62 and microphone holder 65 and which has an elongated opening (slot) for the microphone 10. For the rest, the example shown in Fig. 3 is the same as the previous example from Fig. 2.
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