DE10057922C2 - Arrangement for measuring and visual representation of sound pressure fields - Google Patents
Arrangement for measuring and visual representation of sound pressure fieldsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung und visuellen Darstellung von Schalldruckfeldern in durchsichtigen elastischen Medien, vorzugsweise in durchsichtigen Gasen. Solche Messungen sind haupt sächlich in den Gebieten Technische Akustik, Audiotechnik, Lärmbekämpfung, Musikinstrumentenbau, akustische Sensorik, Ultraschalltechnik und experimentelle Physik sowie für eine anschauliche Wissens vermittlung von Interesse.The invention relates to an arrangement for measuring and visual representation of sound pressure fields in transparent elastic media, preferably in transparent gases. Such measurements are essential mainly in the fields of technical acoustics, audio technology, noise abatement, musical instrument construction, acoustic sensors, ultrasound technology and experimental physics as well as for a clear knowledge mediation of interest.
Die Sichtbarmachung von an sich unsichtbaren Schallfeldern ist eine seit langem bestehende Aufgabe, die bislang nur unbefriedigend gelöst werden konnte.The visualization of sound fields that are invisible per se is a long-standing task that has so far only been solved unsatisfactorily.
Im einfachsten Fall ist bekanntlich die Wirkung einer stehende Schallwelle in einem Kundtschen Rohr durch die örtlich periodische Anhäufung kleinster Partikel darstellbar.In the simplest case, the effect of a standing sound wave in a Kundt tube is known can be represented by the locally periodic accumulation of the smallest particles.
Auch das bekannte optische Schlierenverfahren läßt sich zur Darstellung von Schalldruckfeldern nutzen. Das Schlierenverfahren hat aber nur eine geringe Empfindlichkeit: Soll es hinreichend gute Ergebnisse liefern, sind sehr hohe Schalldrücke, wie sie beispielsweise bei Explosionen oder durch Stoßwellen von Geschossen oder von sehr schnell bewegten Flugkörpern erzeugt werden, erforderlich. Bei niedrigen und mittleren Schalldrücken, wie sie im Hörbereich üblich sind, liefert das Schlierenverfahren keine befriedi genden Ergebnisse.The well-known optical Schlieren method can also be used to represent sound pressure fields. However, the Schlieren method has only a low sensitivity: it should have sufficiently good results deliver are very high sound pressures, such as those caused by explosions or shock waves from Shot or generated by very fast moving missiles required. At low and The Schlieren method does not provide medium sound pressures, as are customary in the listening area results.
Mit holographischen Verfahren oder Laser-Speckle-Verfahren auf der Basis modifizierter Interferometer lassen sich die Druck- und Phasenverteilungen von Schallwellen in Luft ermitteln und darstellen. Die erforderlichen minimalen Intensitäten der Schallwellen entsprechen denjenigen des Hörbereichs. Der gerätetechnische Aufwand sowie die erforderliche Rechenzeit für dieses Verfahren sind jedoch außeror dentlich hoch. Deshalb wird in der Praxis zur Begrenzung der Rechenzeit die digitale Darstellung der Schallfelder auf eine möglichst geringe Anzahl an Pixeln beschränkt. Das führt zwangsläufig zu einer stark begrenzten örtlichen Auflösung in der Darstellung der Schallwellen. Solche Verfahren eignen sich deshalb kaum für eine genaue Visualisierung mittel- und hochfrequenter Schallwellen mit kurzen Wel lenlängen, wie sie im Ultraschallbereich üblich sind.With holographic processes or laser speckle processes based on modified interferometers the pressure and phase distributions of sound waves in air can be determined and displayed. The required minimum intensities of the sound waves correspond to those of the listening area. The However, the technical outlay on equipment and the computing time required for this method are exceptional really high. Therefore, in practice, the digital representation of the Sound fields limited to the smallest possible number of pixels. That inevitably leads to one highly limited local resolution in the representation of the sound waves. Such methods are suitable therefore hardly for an exact visualization of medium and high frequency sound waves with short waves length as usual in the ultrasonic range.
Schallfelder mit Intensitäten, wie sie im Hörbereich üblich sind, lassen sich auch durch zusätzliche Hilfsmittel, die vom Schallfeld bewegt werden, sichtbar machen. So kann beispielsweise eine dünne Folie in das Schallfeld gespannt und die von den Druckgradienten verursachte Bewegung der Folie mit einem Laser-Vibrometer sichtbar gemacht werden. Beispielsweise beschreibt das US-Patent 3969 578 A eine Anordnung zur Erfassung leistungsschwacher Schallfelder mit einem Interferometer. Dabei wird ein Spiegel des Interferometers durch eine außerordentlich dünne optisch reflektierende Folie ersetzt und diese dem zu untersuchenden Schallfeld ausgesetzt. Die Schallwellen deformieren die Folie so, dass von ihr das Wellenbild des Schallfeldes interferometrisch abgetastet werden kann.Sound fields with intensities, as are common in the listening area, can also be created by additional ones Make tools that are moved by the sound field visible. For example, a thin film stretched into the sound field and the movement of the film caused by the pressure gradients with a Laser vibrometers can be made visible. For example, U.S. Patent 3,969,578 A describes one Arrangement for recording low-power sound fields with an interferometer. In doing so, a The mirror of the interferometer is replaced by an extraordinarily thin, optically reflective film and these are exposed to the sound field to be examined. The sound waves deform the film so that from you can interferometrically scan the wave pattern of the sound field.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass die akustische Impedanz der Folie das Schallfeld beeinflußt und damit die Messergebnisse verfälscht.A disadvantage of this method is that the acoustic impedance of the film influences the sound field and so that the measurement results are falsified.
Eine weitere Möglichkeit zur Vermessung und Sichtbarmachung von Schallfeldern besteht darin, dass Mikrofone mittels einer komplizierten mechanischen Anordnung durch das Schallfeld geführt werden und dabei das Schallfeld aufnehmen. So wird in der DE 198 44 870 A1 ein Verfahren beschrieben, dass es ermöglicht, ein, von einem Objekt emittiertes Schallfeld sichtbar zu machen und das Schallfeld dem optischen Bild des Objektes so zu überlagern, dass in einem Mischbild Schallfeld und Objekt zugeordnet werden können.Another way of measuring and visualizing sound fields is that Microphones are guided through the sound field by means of a complicated mechanical arrangement and record the sound field. A method is described in DE 198 44 870 A1 described that it makes it possible to make a sound field emitted by an object visible and that Superimpose sound field on the optical image of the object in such a way that sound field and Object can be assigned.
Auch bei diesem Verfahren kann das Schallfeld durch die Mikrofone und die Positioniereinrichtung beeinflußt werden. Das gilt besonders dann, wenn die geometrischen Abmessungen der Mikrofone bzw. der Positioniereinrichtung im Bereich der Wellenlänge des Schalls liegen. Beispielsweise ist deshalb die Abtastung von Ultraschallfeldern so nicht möglich, weil die Mikrofone nicht beliebig miniaturisiert wer den können.With this method, too, the sound field can pass through the microphones and the positioning device to be influenced. This is especially true if the geometric dimensions of the microphones or the positioning device are in the range of the wavelength of the sound. For example, therefore Scanning of ultrasonic fields is not possible because the microphones are not miniaturized that can.
Aufgabe der Erfindung ist es, auf der Basis handelsüblicher Geräte eine Messanordnung zu schaffen, die eine direkte Messung der Schalldruckverteilung in Schallfeldern ermöglicht, ohne dass das Schallfeld durch die Messanordnung merklich beeinflußt wird. Die Messergebnisse sollen anschließend zur visuel len Darstellung gebracht werden, um einen optischen Eindruck von der tatsächlichen Wellenstruktur des Schallfeldes und von der Schalldruckverteilung zu erhalten. Die Messanordnung soll bereits bei Schallpe geln, die im Hörbereich üblich sind, aber auch bei höheren Schallpegeln und bei Frequenzen bis in den Ultraschallbereich einsetzbar sein.The object of the invention is to provide a measuring arrangement on the basis of commercially available devices enables a direct measurement of the sound pressure distribution in sound fields without the sound field is noticeably influenced by the measuring arrangement. The measurement results should then be visual len representation are brought to an optical impression of the actual wave structure of the To get the sound field and the sound pressure distribution. The measuring arrangement should already be at Schallpe gels that are common in the listening area, but also at higher sound levels and at frequencies up to the Ultrasound range can be used.
Bekanntlich wird bei einem Laser-Doppler-Interferometer ein Laser-Messstrahl von einer physikalischen Größe so beeinflusst, dass ein Frequenzhub gegenüber einem Laser-Referenzstrahl entsteht. Aus dem Betrag eines gemessenen Frequenzhubs lassen sich Rückschlüsse auf die den Laser-Messstrahl beeinflus sende Größe ziehen. Durch den Doppler-Effekt bedingte Frequenzhübe zwischen Mess- und Referenz strahl können beispielsweise durch Änderungen der Wegstrecke des Messstrahls oder durch Änderungen der optischen Brechzahl entlang der Wegstrecke des Messstrahls verursacht werden. Je größer die Ände rungsgeschwindigkeit der Wegstrecke oder der Brechzahl ist, desto größer ist der resultierende Frequenz hub. Laser-Doppler-Interferometer werden deshalb vorzugsweise zur Messung der Geschwindigkeit von Objekten genutzt. Vibrieren diese Objekte, so kann auch deren Schwinggeschwindigkeit, d. h. deren Schnelle, gemessen werden. Durch Integration der Schwinggeschwindigkeit lässt sich auch der Schwing weg, d. h. die Auslenkung eines vibrierenden Objektes, bestimmen. Laser-Doppler-Interferometer heißen deshalb oft auch Vibrometer.As is known, in a laser Doppler interferometer, a laser measuring beam from a physical Size so influenced that there is a frequency swing compared to a laser reference beam. From the The magnitude of a measured frequency swing allows conclusions to be drawn about the influence of the laser measuring beam send size pull. Frequency swings between measurement and reference caused by the Doppler effect beam can, for example, by changes in the path of the measuring beam or by changes the optical refractive index along the path of the measuring beam. The bigger the change speed of the distance or the refractive index, the greater the resulting frequency hub. Laser Doppler interferometers are therefore preferred for measuring the speed of Objects used. If these objects vibrate, their vibration speed, i.e. H. their Fast, be measured. The vibration can also be reduced by integrating the vibration speed gone, d. H. determine the deflection of a vibrating object. Laser Doppler interferometers are called hence often vibrometer.
Eine besonders komfortable Art von Vibrometern sind scannende Vibrometer. Sie tasten mit einem Laser strahl vibrierende Objekte an diskreten Punkten ab. An den Abtastpunkten werden aus dem jeweils re flektierten Messstrahl zunächst die aus dem Doppler-Effekt resultierenden Frequenzhübe und daraus die Schwinggeschwindigkeiten oder nach einer Integration die Schwingwege, d. h. die Auslenkungen der vibrierenden Objekte, ermittelt. Die Gesamtheit der Abtastergebnisse werden mittels eines Visualisie rungsverfahrens als vibrierende Flächen dargestellt. Auf diese Weise lassen sich minimale, an sich un sichtbare Vibrationen von Objekten sichtbar machen.Scanning vibrometers are a particularly convenient type of vibrometer. They feel with a laser emit vibrating objects at discrete points. At the sampling points, the right the measuring beam first flexed the frequency sweeps resulting from the Doppler effect and from that the Vibration speeds or, after integration, the vibration paths, d. H. the deflections of the vibrating objects. The entirety of the scanning results are visualized shown as vibrating surfaces. In this way, minimal, per se un Make visible vibrations of objects visible.
Wird der Messstrahl eines scannenden Vibrometers auf ein unbewegliches Objekt gerichtet, entstehen im Ergebnis der Abtastung keine Frequenzhübe, und über das Visualisierungsverfahren wird erwartungsge mäß nicht eine vibrierende, sondern eine starre Fläche dargestellt. Befindet sich jedoch zwischen dem scannenden Vibrometer und dem unbeweglichen Objekt ein hinreichend kräftiges Schallfeld und wird die Abtastung in der üblichen Weise durchgeführt, zeigt die Visualisierung überraschender Weise nicht eine starre Fläche, sondern ein Wellenfeld. Das ist auch dann der Fall, wenn zweifelsfrei nachgewiesen werden kann, dass das Objekt tatsächlich unbeweglich ist. Damit das unbewegliche Objekt das zu untersuchende Schallfeld nicht beeinflußt, kann es beispielsweise weit genug entfernt vom Schallfeld angeordnet wer den. Das abgebildete Wellenfeld kann dann nur ein Abbild des Schalldruckfeldes zwischen dem Vibro meter und dem Objekt sein. Offensichtlich wird der Messstrahl des Vibrometers durch den wechselnden Schalldruck, der die Brechzahl der Luft verändert, beeinflusst. Mit der durch die Erfindung vorgelegten Anordnung lassen sich also Schalldruckfelder rückwirkungsfrei erfassen und darstellen. Dabei können die Abtastpunkte so dicht gesetzt werden, dass die örtliche Auflösung nur noch vom Durchmesser des Laser strahls begrenzt wird.If the measuring beam of a scanning vibrometer is aimed at an immovable object, in the Result of the sampling no frequency beats, and the visualization method is expected not a vibrating surface, but a rigid surface. However, is between the scanning vibrometer and the immovable object a sufficiently powerful sound field and will Performed scanning in the usual way, the visualization surprisingly does not show one rigid surface, but a wave field. This is also the case if there is unequivocal evidence can that the object is actually immobile. So that the immovable object is the one to be examined If the sound field is not affected, it can be placed far enough away from the sound field, for example the. The wave field shown can then only be an image of the sound pressure field between the vibro meter and the object. The measuring beam of the vibrometer is obviously changing Sound pressure, which changes the refractive index of the air. With the presented by the invention This means that the arrangement can be used to record and display sound pressure fields without any effects. The Sampling points are set so close that the local resolution only depends on the diameter of the laser is limited.
Die Patentansprüche 2 und 3 beschreiben vorteilhafte Ausführungen des unbeweglichen Reflektors. Die ser kann nach Patentanspruch 2 eine starre Wand sein, die aufgrund ihrer Eigenmasse unbeweglich ist. Sie sollte eine möglichst hohe diffuse Reflexion des Laserstrahls ermöglichen, um ein möglichst gutes Sig nal-Rausch-Verhältnis zu erzielen. Die Abstände zwischen dem Schallfeld und dem Reflektor sowie zwi schen Schallfeld und Laser-Vibrometer sollten so gewählt werden, dass das Schallfeld nicht gestört wird. Soll beispielsweise die Luftschallabstrahlung eines Ultraschallstrahlers gemessen werden, so sollen Re flektor und Vibrometer so angeordnet werden, dass sie außerhalb des gebündelten Ultraschallstrahls lie gen.Claims 2 and 3 describe advantageous embodiments of the immovable reflector. the ser can be a rigid wall according to claim 2, which is immobile due to its own weight. she should allow the highest possible diffuse reflection of the laser beam in order to achieve the best possible sig nal to noise ratio. The distances between the sound field and the reflector and between The sound field and laser vibrometer should be selected so that the sound field is not disturbed. For example, if the airborne sound radiation from an ultrasound emitter is to be measured, Re be arranged in such a way that the reflector and vibrometer lie outside the bundled ultrasound beam gene.
Eine Unbeweglichkeit des Reflektors gegenüber Schwingungsanregungen durch Schallfelder kann auch dadurch erreicht werden, dass sich die akustische Impedanz des Reflektors im Schallfeld nur unwesent lich von der des Schallfeldes selbst unterscheidet. Patentanspruch 3 beschreibt hierfür vorteilhafte Ausführungen. So kann als Reflektor ein akustischer Absorber benutzt werden, der den Laserstrahl an seiner Oberfläche reflektiert, die Schallwellen aber weitgehend ungehindert eindringen läßt. Ebenso kann ein starres Sieb oder Gitter verwendet werden, das Schallwellen nahezu ungehindert durchläßt ohne vom Schallfeld zu Schwingungen angeregt zu werden, und dabei den Laserstrahl an seinen Maschen reflek tiert. Der Reflektor kann aber auch aus einzelnen reflektierenden Objekten bestehen, die sich gerade dort befinden, wo der Laserstrahl das Schallfeld abtastet. Das kann besonders bei großen Schallfeldern wie etwa bei raumakustischen Messungen vorteilhaft sein. In diesem Fall können einzelne Reflektoren wie z. B. Retroreflektoren z. B. an den Maschen eines starren Gitters befestigt werden, das im Raum aufge spannt wird. In jedem dieser Fälle ist zu sichern, dass die lichtreflektierende Oberfläche des Reflektors durch das Schallfeld nicht zu Schwingungen angeregt wird, die den durch das Schallfeld hervorgerufenen Frequenzhub über eine zulässige Messunsicherheit hinaus verfälschen.An immobility of the reflector in relation to vibration excitation through sound fields can also can be achieved in that the acoustic impedance of the reflector in the sound field is only insignificant differs from that of the sound field itself. Claim 3 describes advantageous designs for this. So an acoustic absorber can be used as a reflector, the laser beam at its Surface reflects, but the sound waves can penetrate largely unhindered. Likewise, a rigid sieve or grating can be used, which allows sound waves to pass through almost without hindrance Sound field to be excited to vibrate and thereby reflect the laser beam at its mesh advantage. The reflector can also consist of individual reflective objects that are just there where the laser beam scans the sound field. This can be particularly the case with large sound fields such as be advantageous for room acoustic measurements. In this case, individual reflectors such as z. B. retroreflectors z. B. attached to the mesh of a rigid grid, which is up in the room is stretched. In each of these cases, ensure that the light reflecting surface of the reflector is not excited to vibrations by the sound field, which caused by the sound field Falsify the frequency deviation beyond a permissible measurement uncertainty.
Patentanspruch 4 beschreibt die Möglichkeit, das Schallfeld gegenüber dem Reflektor oder gegenüber dem Interferometer durch durchsichtige Trennwände abzuschirmen. Dies findet Anwendung bei der Schallfelddarstellung in geschlossenen, für die Messungen mit durchsichtigen Wänden versehenen Räu men wie z. B. im Kundtschen Rohr, in akustischen Resonatoren oder Schalldämpfern. Durchsichtige Trennwände können aber auch eingesetzt werden, um das Schallfeld vom Reflektor oder vom Interfero meter abzuschirmen und dadurch zu sichern, dass diese nicht durch das Schallfeld zu Schwingungen an geregt werden, die das Messergebnis verfälschen könnten.Claim 4 describes the possibility of the sound field with respect to the reflector or opposite shield the interferometer with transparent partitions. This applies to the Sound field representation in closed rooms provided with transparent walls for the measurements men such as B. in Kundt's tube, in acoustic resonators or silencers. transparent Partitions can also be used to isolate the sound field from the reflector or from the interfero shield and ensure that they do not vibrate due to the sound field be stimulated, which could falsify the measurement result.
Patentanspruch 5 beschreibt schließlich Möglichkeiten, den Signal-Rausch-Abstand während der Mes sung zu erhöhen, indem der Reflektor (5) so ausgeführt wird, dass er möglichst viel Licht zum Interfero meter (2) reflektiert. Das kann am besten erreicht werden, wenn ein Retroreflektor eingesetzt wird. Prak tische Ausführungen dafür sind sog. Katzenaugen oder Reflexfolien. Aber auch eine gut diffus reflektie rende Oberfläche erfüllt diesen Zweck.Finally, claim 5 describes ways to increase the signal-to-noise ratio during the measurement by the reflector ( 5 ) being designed so that it reflects as much light as possible to the interferometer ( 2 ). The best way to achieve this is to use a retroreflector. Practical designs for this are so-called cat eyes or reflective foils. But a good diffusely reflecting surface also serves this purpose.
Fig. 1 zeigt ein Anwendungsbeispiel der Erfindung, mit dem die Funktion der Anordnung nachgewiesen wurde. Es soll das Schalldruckfeld eines Lautsprechers sichtbar gemacht werden. Ein Laser-Doppler- Interferometer (1) mit Scanneinrichtung (2) wird auf einen starren optischen Reflektor (5) gerichtet, die den Laserstrahl reflektiert. Zwischen dem Laser-Doppler-Interferometer (1) mit der Scanneinrichtung (2) und dem optischen Reflektor (5) in Form einer starren Wand befindet sich ein Lautsprecher. Die Haupt schallabstrahlrichtung des Lautsprechers ist so gerichtet, dass sich das Schallfeld (3) rechtwinklig zum Laserstrahl ausbreitet. Die Abstände zwischen der Hauptabstrahlungsachse des Lautsprechers und dem Laser-Doppler-Interferometer (1) mit der Scanneinrichtung (2) einerseits sowie dem Reflektor (5) ande rerseits sind wesentlich größer gewählt als der darzustellende Ausschnitt aus dem Schallfeld des Laut sprechers. Dadurch wird gesichert, dass das Laser-Doppler-Interferometer (1) mit der Scanneinrichtung (2) und der Reflektor (5) das Schallfeld im Untersuchungsausschnitt im Rahmen der Messunsicherheit nicht durch Reflexionen stören. Der Lautsprecher wird im interessierenden Frequenzbereich mit einem breitbandigen periodischen Tonsignal angeregt. Das Laser-Doppler-Interferometer (1) durchstrahlt mit Hilfe der Scanneinrichtung (2) das Schallfeld in dem darzustellenden Ausschnitt punktweise. Der Ab stand zwischen den Messpunkten wird wesentlich kleiner gewählt als die kleinste darzustellende Wellen länge. Das Messsignal des Laser-Doppler-Interferometers (1) sowie das breitbandige periodische Tonsig nal als Referenz werden der Auswerteeinheit (4) zugeführt. Nach einer zweikanaligen Fourier- Tansformation berechnet die Auswerteeinheit (4) die örtliche Schalldruckverteilung nach Betrag und Pha se für ausgewählte Frequenzbänder. Entsprechende Algorithmen erlauben sowohl die Darstellung von Momentanwerten des über die Laserstrahllänge gemittelten Schalldrucks nach Betrag und Phase als auch eine animierte Darstellung der Ausbreitung der Schalldruckwellen. Fig. 1 shows an application example of the invention, with which the function of the arrangement has been demonstrated. The sound pressure field of a loudspeaker should be made visible. A laser Doppler interferometer ( 1 ) with a scanning device ( 2 ) is directed onto a rigid optical reflector ( 5 ) which reflects the laser beam. A loudspeaker is located between the laser Doppler interferometer ( 1 ) with the scanning device ( 2 ) and the optical reflector ( 5 ) in the form of a rigid wall. The main sound emission direction of the speaker is directed so that the sound field ( 3 ) spreads at right angles to the laser beam. The distances between the main radiation axis of the loudspeaker and the laser Doppler interferometer ( 1 ) with the scanning device ( 2 ) on the one hand and the reflector ( 5 ) on the other hand are chosen much larger than the section to be displayed from the sound field of the speaker. This ensures that the laser Doppler interferometer ( 1 ) with the scanning device ( 2 ) and the reflector ( 5 ) do not interfere with the sound field in the examination section as part of the measurement uncertainty due to reflections. The loudspeaker is excited in the frequency range of interest with a broadband periodic audio signal. The laser Doppler interferometer ( 1 ) shines through the sound field point by point with the aid of the scanning device ( 2 ). The distance between the measuring points is chosen to be significantly smaller than the smallest wavelength to be displayed. The measurement signal of the laser Doppler interferometer ( 1 ) and the broadband periodic tone signal as a reference are fed to the evaluation unit ( 4 ). After a two-channel Fourier transformation, the evaluation unit ( 4 ) calculates the local sound pressure distribution according to the amount and phase for selected frequency bands. Corresponding algorithms allow both the representation of instantaneous values of the sound pressure averaged over the laser beam length according to amount and phase as well as an animated representation of the propagation of the sound pressure waves.
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