Elektroakustische Raumüberwachungsanlage
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektroakustische, insbesondere mit Ultraschall zu betreibende Raumüberwachungsanlage zur Ermittlung und/oder Überwachung von sich in einem Raum bewegenden Personen oder Gegenständen, und zwar mittels in diesem Raum angeordneter Schallgeber und -empfänger.
Mit solchen elektroakustischen Anlagen sollen die Bewegungen von Personen oder auch Gegenständen mit genügend grosser Sicherheit von Luftbewegungen oder störenden akustischen Einflüssen zu unterscheiden sein, auch dann, wenn die zu meldenden Bewegungen sehr langsam, nur von relativ kleinen Teilen, die beispielsweise nur einige dm2 gross sind, oder nur auf kurzen Wegen, in der Grössenanordnung von 10 cm, ausgeführt werden, während z.B. von Klimageräten herrührende Luftbewegungen sehr heftig sein können. So soll beispielsweise auch eine Bewegung einer am Schreibtisch sitzenden Person mit grosser Sicherheit von Luftwirbeln an einer Reihe undichter Fenster oder an den Ventilationsöffnungen elektrischer Aggregate unterschieden werden.
Diesen hohen Anforderungen können bekannte Einrichtungen nicht genügen. Übliche, mit Ultraschall arbeitende Einbruch-Meldeanlagen z.B. melden Bewegungen eines mit normaler Gehgeschwindigkeit aufrecht gehenden Menschen, wenn er einen Mindestweg von etwa 1 Meter zurücklegt; hierbei darf aber kein Klimagerät im Raum betrieben werden. Mit dem Dopplerprinzip arbeitende Meldeanlagen ermöglichen aufgrund einer Frequenzabweichung, welche durch jede Bewegung eines Ultraschallwellen reflektierenden Gegenstands verursacht wird, dann eine sichere und fehlerlose Meldung, wenn der sich bewegende Gegenstand einen Weg zurücklegt, der gross gegen die Wellenlänge des Ultraschallfeldes ist, und wenn die Bewegungsgeschwindigkeit, ausgedrückt durch die Zahl der zurückgelegten Wellenlängen pro Sekunde, gross ist gegen die Zahl der in einem Luftwirbel möglichen Kondensationsveränderungen pro Sekunde.
Meldeanlagen, die mit einer akustischen Dämpfungsmessung arbeiten, die analog zu den bekannten Lichtschranken bei Ultraschall anwendbar ist, ermöglichen mit grosser Sicherheit, Störungen durch Luftfluktuation gegenüber Meldungen von Gegenständen auszuscheiden, die gross gegen die Wellenlänge von Ultraschall sind, diesen nur schlecht leiten und sich im direkten Schallfeld zwischen Mikrofon und Lautsprecher befinden. Wird eine derartige mit Ultraschall arbeitende Schranke um Hilfsmittel zur Zeitmessung und um logische Verknüpfungsglieder erweitert, so dass nicht die Anwesenheit eines Gegenstands im Schallfeld, sondern die Dauer dieser Anwesenheit gemessen wird, so lassen sich auch mit derartigen Anlagen Bewegungen erkennen und melden.
Bei der erfindungsgemässen elektroakustischen Anlage sind ein oder mehrere von Schallgebern beaufschlagte Mikrofone auf Empfangseinrichtungen geschaltet, die ausgebildet sind, um sowohl durch den Dopplereffekt hervorgerufene Frequenzabweichungen der Schallenergie als auch getrennt davon den Betrag der mittleren empfangenen Schallenergie zu ermitteln und auszuwerten und aufgrund dieser Werte Unterscheidungen zu treffen, als deren Folge zugeordnete akustische oder optische Anzeige- und Alarmgeräte zum Ansprechen gebracht werden.
Insbesondere sollen mittels der erstgenannten, die Frequenzabweichung ermittelnden und auswertenden Empfangseinrichtungen rasche, auf einem längeren Weg zurückgelegte Bewegungen erkannt werden, während die den Betrag der mittleren empfangenen Schallenergie ermittelnden Empfangseinrichtungen im Zusammenwirken mit Zeitgliedern und logischen Verknüpfungen langsame Bewegungen mit möglicherweise relativ kleinen Amplituden anzeigen sollen.
Beide Empfangseinrichtungen sind vorzugsweise mit demselben Mikrofon verbunden, das seine Ultraschallenergie von einer grösseren Anzahl im Raum verteilter Lautsprecher zugeführt erhält. Durch geeignete Verteilung der Schallgeber, insbesondere Lautsprecher, im Raum ist sicherzustellen, dass die Konzentration der abgestellten Schallenergie örtlich nur wenig verschieden ist, der Luftraum also ziemlich lückenlos und möglichst gleichmässig überwacht ist. Selbstverständlich ist auch eine Anbringung mehrerer Mikrofone möglich oder in vielen Fällen sinnvoll. Die Anzahl der als Schranke wirkenden Verbindungslinien Mikrofone-Lautsprecher erhöht sich dadurch entsprechend und lässt sich zu einem dichten Netz verknüpfen, was den Nachteil der räumlichen Beschränktheit der akustischen Dämpfungsmessung mildert.
Um bereits eine Bewegung in einem derartigen Schallfeld zwischen einem Lautsprecher und einem Mi krofon melden zu können, obwohl Energie aus mehreren Lautsprechern auf das Mikrofon trifft, enthält die Empfangsschaltung zur Ermittlung und Bewertung des Betrags der mittleren Empfangsenergie vorzugsweise ein Potentiometer zur Veränderung des Verstärkungsfaktors dieser Schaltung.
In weiterer Ausgestaltung enthält die erfindungsgemässe Anlage aus Gründen der Ersparnis für mehrere Mikrofone jeweils nur eine gemeinsame Empfangsschaltung zur Ermittlung und Auswertung von Frequenzabweichungen. Diese Einsparung ist möglich und sinnvoll, da bei einer hohen Mikrofondichte, wie sie zur konsequenten Durchdringung des Luftraums mit Dämpfungs- messstrecken erforderlich ist, die durch eine rasche Bewegung erzeugte Doppler-Frequenz ohnehin von mehreren Mikrofonen gleichzeitig aufgenommen wird.
Weiterhin ist die erfindungsgemässe Anlage vorzugsweise so ausgebaut, dass jede Störung eines Anlageteils zwar umgehend signalisiert wird, jedoch weder zu einer Fehlmeldung führt noch die Funktion der Anlagen stark beeinträchtigt und gar ausschaltet. Mit vertretbarem Aufwand wird nämlich bei bisher bekannten Meldeanlagen lediglich erreicht, dass bei Ausfall eines Anlagenteils eine Fehlalarmmeldung ausgelöst wird oder dass ein Störungssignal zwar ausgelöst und eine Fehlmeldung hierdurch unterdrückt, die Funktion der Anlage zugleich aber wesentlich gemindert oder ganz ausgeschaltet wird.
Vorzugsweise die Anlage so ausgebaut, dass weder bei Ausfall eines Lautsprechers, einer Mikrofonleitung oder einer Lautsprecherleitung eine Fehlmeldung ausgelöst wird, jeder derartige Ausfall dagegen zu einem Störungssignal führt, und die Funktion der Anlage nur geringfügig beeinträchtigt wird. Wird z.B. ein Mikrofon abgedeckt, so erkennt die diesem Mikrofon zugeordnete Empfangsschaltung zur Ermittlung und Auswertung des Betrags der mittleren Empfangsenergie ein ständiges Hindernis im Schallfeld, jedoch keine Bewegung. Logische Verknüpfungsglieder können vorhanden sein, die ein Störungssignal, aber keine Fehlmeldung auslösen.
Durch die weiteren Mikrofone kann aus dem Wirkungsbereich des abgedeckten Mikrofons noch immer eine Doppler-Frequenz empfangen und damit eine Bewegungsmeldung gegeben werden. Entsprechende Meldungen werden bei Störung eines Lautsprechers wie auch jeder der genannten Leitungen abgegeben. Eine zusätzliche Leitungsüberwachung, z.B. mit Gleichstrom, entfällt.
Damit die oft grosse Anzahl von Mikrofonen und Empfangseinrichtungen, welche die erfindungsgemässe Anlage im Gegensatz zu bekannten, elektroakustischen Anlagen benötigt, nicht zu häufigem Fehlalarm führt.
kann zusätzlich noch ein Operationssteuerwerk vorhanden sein, mit dem mittels statischer Erhebungen und deren Auswertung die Sensibilität der Anlage steuerbar ist. So werden dann beispielsweise Witterungseinflüsse, die willkürlich über den ganzen Raum verteilt in Erscheinung treten, überhaupt nicht angezeigt, während ein sich bewegender Mensch in dem Raum eine zusammenhängende Spur erzeugt. Eine sich bewegende Person wird durch das Operationssteuerwerk aber erst dann angezeigt, wenn eine solche Spur deutlich in Erscheinung tritt, d.h. wenn sie in dem Bereich zweier benachbarter Mikrofone innerhalb einer Zeit zu erkennen ist, die von einem Menschen zurückgelegt sein kann. Allein durch diese Massnahmen entfällt schon eine Vielzahl möglicher Störanzeigen bzw. hoher Fehlalarmauslösungen.
Andere zweckmässige Weiterbildungen des Erfindungsgegenstands ergeben sich aus der Beschreibung sowie den in der Zeichnung in Blockschaltbildern dargestellten Ausführungsbeispielen, die im folgenden näher erläutert sind.
Es zeigen:
Fig. 1 schematisch den prinzipiellen Aufbau einer elektroakustischen Raumüberwachungs-Anlage, Fig.2 schematisch den Aufbau von Empfangseinrichtungen sowie beispielsweise Steuerungen durch das Operationssteuerwerk und
Fig. 3 eine Schaltungsanordnung logischer Verknüpfungsglieder zur Feststellung einer Spur .
Die benötigte Ultraschallfrequenz ist mittels eines synchronisierbaren Oszillators 1 erzeugt, dem ein mehrstufiger Leistungsverstärker 2 nachgeschaltet ist, so dass die erforderliche elektrische Leistung zur Verfügung steht. Die Synchronisierbarkeit ist vor allem dann wichtig, wenn zur Überwachung sehr grosser Räume mehrere Einheiten zusammengeschaltet werden müssen.
Über Kabel 3 ist eine unter Umständen grosse Anzahl Lautsprecher 4 angeschlossen, die, wie nicht näher dargestellt, in Wänden, in Zwischendecken oder an festen Decken bzw. sogar an Beleuchtungskörpern oder fest installierten Einrichtungsgegenständen usw. möglichst gleichmässig über den zu überwachenden Raum verteilt sind. Bei der Montage von Lautsprechern 4 in Wänden ist der überwachte Bereich langgestreckt, nicht zu hoch und verläuft doch in Bodennähe, so dass beispielsweise ein sich kriechend fortbewegender Mensch auf jeden Fall erfasst, aber eine an der Decke entlang verlaufende Warmzuluftschicht möglichst nicht als Störung oder gar Alarm angezeigt wird. Durch die Montage an der Decke dagegen lässt sich der Schall schräg einführen, um beispielsweise Echos zwischen Decke und Fussboden auszublenden.
Durch die Richtcharakteristik lässt sich auch der Wirkungsbereich der Anlage räumlich einschränken, um allein hierdurch schon potentielle Störquellen, wie beispielsweise Gardinen, von vornherein zu eliminieren und nicht mit einer reduzierten Empfindlichkeit im gesamten Raum arbeiten zu müssen.
Den Kabeln 3 zu den Lautsprechern 4 ist eine Überwachungsstufe 5 zugeordnet, durch die Störungen in den Kabeln über ein Operationssteuerwerk 6 erkannt und mittels Anzeigegeräten 7 nur als Störung und nicht als Fehlalarm angezeigt werden.
Die ebenfalls im Raum gleichmässig verteilten 8 sind so installiert. dass sie im allgemeinen unmittelbar von der Richtcharakteristik mindestens eines Lautsprechers 4 getroffen werden. Ist eine Vielzahl von Lautsprechern 4 verwendet, so wird jedes Mikrofon 8 in den meisten Fällen mit Teilenergien mehrerer Lautsprecher beaufschlagt. Die Mikrofone 8 enthalten beispielsweise einen auf die Betriebsfrequenz abgestimmten piezokeramischen Wandler. Derartig ausgerüstete Mikrofone besitzen einen günstigen elektroakustischen Wirkungsgrad und eine hohe Selektion, so dass von den Betriebsfrequenzen abweichende Frequenzen bereits durch die Mikrofone von den nachgeschalteten Auswerteeinrichtungen fern gehalten sind.
In dem Gehäuse jedes Mikrofons ist ein transistorisierter Vorverstärker 9 mit eingebaut, der der Anpassung an die Leitungsimpedanz dient und der einen hohen, gegenüber Fremdgeräuschen sicheren Leistungs- pegel liefert.
Im allgemeinen ist jedem Mikrofon 8 mit Vorverstärker 9 über Leitungen 10 eine Empfangseinrichtung 11 zur Ermittlung der mittleren Empfangsenergie nachgeschaltet. Einer solchen Empfangseinrichtung 11, in vielen Fällen aber mehreren solchen Empfangseinrichtungen sind weitere Empfangseinrichtungen 12 zur Ermittlung und Auswertung von durch den Dopplereffekt hervorgerufenen Frequenzabweichungen nachgeschaltet. Die Ausgänge 13 der zuletzt genannten Empfangseinrichtungen 12 sind an das schon erwähnte Operationssteuerwerk 6 angeschlossen, durch das über Leitungen 14 die einzelnen Empfangseinrichtungen 12 wieder steuerbar sind. Neben den schon erwähnten Anzeigegeräten 7 für Störmeldungen sind vom Operationssteuerwerk 6 auch noch Alarmanzeigegeräte 15 ansteuerbar, die räumlich sehr weit von der Anlage, beispielsweise in einer Zentrale oder bei der Polizei, untergebracht sein können.
In Fig. 2 ist der Aufbau einer Empfangseinrichtung 12 zur Ermittlung und Auswertung von durch den Dopplereffekt hervorgerufenen Frequenzabweichungen im einzelnen dargestellt. Die von einem Mikrofon 8 aufgenommene und durch einen Vorverstärker 9 verstärkte Ultraschallenergie wird am Eingang der Empfangseinrichtung 12 einer Demodulationsstufe 16 und einer Siebschaltungsanordnung 17 zugeführt, denen eine Potentiometeranordnung 18 zur Einstellung des Verstärkungsfaktors der Empfangseinrichtung 12 nachgeschaltet ist. über eine Verstärkerstufe 19, eine weitere Demodulationsstufe 20, eine Begrenzerstufe 21 und einen weiteren Verstärker 22 werden die Signale der Empfangseinrichtung 12 dem Operationssteuerwerk 6 zugeleitet.
Mittels logischer Verknüpfungselemente in dem Operationssteuerwerk 6 ist dann die erwähnte Potentiometeranordnung 18, die Siebschaltungsanordnung 17 sowie die Begrenzerstufe 21 der Empfangseinrichtung über Leitungen 14 steuerbar. Eine Veränderung der Potentiometeranordnung 18 und damit des Verstärkungsfaktors eines einzelnen oder mehreren Empfangseinrichtungen 12 ist beispielsweise erforderlich, um in einem bestimmten Teilbereich des zu überwachenden Raumes die Empfindlichkeit der Anlage anzupassen. Durch die Veränderung der Siebschaltungsanordnung 17 ist deren Selektion beispielsweise für wieder andere Teilbereiche der Anlage derart steuerbar, dass dort häufig oder ständig auftretende, in der Nähe der Betriebsfrequenz liegende, aber nicht interessierende Störfrequenz ausgeschlossen sind.
Erhöht sich beispielsweise auch noch der mittlere Geräuschpegel der Anlage, so erfolgt eine Änderung der Schwellwerte der Begrenzerstufen 21 durch eine von einem Verstärker 23 erzeugten Gleichspannung, dessen Verstärkung sich von dem mittleren Rauschpegel aller Empfangseinrichtungen 12 ableitet. Wie in der Fig. 2 angedeutet, können mehrere Mikrofone 8 mit Vorverstärkern 9 auf die Empfangseinrichtung 12 geschaltet sein, von denen ebenfalls mehrere an das Operationssteuerwerk 6 anschliessbar sind.
Dem Ausgang 13-1 (Fig. 3) einer Empfangseinrichtung 12 ist beispielsweise im Operationssteuerwerk 6 ein Speicher 24-1 zugeordnet. Liegen an dem Speicher 24-1 Signale an, so kippt der Speicher um und legt an die Eingänge zweier Und-Gatter 25-1 und 26-1 Potential. An dem zweiten Eingang des Und-Gatters 25-1 liegen Taktimpulse, beispielsweise von Sekundenabstand, an. Ist also während eines Taktimpulses auch am anderen Eingang des Und-Gatters 25-1 Potential vorhanden, so schaltet es durch und gibt einen Impuls an die Zählstufe 27-1 weiter.
Diese Zählstufe stellt nach Eingang einer bestimmten Anzahl Impulse über ein Oder-Gatter 28-1 den Speicher 24-1 wieder zurück. über einen zweiten Eingang dieses Oder-Gatters 28-1 ist der Speicher 24-1 auch von aussen zu löschen.
Liegt nun während der durch die Zählerstufe 27-1 bestimmten Zeit Spannung an einem weiteren Eingang 13-2 einer zweiten Empfangseinrichtung 12 und damit an einem Speicher 24-2, so ist der zweite Eingang des Und Gatters 26-1 beaufschlagt und das Und-Gatter 26-1 schaltet durch; über einen Verstärker 29-1 wird ein Alarmgeber 30-1 angeschaltet. Durch diese logische Verknüpfung zweier benachbarter Empfangseinrichtungen 12 wird so ein bestimmter Bereich eines Raumes überwacht und für das Operationssteuerwerk ist leicht festzustellen, ob jemand von dem Bereich des der einen Empfangsrichtung 12 zugeordneten Mikrofons 8 in den Erfassungsbereich der zweiten benachbarten Empfangseinrichtungen 12 gegangen ist.
Stellt das Operationssteuerwerk auf diese Art eine Spur fest, so wird sofort Alarm mittels Anzeigegeräten 15 (Fig. 1) ausgelöst, wodurch natürlich auch sofort der überwachte Bereich gekennzeichnet ist.
Mittels ähnlich aufgebauter logischer Schaltungsanordnungen lassen sich beispielsweise auch Alarm- und Störungssignale unterbinden, wenn in der Nähe einer beschriebenen elektroakustischen Anlage beispielsweise eine Detonation oder ein Blitzeinschlag erfolgt. Zu diesem Zweck sind zwischen den Speichern 24-1,2... und den oberen Eingängen der Und-Gatter 26-1,2... die Signale auf ein weiteres Gatter geleitet, dem über einen Speicher und ein weiteres Und-Gatter ein Zähler nachgeschaltet ist, wobei der zweite Eingang des Und-Gatters beispielsweise durch einen Sekundentakt beaufschlagt ist.
Durch diese Schaltungsmassnahme lassen sich beispielsweise Frequenzabweichungen mehrerer, weiter auseinanderliegender Empfangseinrichtungen 12, die nur sehr kurz aufgetreten sind, ausschliessen. Sie werden als solche von dem Operationssteuerwerk 6 erkannt und führen weder zu einer Störungs- noch zu einer Alarmanzeige.
Gibt andererseits nur eine einzige Empfangseinrichtung 11 oder 12 Signale an das Operationssteuerwerk 6 ab und liegen diese über eine bestimmte, ebenfalls wieder durch einen Zähler in Verbindung mit einem Taktimpuls bestimmte Zeitspanne an, so löst das Operationssteuerwerk 6 unter Kennzeichnung des auslösenden Bereichs zunächst eine Störungsmeldung aus, da sich die Störung nur im Bereich einer Empfangseinrichtung gezeigt hat, es sich also beispielsweise nicht um einen sich bewegenden Menschen handeln kann, andererseits aber doch ständige Frequenzabweichungen oder Änderungen des mittleren Energiebetrages in den Empfangseinrichtungen 11 oder
12 auftreten.
Auch lässt sich beispielsweise für den Bereich bestimmter Empfangseinrichtungen die Überwachungszeit mittels einer Zählschaltung derart steuern, dass in einem bestimmten Bereich und Zeitabschnitt die Auslösungszeitspanne verändert wird, um auf diese Weise festzustellen, ob es sich um zufällige Störungen oder um einen Alarmfall handelt.
Das Operationssteuerwerk 6 löst auch dann einen Alarm aus, wenn eine Empfangseinrichtung 11 über längere Zeit ein Ausgangssignal abgibt und dieses dann nach längerer ununterbrochener Dauer während einer vorgegebenen Zeitspanne erlischt. Durch die Vorgabe einer definierten Zeitspanne werden kurzzeitige Unterbrechungen ausgeschaltet, aber doch sehr langsame Bewegungen innerhalb des Erfassungsbereichs einer Empfangseinrichtung 11 erkennbar.