CN104819765A - 用于探测至少一个结构声音信号的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于探测尤其是在机动车处的至少一个结构声音信号、尤其是用于检测至少一个损坏事件和/或至少一个接触事件的方法，包括传感器装置，按照本发明主要规定，通过记录在只有唯一的结构单元的一个惟一的传感器装置处的至少一个测量信号，和通过分开地确定一方面在传感器装置和作用地点之间的距离和另一方面结构声音信号入射到唯一的传感器装置上的方向来确定损坏事件和/或接触事件的作用地点。本发明此外涉及一种用于探测至少一个结构声音信号、尤其是由一个损坏事件和/或由一个接触事件影响的结构声音信号，的设备，其包括至少一个传感器装置，其中，传感器装置具有通向至少一个储存装置的至少一个传导信号的连接和通向至少一个评价装置的至少一个传导信号的连接，以及一种具有该设备的机动车。

Description

用于探测至少一个结构声音信号的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于探测至少一个结构声音（结构噪声）信号、尤其是用于检测至少一个损坏事件（破坏事件）和/或至少一个接触事件，尤其是在机动车上，的方法，包括传感器装置。本发明此外涉及一种用于探测至少一个结构声音信号、尤其是由一个损坏事件和/或由一个接触事件影响的结构声音信号，的设备，包括至少一个传感器装置，其中，传感器装置具有与至少一个储存装置的至少一个传导信号的连接和与至少一个评价装置的至少一个传导信号的连接。本发明此外涉及一种机动车，尤其是汽车，其具有前述的设备。

背景技术

用于识别损坏事件的方法和设备是已知的并且经常应用于汽车领域。例如，由DE10034524A1已知用于识别汽车的至少一个部件由于事故造成的变形的方法和设备。在此情况下探测结构声音频谱并且将相应的传感器信号从传感器装置传导到评价装置。汽车的部件在此情况下用限定的频率脉冲重复地进行激励并且由设备探测由此产生的结构声音频谱。通过该结构声音频谱相对于先前检测到的结构声音频谱的显著变化，推断出相关的部件由事故引起的变形。借助于这种方法可以实现监控汽车的一个或多个部件。采用这种方法不能够判断出在相应的部件的哪个位置处发生损坏事件的作用。

为了能够尽可能详细地用文献记载例如一个损坏事件，该损坏事件的作用地点的精确定位具有重要价值。例如由此可以确定在机动车行驶运行期间落石打击的准确位置或者在该机动车的外壳上与另一个机动车接触的精确位置。这些信息可以提供例如用于重建（复制）事故发生过程的重要提示。此外，应该尽可能以成本有利的方式提供这种设备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方法和一种设备，借此实现确定例如在汽车上的损坏事件和/或接触事件的地点并且其中不需要由于广泛的敷设电缆造成的增大的安装费用。

该目的通过一种具有权利要求1的特征的方法，一种具有权利要求9的特征的设备和一种具有权利要求14的特征的机动车来实现。

在各从属权利要求中给出一些扩展方案和有利的结构设计。

所述用于探测（记录）至少一个结构声音信号，尤其是用于检测至少一个损坏事件和/或至少一个接触事件，尤其是在汽车处，的方法，包括传感器装置， 按照本发明，其特征在于，通过在具有惟一的结构单元的、惟一的传感器装置处记录至少一个测量信号，和通过分开地确定一方面在传感器装置和作用地点之间的距离并且另一方面确定结构声音信号入射到惟一的传感器装置上的方向，确定损坏事件和/或接触事件的作用地点。

传感器装置最好安装在汽车外壳的内侧面上。由于传感器装置只有惟一的结构单元，因此保证相对较简单的安装。传感器装置最好在中心处安装在机动车外壳的具有（平）面状区域例如侧门的内侧面上。为了定位作用地点，即汽车的外壳上被施加作用力，例如由于被落石打击，所处于的地方，确定在传感器装置和作用地点之间的距离，以及在作用地点处产生的信号入射到传感器装置上所处于的方向。该信号涉及结构声音信号，它例如以弯曲波的形式在部件的面状的区域中传播。相对于使用多个例如在平面区域上分布的传感器装置，在只使用只有唯一的结构单元的一个惟一的传感器装置的情况下，有利的是，可以取消各单个传感器装置的同步。在使用各单个的传感器装置例如用于确定信号差的情况下，同步是必需的。此外，由此不需要在不同的传感器装置之间的任何通讯，因此可以取消可能的方法步骤以及通讯装置。优选地，作用地点，即结构声音信号的源，通过依据传感器的位置计算极坐标来确定。在笛卡尔坐标系统或其它的坐标系统中计算作用地点也是可能的。

在本方法的一个优选实施方式中，探测（记录）传感器装置的至少两个尤其是三个传感器元件的测量信号。例如可以在三个传感器元件中的每个传感器元件处相互独立地探测由损坏事件引起的结构声音信号。在传感器装置和作用地点之间的距离可以通过结构声音信号的弯曲波的传播速度计算出来。为此可以利用离散（散射）效应，即波的传播速度与相应的频率的依赖关系。波击中传感器装置所处于的角度可以通过在三个传感器元件之间的行进时间差计算并且例如在极坐标中给出，该极坐标的基准点例如可以是传感器装置的位置。

在本方法的一个优选实施例中，分别至少在测量信号的一个区段上应用傅里叶变换，尤其是快速（短时间）傅里叶变换并且由此确定各个频率部分（频率分量）的相位，确定在至少两个频率部分中的相位差，由相位差计算出结构声音信号的行进时间（传播时间）并且由结构声音信号的行进时间确定传感器元件和作用地点之间的距离。最好同时在传感器装置的三个传感器元件处探测由接触事件和/或损坏事件产生的结构声音信号。为了进一步处理和评价，被探测的模拟的结构声音信号例如可以通过模拟数字转换器转换成数字测量信号。数字化的测量信号可以被传导给计算单元并且储存在存储装置中，因此提供测量信号，尤其是确定的时间区域的测量信号，进行进一步的处理。在三个测量信号的各至少一个区段上应用傅里叶变换，尤其是快速傅里叶变换。快速傅里叶变换的结果可以被储存起来用于进一步处理。在对测量信号的进一步的评价中，分别确定测量信号的各个频率部分。在此情况下，可以以计算方式消除（分离出）可能出现的2π的跃变（突变）。由于离散，结构声音波的传播速度是与频率相关的。这意味着，每个频率部分具有自己的传播速度。在损坏事件或接触事件的情况下，在作用地点处的结构声音波的全部频率部分被同时激励。基于这种关联性，可以由在一个传感器元件处的测量信号的两个频率部分的相位关系尤其是相位差确定结构声音信号在传感器元件和作用地点之间的行进时间。由结构声音信号的行进时间可以确定在传感器元件和作用地点之间的距离。距离确定的精确性可以得到提高，例如通过在多个频率部分中确定行进时间或者通过利用更多数量的传感器元件。

在本方法的一个优选实施例中，在传感器装置和作用地点之间的距离的计算中输入至少一个已知的波速度、尤其是弯曲波速度和/或兰姆波速度（Lamb Wave）和/或 纵波速度。优选地，该方法应用于机动车上尤其是机动车的外壳上。在机动车外壳的平面状的区域中，传播的主要是由接触事件或损坏事件产生的弯曲波。由于散射原因，这种波的传播速度取决于频率。波的不同的频率部分具有不同的传播速度。弯曲波的与频率相关的传播速度，例如在一定的厚度的钢板中，是已知的。由已知的波速度可以借助于由测量信号确定的频率部分的行进时间确定行进路程。

在本方法的另一个优选实施例中，至少两个在两个不同的传感器元件处探测的测量信号的相位差通过形成互功率密度（交叉功率密度）和通过确定其相位来确定，由在两个不同的传感器元件处的测量信号的相位差确定两个传感器元件之间的行进时间，确定行进时间的行进时间差，在传感器元件之间的行进时间差被置于一种比例（关系）中并且由在不同的传感器元件之间的行进时间的该比例推断出方向，结构声音信号从该方向射到传感器装置上。该方向可以通过确定在传感器装置的各个传感器元件之间的行进时间来确定，通过接触事件或损坏事件产生的结构声音信号在该方向下射到传感器装置上。被确定的结构声音信号的方向例如可以通过在极坐标、笛卡尔坐标或另外的坐标系统中的角度数据给出。在两个传感器元件之间的信号行进时间通过确定信号的相位来确定。为此，形成在两个传感器元件处测取的两个测量信号的互功率密度并且确定该互功率密度的相位。由互功率密度的相位可以计算地去除（分离出）2π的跃变（突变）并且可以使该相位适配于这些频率部分的一个相关范围。由两个测量信号的频率部分的如此确定的相位差，可以计算传感器元件之间的测量信号的行进时间。以相同的方式确定相互间在全部三个传感器元件之间的测量信号的行进时间。由传感器元件之间的测量信号的行进时间确定差值，即行进时间差。通过形成在不同的传感器元件之间的结构声音信号的行进时间差的比例，可以推断出角度，在该角度下结构声波射到传感器装置上。由于具有较高的频率的结构声音信号部分的较高的传播速度，在传感器元件之间的结构声音信号的行进时间在较高的频率下比在较低频率下要少。因此，基于更简单的可测量性，最好形成具有较低频率的频率部分的行进时间的比例（关系），用以确定进入的结构噪声信号的方向。

在本方法的一个备选的实施例中，由在至少两个传感器元件处探测的测量信号形成至少一个交互相关关系，由该交互相关关系确定在传感器元件之间的测量信号的行进时间差，将该行进时间差置于一种比例中并且由在不同的传感器元件之间的行进时间差的该比例推断出方向，结构声音信号从该方向上射到传感器装置上。通过确定在传感器元件之间的行进时间差可以推断出方向，结构声音信号在该方向上射到传感器装置上。为此，可以形成两个测量信号的交互相关关系，该两个测量信号由两个不同的传感器元件探测。由该交互相关关系可以确定在传感器元件之间的测量信号的行进时间差。在具有三个不同的传感器元件的传感器装置的情况下，例如可以形成三个被探测的测量信号的三个交互相关关系。由该交互相关关系形成的行进时间差被确立一种比例并且由该确定的比例可以推断出记录的信号发射到传感器装置上所处于的方向。测量信号即结构声音信号的方向例如可以在极坐标、笛卡儿坐标或者其它的坐标系统中示出。

在本方法的一个优选实施例中，探测的测量信号被储存在至少一个存储装置中并且先被储存在存储装置中的测量信号被先从存储装置中读出。这种存储装置被称为先进先出存储器（FIFO）。储存的数据处于某种形式的队列中，因此保证储存的数据可以按照它们被储存的顺序调用。

在本方法的另一个优选实施方式中，为了确定由损坏事件或接触事件产生的信号的各自的开始，检查储存的测量信号是否超过一个门限值。确定结构声音信号的开始对于进一步的评价是重要的，因为在结构声音信号的开始时保证，信号部分（信号部分）不被结构声音波在例如要检查的物体的边缘结构上，例如在机动车门的边缘上的反射叠加。信号的开始在此情况下通过超过一个门限值，例如一个振幅门限值，来确定。在此，该振幅门限值例如可以刚刚高于噪声水平（噪声级）。

在本方法的另一个优选实施方式中，至少一个测量信号的至少一个区段，在该区段中出现一次门限值超过，在存储装置中储存的测量信号的顺序下被移动到一个与其它的测量信号的区段，在这些区段中同样出现一次门限值超过，相同的位置上。为了评价和比较由三个传感器元件记录的三个测量信号，这些测量信号在其被数字化并且储存在存储器中之后被如此移动，即测量信号的区段，在这些区段中门限值被超过，分别位于相同的、一致的（叠合的）位置上，优选处在尺寸装置中的被储存的数据的次序的中间位置上。例如现在可以相应地围绕这个相同的位置选择一个信号区段，该信号区段被供给用以进一步的评价和检查。例如在这三个信号区段上分别执行一个快速傅里叶变换。

本发明的另一个方面涉及一种用于探测至少一个结构声音信号、尤其是被损坏事件和/或接触事件影响的结构声音信号的设备，其具有至少一个传感器装置，其中，该传感器装置具有与至少一个存储装置的至少一个传导信号的连接部和至少一个与至少一个评价装置的至少一个传导信号的连接部。按照本发明，该设备的特征在于，传感器装置具有至少两个，尤其是三个传感器元件，其用于相互独立地探测至少一个结构声音信号，传感器元件相互间具有固定的空间上的布置，并且传感器装置只有一个惟一的结构单元。通过尤其是三个传感器元件的固定的空间上的布置，除了确定传感器装置和损坏事件和/或接触事件的作用地点之间的距离以外，可以实现方向的确定，从该方向出发结构声音信号投射到传感器装置上。传感器元件在此情况下在其固定的空间上的布置上安装在仅仅惟一的结构单元中。这一点特别地在装配传感器装置方面是有利的，因为只需将仅仅一个结构单元例如安装在机动车外壳的平面式部件的内侧面上。因此可以放弃在安装各单个传感器元件的情况下所需要的复杂的电缆敷设。因此显著降低安装时的时间耗费。此外，由三个传感器元件组成的传感器装置可以直接地配设一个评价装置，它例如也安置在结构单元中。在使用三个单独的传感器装置情况下，例如为了确定方向，需要三个评价装置的同步以及在三个传感器装置之间的附加的通讯接口。通过使用只有一个评价装置的惟一一个传感器装置，可以放弃这些附加的部件和方法步骤。

在设备的一个优选实施例中，传感器元件布置在一个共同的支承件上。通过将传感器装置的传感器元件布置在一个共同的支承件上，例如一个薄膜区段或一个印刷电路板上，传感器元件相互间在空间上的固定的布置得以容易地实施。

在设备的一个特别优选的设计方案中，传感器元件相互间被如此设置，即它们形成一个等边三角形。传感器元件在几何形状上布置在等边三角形的角上。例如，传感器元件可以具有对称轴线，这些对称轴线在一点上交会。在两个相邻的传感器元件的两个对称轴线之间的外角可以各为120°。这种布置基于各个传感器元件之间的结构声音信号的行进时间差别实现对入射的结构声音信号的一种特别容易的方向确定。

在本发明的另一个优选的设计方案中，支承件涉及一种薄膜区段并且传感器元件以印刷技术施加到该薄膜区段上。例如，该薄膜区段可以由热塑性塑料例如聚偏二氟乙烯（PVDF）或者类似的塑料制成。在使用薄膜作为支承件时特别有利的是，薄膜大多都能够非常低成本地制造，容易加工并且基于其柔韧性可以容易地与空间上的条件相匹配。传感器元件和用于与评价装置连接所需要的印刷导线例如用能导电的墨或其它的能导电的物质印刷到薄膜材料上。例如可以将多个电极层印刷到薄膜上，其中，电极层的重叠（搭接）的区域可以形成有源的区域，即传感器元件。这些传感器元件涉及压电式结构声音拾取器（接收器）。此外，薄膜区段可以具有用于与例如评价装置的传导信号的连接的插接板。

在本发明的另一个设计方案中，布置在支承件上的传感器元件和评价装置被布置在一个共同的壳体中。通过将评价装置和传感器元件的布置可以实现传感器装置的简单的安装。该外壳对评价装置和传感器元件提供保护避免外部的影响。

此外，本发明涉及一种机动车，尤其是汽车，具有按照权利要求9至13中任一项所述的设备。按照本发明的设备例如可以在机动车中安装在外壳的平面状的内侧面上。由此能够实现在机动车的全部重要的部件处检测接触事件和损坏事件。

以下借助于附图中示出的实施例进一步解释本发明。

附图说明

示意图所示:

图1是具有在支承件上的三个传感器元件的传感器装置的俯视图，

图2a是在一个外壳中的传感器装置和评价装置的透视图，

图2b是在打开状态下的外壳中的传感器装置，

图3是传感器装置的一个举例式的布置和在作用地点和传感器装置之间的距离以及入射的结构声音信号的方向，

图4是用于探测结构声音信号和进一步处理的方法的选择的方法步骤的视图。

具体实施方式

在图1中示出具有在支承件5上的三个传感器元件2，3，4的传感器装置1。支承件5由PVDF膜制成。在支承件5上施加电极层6，7，它们的重叠区域形成传感器元件2，3，4。三通道的传感器装置１具有插塞连接8，用于与例如评价装置连接。传感器元件2，3，4的对称轴线9,10,11在一中点交会并且两个相邻的传感器元件2，3，4的对称轴线具有120°角度。

在图2a中示出在打开状态下的具有传感器装置1的外壳12。通过该外壳可以保证保护传感器装置１防止外部的影响。

在图2b中示出在关闭状态下的具有布置在其中的传感器装置1和与传感器装置连接的评价装置13的外壳12。通过在外壳12中的布置，评价装置13和传感器装置1形成一个固定的结构单元，因此可以实现一种简单的安装。此外，外壳12保护敏感的传感器装置1和评价装置13免受外部影响。

在图3中以汽车门14为例说明传感器装置1的布置。传感器装置1位于汽车门14的平面的区域的一个中间位置上。举例说明地，示出了损坏事件或接触事件的作用地点15。在传感器装置1和作用地点15之间的距离16可以通过确定结构声音信号的相位来求得。为了指出方向，在作用地点15处产生的结构声音信号从该方向投射到传感器装置1上，给出一个坐标系统17，它的原点是传感器装置的位置。通过标示出角度和距离，清楚地描述了作用地点的位置。

在图4中示出方法步骤的一种选择的示意流程。在传感器元件处相互独立地记录（拾取）测量信号18，19，20。记录的模拟测量信号18，19，20通过模拟数字转换器转换成数字的测量信号21，22，23。数字的测量信号21，22，23分别被储存在FIFO存储装置中24，25，26。在存储装置中，测量信号24，25，26被如此移动，即信号部分（分量）27被相同地、叠合地布置在存储装置中的数据的顺序内，在这些信号部分中一个门限值被超过。围绕这个具有一个门限值超过的信号部分27，选择具有前界限28和后界限29的一个信号段。该信号段被提供给进一步的处理和评价。

在上述描述中和在权利要求书中指出的全部特征可以在任意选择下与独立权利要求的特征组合。因此本发明的公开不限于所描述的和/或要求权利保护的特征组合，相反，在本发明的范围内全部有意义的特征组合都应该看作为已被公开。

Claims (15)

1.一种用于探测至少一个结构声音信号、尤其是用于检测至少一个损坏事件和/或至少一个接触事件，尤其是在机动车上，的方法，包括传感器装置，

其特征在于，

通过记录（18，19，20）在只具有惟一的结构单元的惟一的传感器装置处的至少一个测量信号，和通过分开地确定一方面在传感器装置（1）和作用地点（15）之间的距离（16）和另一方面结构声音信号入射到惟一的传感器装置（1）上的方向，来确定该损坏事件和/或接触事件的作用地点（15）。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测量信号由传感器装置（1）的至少两个，尤其是三个传感器元件（2，3，4）探测。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，分别至少在测量信号的一个区段上应用傅里叶变换，尤其是快速傅里叶变换，并且由此确定各个频率部分的相位，确定在至少两个频率部分中的相位差，由相位差计算结构声音信号的行进时间并且由结构声音信号的行进时间确定在传感器元件（2，3，4）和作用地点（15）之间的距离（16）。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在传感器装置（1）和作用地点（15）之间的距离的计算中输入至少一个已知的波速度，尤其是弯曲波速度和/或兰姆波速度和/或 纵波速度。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，在至少两个不同的传感器元件（2，3，4）处探测的至少两个测量信号的相位差通过形成互功率密度和通过确定它们的相位来确定，由在两个不同的传感器元件（2，3，4）处的测量信号的相位差确定两个传感器元件（2，3，4）之间的测量信号的行进时间，确定行进时间的行进时间差，将在传感器元件（2，3，4）之间的行进时间差置于一种比例中并且由在不同的传感器元件（2，3，4）之间的行进时间差的该比例推断出方向，结构声音信号从该方向射到传感器装置（1）上。

6.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，由在至少两个传感器元件（2，3，4）处探测的测量信号形成至少一个交互相关关系，由该交互相关关系确定在传感器元件（2，3，4）之间的测量信号的行进时间差，将该行进时间差置于一种比例中并且由在不同的传感器元件（2，3，4）之间的行进时间差的该比例推断出方向，结构声音信号从该方向射到传感器装置（1）上。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，探测的测量信号被储存在至少一个存储装置（24，25，26）中并且先被储存在存储装置中的测量信号被先从存储装置中读出。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，为了确定由损坏事件或接触事件产生的测量信号的各自的开始，在针对门限值（27）的超过上检查测量信号。

9.根据权利要求7和8中任一项所述的方法，其特征在于，至少一个测量信号的至少一个区段，在该区段中出现一次门限值（27）的超过，在存储装置中储存的测量信号（24，25，26）的顺序下被移动到一个与其它的测量信号的区段相同的位置上，在这些区段中同样出现一次门限值的超过。

10.一种用于探测至少一个结构声音信号、尤其是由一个损坏事件和/或由一个接触事件影响的结构声音信号，的设备，包括至少一个传感器装置（1），其中，传感器装置具有通向至少一个储存装置的至少一个传导信号的连接和通向至少一个评价装置（13）的至少一个传导信号的连接，

其特征在于，

传感器装置（1）具有至少两个，尤其是三个传感器元件（2，3，4），其用于相互独立地探测至少一个结构声音信号，

传感器元件（2，3，4）相互间具有固定的空间上的布置，并且

传感器装置（1）只有一个惟一的结构单元。

11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，传感器元件（2，3，4）布置在一个共同的支承件（5）上。

12.根据权利要求10或11所述的设备，其特征在于，传感器元件（2，3，4）相互间具有一种形成一个等边三角形的布置。

13.根据权利要求11或12所述的设备，其特征在于，所述支承件（5）是一个薄膜区段并且传感器元件（2，3，4）以印刷技术的方式被施加到该薄膜区段上。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的设备，其特征在于，布置在支承件（5）上的传感器元件（2，3，4）和评价装置（13）被布置在一个共同的外壳（12）中。

15.一种机动车，尤其是汽车，其具有根据权利要求10至14中任一项所述的设备。