DE102013000684B3

DE102013000684B3 - Anordnung und Verfahren zur holografischen Bestimmung des Direktschalles akustischer Quellen

Info

Publication number: DE102013000684B3
Application number: DE201310000684
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Klippel; Daniel Knobloch
Original assignee: Klippel GmbH
Current assignee: Klippel GmbH
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2014-01-23
Anticipated expiration: 2033-01-12
Also published as: CN103929706A; US20140198921A1; CN103929706B; US9584939B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur messtechnischen Erfassung des von einer akustischen Quelle Q0 abgestrahlten Direktschalles in Gegenwart von akustischen Störquellen Q1 und Reflektionen durch die akustische Umgebung (z. B. Raumbegrenzungsflächen SB). Entsprechend der Erfindung erfolgt die Messung des Schalldruckes pt(rm) an den Messpunkten rm entsprechend einer Abtastfolge R = [r1, r2, ... rm, ... rM], die im Abtastbereich Gm um die Schallquelle Q0 zweckmäßig verteilt sind. Mit Hilfe einer neuen Methode der Feldseparierung 16 wird der primär von der Quelle Q0 ausgesendete Direktschalle wrad von der einfallenden Welle win und einer sekundären Welle wsec, die durch Beugung und Streuung an der Oberfläche S0 des Testobjektes entstanden ist, getrennt. Hierbei werden ausschließlich Informationen genutzt, die mit Hilfe des Sensors 1 und der Messvorrichtung 15 bestimmbar sind. Durch holografische Analyse 55 wird ein Koeffizientenvektor für jede Frequenz ω bestimmt. Dieser redundanzfreie Parametersatz ermöglicht die Berechnung 11 des von der Quelle Q0 erzeugten Schalldruckes an einem beliebigen Punkt im Freifeld außerhalb der Begrenzungsfläche S0.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur messtechnischen Erfassung des von akustischen Quellen (z. B. Lautsprecher) abgestrahlten Direktschalles in Gegenwart von akustischen Störquellen und Reflektionen durch die akustische Umgebung (z. B. Raumbegrenzungsflächen).
Stand der Technik
Für die Bewertung der Abstrahlcharakteristik von Lautsprechern und anderen akustischen Testobjekten 2 wird der von der Quelle Q₀ abgestrahlte Direktschall w_rad am Messpunkt r_m unter Freifeldbedingungen bestimmt. Diese Messungen erfordern spezielle akustische Messräume, um den störenden Einfluss von externen Lärmquellen und Klimaveränderungen zu unterdrücken. Die erforderlichen Freifeldbedingungen werden durch eine reflexionsarme Auskleidung der Räume in einem beschränkten Frequenzbereich annäherungsweise realisiert. Für die Messung von Lautsprechern mit hoher Richtcharakteristik (z. B. Schallzeilen) bei tiefen Frequenzen ist ein sehr großer Raum erforderlich, der erhebliche Kosten verursacht.
M. Melon, et. al. untersuchte in dem Forschungsbeitrag ”Comparison of four subwoofer measurement techniques,” J. Audio Eng. Soc. 55 (12), 1077–1091 (2007) alternative Methoden zur Messung der akustischen Eigenschaften von Tieftonlautsprechern. Durch eine zeitliche Fensterung der gemessenen Impulsantwort kann der Direktschall w_rad der Quelle Q₀ von dem später eintreffenden Raumschall w_ref getrennt werden und das Abstrahlverhalten von Lautsprechern bei hohen Frequenzen auch in normalen Räumen (z. B. Labor) durchgeführt werden. Diese Technik versagt jedoch bei tiefen Signalfrequenzen, wo die akustische Wellenlänge nicht mehr klein im Vergleich zu dem minimalen Abstand zwischen Quelle und den umgebenden Begrenzungsflächen (z. B. Fußboden, Wände) ist.
G. Weinreich, E. Arnold, ”Method for measuring acoustic radiation fields,” J. Acoust. Soc. Am. 68 (2), 404–411 (1980) entwickelten eine Methode (Field Separation Method) zur Trennung des von der Quelle Q₀ abgestrahlten Direktschalles w_rad von anderen störenden Schallkomponenten. Das Problem wird zunächst mit Hilfe der schematischen Darstellung in 1 erläutert: Das Testobjekt 2 mit einem elektroakustischen Wandler wird mit einem Anregungssignal u(t) von einem Generator 8 gespeist. Der von der Oberfläche der Membran abgestrahlte Direktschall w_rad wird an der umgebenden Begrenzungsfläche S_B reflektiert. Der entstehende Raumschall w_ref und der von einer externen Quelle Q₁ erzeugte Störschall w_noise erzeugt wiederum durch Reflexionen und Beugungen an der Oberfläche S₀ des Testobjektes 2 eine sekundäre Schallwelle w_sec, die sich mit dem Direktschall w_rad überlagert.
Der Gesamtschalldruck
an einem beliebigen Punkt r im Schallfeld bei der Frequenz ω kann durch Überlagerung zweier Schalldruckkomponenten p Q₀,Q₁ / out und p Q₀,Q₁ / in beschrieben werden, die bezüglich der Schallquelle Q₀ mit einer fortlaufenden Welle w_out und einer hinlaufenden Welle w_in korrespondieren. Beide Schallfeldkomponenten können in eine räumliche Fourierreihe entwickelt werden, wobei die Koeffizienten C_j,out und C_j,in die orthogonalen Basisfunktionen ψ_j,out und ψ_j,in wichten. Diese Basisfunktionen entsprechen den Eigenfunktionen der Wellengleichung in Kugelkoordinaten und beschreiben die Winkelabhängigkeit mit Hilfe der sphärischen Harmonischen Y m / n(θ, ϕ) und die radiale Abstandsveränderung r vom Entwicklungspunkt r₀ mit der Hankelfunktionen erster und zweiter Art, h (1) / n(kr) bzw. h (2) / n(kr). Der Schalldruck p_in der einfallenden Welle w_in kann durch externe Störquellen Q₁ und durch reflektierte Schallwellen der Schallquelle Q₀ erzeugt sein.
Der Schalldruck der auslaufenden Welle w_out
enthält den Direktschalldruck p Q₀ / rad der Schallquelle Q₀ und einen Schalldruck p Q₀,Q₁ / sec der sekundären Welle w_sec, die aus der einfallenden Welle w_in und den Streuungen und Beugungen an der Oberfläche S₀ des Testobjektes entstanden sind.
Eine alternative Entwicklung beschreibt den Gesamtschalldruck
als Überlagerung einer stehenden Welle w_sw und einer zusätzlich generierten Welle w_ex. Die gemeinsamen Koeffizienten c_n,m,sw vor der Hankelfunktion erster und zweiter Art führen zu der Besselfunktion j_n(kr), die die Lösung einer stehenden Welle ohne zusätzliche Quellen, Beugungen und Streuungen in dem eingeschlossenen Luftvolumen beschreibt. Diese verbleibenden Störungen werden durch den zusätzlichen Schalldruck
erfasst, der aus dem Direktschall w_rad und der von der Oberfläche S₀ reflektierten und gebeugten Schallanteil w_scat besteht.
Der Gesamtschalldruck an mehreren Messpunkten r_m mit m = 1, ..., M, die die Quelle Q₀ auf einer beliebigen Abtastfläche S ∈ {S₁, S₂, ...} umschließen, kann in Vektorschreibweise
als Überlagerung verschiedener Komponenten dargestellt werden, wobei die Schalldruckvektoren
die Koeffizientenvektoren
und die Entwicklungsmatrizen
mit den Indizes für die Schallanteile
und den Indizes für die Schallquellen
verwendet werden.
Entsprechend Gl. (3) gilt für die Koeffizientenvektoren
Ist die Gesamtschalldruckverteilung
auf mindestens zwei Kugeloberflächen S₁ und S₂ bekannt, die konzentrisch das Messobjekt um den Entwicklungspunkt r₀ umschließen, so können die Koeffizientenvektoren C Q₀,Q₁ / out und C Q₀,Q₁ / in durch Lösung des linearen Gleichungssystems
oder durch Integration über die Kugeloberfläche (entsprechend E. Williams, Fourier Acoustics, Academic Press 1999, Abschnitt 7.4) bestimmt werden.
Melon benutzte diese von Weinreich entwickelte Feldseparierungsmethode und vernachlässigte die durch Reflexionen und Beugungen entstandene Komponente p Q₀+Q₁ / S,scat. Unter dieser Annahme ergibt sich für den primär erzeugten Schalldruck p Q₀ / S,rad ≈ p Q₀,Q₁ / S,ex und für den Koeffizientenvektor C Q₀ / rad ≈ C Q₀,Q₁ / ex. Hiermit kann die Schalldruckverteilung des von der Quelle Q₀ abgestrahlten Direktschalls
auf einer beliebigen Hüllfläche S unter Freifeldbedingungen (Free Field Prediction) in dem FFP-Modul 11 berechnet werden. Melon zeigt in ”Measurement of subwoofers with the field separation method: comparison of p-p and p-v fomulations,” Proceedings of the Acoustics 2012 Conference, 23–27 April 2012, Nantes, France, dass diese Approximation bei relativ großen Räumen, kleiner Gehäusefläche S₀ und ausreichend großem Messabstand (r > 0.5 m) vertretbare Messfehler verursacht. Dieser Fehler kann jedoch bei der Messung von großen Lautsprechergehäusen, in geringem Abstand und in kleinen Messräumen mit großer Nachhallzeit erheblich ansteigen.
Aus diesem Grund entwickelte C.-X. Bi in ”Recovery of the free field using the spherical wave superposition method, ”Proceedings of the Acoustics 2012 Conference, 23–27 April 2012, Nantes, France, ein verbessertes Verfahren, das in 2 dargestellt ist. Die Bestimmung der Koeffizienten C Q₀,Q₁ / ex und C Q₀,Q₁ / sw der Schalldruckentwicklung für die einfallendende und austretende Welle wird ebenfalls mit Hilfe des Mikrofones 1 und Messsystems 4 und des IOFS-Moduls 13 bestimmt. Der primäre Direktschalldruck
wird aus den sekundären Komponenten p Q₀,Q₁ / S,ex und p Q₀,Q₁ / S,scat durch PS-Feldseparierung (Primary Sound Field Separation) bestimmt. Der Koeffizientenvektor
kann mit Hilfe der auf der Oberfläche S₀ des Testobjektes 2 erzeugten Schnelle
der Entwicklungsmatrix der stehenden Welle
und der Entwicklungsmatrix der ausgehenden Welle
bestimmt werden. Diese Methode der PS-Feldseparierung erfordert die akustische Impedanz Y_S₀ und die Form der Grenzfläche S₀ als zusätzliche Eingabeparameter. Da diese Informationen für komplexe Gehäuseformen und Materialien, wie sie für Lautsprechersysteme und andere reale Messobjekte verwendet werden, nicht vorhanden sind, ist diese Methode in der Praxis im Allgemeinen nicht anwendbar.
Ist die Testschallquelle Q₀ ein aktives oder anderweitig steuerbares System und kann die primäre Schallabstrahlung dieser Quelle deaktiviert werden, so kann mit Hilfe der von C. Langrenne, in der Dissertation „Methodes de regularisation du probleme inverse acoustique pour l'indentification de sources en milieu confine et pertube, Universite du Maine, 1997, vorgeschlagenen Perturbationstechnik der Direktschall von der sekundär auslaufenden Welle getrennt werden. Die Perturbationstechnik benötigt eine zusätzliche Schallquelle Q₂(r_e), die an mehreren Quellpunkten r_e mit e = 1, ..., E im Raum zwischen den Hüllfläche S₂ und der Raumbegrenzungsfläche S_B positioniert wird. Bei Deaktivierung der Testschallquelle Q₀ wird der von der Schallquelle Q₂(r_e) für jeden Quellpunkt r_e erzeugte Schalldruckes p_t(r_m) an den Messpunkten r_m mit m = 1, ... M bestimmt.
Mit Hilfe der Entwicklung des Schalldruckvektors in sphärische Harmonische
können die Koeffizienten
der einlaufenden Welle w_in der auslaufenden Welle w_out berechnet werden.
Durch Einführung einer Übertragungsmatrix H kann der Zusammenhang zwischen den Koeffizienten der einfallenden und auslaufenden Welle mit Hilfe des Gleichungssystems
oder in Matrizenschreibweise
beschrieben werden. Nach Bestimmung der Übertragungsmatrix
aus den Messwerten der Perturbationsmessungen mit Hilfe der Zusatzquelle Q₂ wird die Übertragungsmatrix H für die PS-Feldseparierung der Messwerte bei Aktivierung der Testschallquelle Q₀ und Störquelle Q₁ und Deaktivierung der Zusatzquelle Q₂ verwendet und der Koeffizientenvektor der sekundär auslaufenden Welle
berechnet. Hiermit ergibt sich der Koeffizientenvektor
der den von der Quelle Q₀ abgestrahlten Direktschall w_rad erfasst.
Die Perturbationstechnik hat eine geringe praktische Bedeutung erlangt, da für die Bestimmung der Übertragungsmatrix H eine sehr große Anzahl (Produkt von E und M) von Einzelmessungen erforderlich ist.
Die bekannten Verfahren der IO-Feldseparierung entsprechend Gln. (13) und (21) verlieren für Signalfrequenzen oberhalb einer kritischen Grenzfrequenz f_G ≈ 55N/r₁ ihre Funktionstüchtigkeit, da die Reihenentwicklung in sphärische Harmonische der Ordnung N für die einfallende und auslaufende Welle bei den kurzen Wellenlängen auf der Abtastfläche S₁ mit dem Radius r₁ nicht mehr ausreichend beschreiben kann. Deshalb sind die bekannten IO-Feldseparierungsmethoden entsprechend dem Stand der Technik nur für Signalfrequenzen unterhalb von 1 kHz einsetzbar.
Die bekannten holografischen Analyseverfahren benutzen einen festen Entwicklungspunkt r₀ für die Reihenentwicklung in Gl. (1), der mit geometrischen Abmessungen des Lautsprechers (z. B. Mittelpunkt des Lautsprechers) oder mit den Eigenschaften des beim Abtastvorgang verwendeten Messgitters korrespondiert. Melon führt die Schalldruckmessung in einem Halbraum auf einer ebenen und schallharten Grundfläche aus. Bei größeren Lautsprechern die mehrere Wandler benutzen, befindet sich das akustische Zentrum oberhalb dieser Grundfläche und die gemessene Richtcharakteristik wird von der Spiegelquelle beeinflusst. Melon legt den Nullpunkt der kugelförmigen Abtastfläche auf diese Grundfläche und verwendet sie als Entwicklungspunkt für die Feldseparierung. Der Abstand zwischen Entwicklungspunkt r₀ und dem akustischem Zentrum erfordert eine höhere Ordnung N der Reihenentwicklung und eine größere Anzahl von Messpunkten, um die gemessene Schalldruckverteilung von Quellen niedriger Ordnung ausreichend genau zu beschreiben. Lautsprecherzeilen wie sie in der Beschallungstechnik benutzt werden, können mit diesem Verfahren, die kugelförmige Abtastflächen S₁ und S₂ im Halbraum verwenden, nur unzureichend gemessen werden.
Ziel der Erfindung
Die Erfindung soll den Direktschall der Schallquelle Q₀ mit Hilfe akustischer Messungen unter dem Einfluss von Raumreflexionen und Störschall bestimmen und die geschilderten Nachteile der bekannten Messverfahren beseitigen. Insbesondere sollen keinerlei Annahmen über die Position, Form und akustischen Eigenschaften der zu bewerteten Schallquelle Q₀, einer Störquelle Q₁ und die Begrenzungsfläche S_B getroffen werden. Auf diesem Wege sollen die Kosten für die Messtechnik und der Zeitaufwand für die Durchführung der Messung minimiert werden. Gleichzeitig soll die Handhabung vereinfacht, die Genauigkeit der Messung erhöht, potentielle Fehler vermindert und die Ausgabe von fehlerhaften Messergebnissen verhindert werden. Die genannte Aufgabenstellung wird durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 und die Gegenstände der weiteren nebengeordneten Patentansprüche gelöst.
Zusammenfassung der Erfindung
Entsprechend der Erfindung erfolgt die Messung des Schalldruckes p_t(r_m) an den Messpunkten r_m entsprechend einer Abtastfolge R = [r₁, r₂, ... r_m, ... r_M], die im Abtastbereich G_m um die Testschallquelle Q₀ zweckmäßig verteilt sind. Die innere Hüllfläche S_in des Abtastbereiches G_m ist nicht notwendigerweise eine Kugelfläche, sondern besitzt eine Geometrie, die die Oberfläche S₀ des Messobjektes eng umschließt, ohne sie zu berühren. So ist das Luftvolumen zwischen den beiden Hüllflächen S_in und S₀ minimal, um auch das von der Testschallquelle Q₀ erzeugte Nahfeld messtechnisch erfassen zu können und eine möglichst hohe Grenzfrequenz f_G zu erzielen, bis zu der die IO-Feldseparierung anwendbar ist. Ein weiterer Vorteil der Abtastung des Nahfeldes liegt in der erheblichen Schalldruckpegeldifferenz zwischen dem Direktschall w_rad und dem Raumschall w_ref.
Die Störquelle Q₁ und die Begrenzungsfläche S_B liegen außerhalb der äußeren Hüllfläche S_out des Abtastbereiches G_m. Die Messwerte werden in einem Schalldruckvektor
zusammengefasst und als Summe einer einlaufenden Welle w_in und auslaufenden Welle w_out
entwickelt, und der Koeffizientenvektor
bestimmt.
Zur Separierung der primär von der Testschallquelle Q₀ ausgesendeten Welle w_rad von der sekundär auslaufenden Welle w_sec, wird eine neue Methode der PS-Feldseparierung (Primary Sound Field Separation) eingeführt, die ausschließlich akustische Informationen nutzt, die bei der Abtastung der aktivierten Testschallquelle Q₀ entstehen. Dieses neue PSFS-Verfahren bestimmt nicht die Schallschnelle v_S₀,in auf der Oberfläche S₀ des Messobjektes und benötigt keinerlei Informationen über die akustische Impedanz Y_S₀ und Form der Hüllkurve S₀. Entsprechend der Erfindung wird eine Übertragungsfunktion f, bestimmt, die den Zusammenhang
zwischen dem Koeffizientenvektor C_in einfallenden Kugelwelle w_in und dem Koeffizientenvektor C_sec der sekundären Welle w_sec beschreibt und Gl. (26) für die Bestimmung des Koeffizientenvektors angewendet.
Die Parameter P der Übertragungsfunktion f werden aus den gleichen Messwerten
bestimmt, die für die erste IO-Feldseparierung entsprechend Gl. (28) verwendet werden. Hierbei werden die durch die Testschallquelle Q₀ erzeugten späten Reflexionen und stehenden Wellen im Raum gezielt für die Identifikation der Parameter P ausgenutzt. Diese im Nachhall enthaltenen Informationen können aus dem späten Anteil der Impulsantwort h Q₀,Q₁ / t(r_m, t) an jedem Messpunkt r_m durch zeitliche Fensterung bestimmt werden.
Hierbei wird die gefensterte Impulsantwort
für jeden Messpunkt r_m berechnet und der Schalldruck
durch Faltung der gefensterten Impulsantwort mit dem des Stimulus u(t) bestimmt. Mit Hilfe einer zweiten IO-Feldseparierung werden die Koeffizienten
der einfallenden und ausgehenden Wellen für den späten Nachhall bestimmt. Diese Koeffizienten bilden die Grundlage für die Berechnung des Koeffizientenvektors der sekundären Welle
mit Hilfe eines Übertragungsfaktors
Der Übertragungsfaktor k_x verschwindet mit dem Korrelationsgrad
der die Übereinstimmung zwischen der gesamten Welle und dem Nachhall beschreibt.
Alternativ kann der Koeffizientenvektor der sekundären Welle
mit einem Transparenzfaktor
berechnet werden.
Es ist ein Kennzeichen der Erfindung, dass der ermittelte Übertragungsfaktor k_x und Transparenzfaktor k_t nur für die bei der Messung gewählte Position und Orientierung der Schallquelle Q₀ hinsichtlich der Begrenzungsflächen S_B gilt. Die mit Hilfe der Perturbationstechnik bestimmte Übertragungsmatrix H beschreibt die Eigenschaften der Oberfläche S₀ der deaktivierten Testschallquelle Q₀ unabhängig von der Begrenzungsfläche S_B. Es ist ein weiteres Kennzeichen der Erfindung, dass die Funktionstüchtigkeit der IO-Feldseparierungsmethode durch Auswertung des Fehlervektors
überwacht wird und bei signifikanten Abweichungen zwischen dem gemessenen und dem modellierten Schalldruck am Messpunkt r_M der Koeffizientenvektor C Q₀ / rad des Direktschalles über eine zweite Methode bestimmt wird. Hierbei wird aus den gemessenen Schalldrucksignalen in
durch zeitliche Fensterung der Impulsantwort entsprechend
ein Schalldruckvektor
gebildet und der Koeffizientenvektor
geschätzt. Für diese alternative Bestimmung wird ebenfalls ein Fehlervektor
eingeführt, der die Abweichung zwischen dem gemessenen und dem modellierten Schalldruck auf der äußeren Hüllfläche S_out des Abtastbereiches G_m beschreibt. Hiermit kann der Koeffizientenvektor
des Fehlersignals mit Hilfe einer harmonischen Analyse berechnet werden, der es erlaubt, den relativen Schalldruckfehler
an einem beliebigen Empfangspunkt r abzuschätzen.
Überschreitet der Fehler e_rad(r) einen zulässigen Grenzwert, so ist der berechnete Schalldruck p Q₀ / rad(r) am Empfangspunkt r ungültig und wird als Messergebnis nicht ausgegeben. Bei Messungen unter ungünstigen Bedingungen (z. B. wenige Abtastpunkte, hoher Störschall, großes Lautsprechergehäuse) ist es mit Hilfe dieser Bewertung möglich, den Direktschall wenigstens auf der Hauptabstrahlachse oder die Richtcharakteristik Γ(ϕ, θ) in einem durch dass Messsystem angegebenen Winkelbereich ϕ₁ < ϕ < ϕ₂ und θ₁ < θ < θ₂ mit ausreichender Genauigkeit zu bestimmen.
Da die Störquelle Q₁ in der Regel ein zum Stimulus u(t) inkohärentes Signal erzeugt, kann die Schallfeldseparierung den einfallenden Störschall w_noise nur dann von der primären Schallwelle w_rad trennen, wenn die Messung des Schalldruckes p_t(r_m) an allen Messpunkten r_m mit m = 1, ..., M mit Hilfe eines Sensorarrays gleichzeitig erfolgt. Diese Lösung ist sehr kostenintensiv und begrenzt die maximale Anzahl der Messpunkte.
Diese Nachteile können mit Hilfe einer mechanischen Positioniereinrichtung vermieden werden, die den Sensor nacheinander zu den Messpunkten bewegt. Ein serieller Abtastvorgang erfordert jedoch spezielle Maßnahmen zur Unterdrückung des Störschalls w_noise. Entsprechend der Erfindung wird mit Hilfe eines zusätzlichen Sensors 76 der Schalldruck p_t(r_a) im Fernfeld der Quelle Q₀ gemessen und dieser mit dem Schalldruck p_t(r_m) im Nahfeld der Quelle Q₀ verglichen und der Signal-Störabstand
berechnet. Liegt der SNR unter einem vorgegebenen Grenzwert, so wird die Messung wiederholt. Bei Messungen mit stationären Störungen (z. B. Messrauschen) kann eine Mittelung aller Messwiederholungen angewendet werden, bis der erforderliche SNR erreicht wird. Bei Messungen mit impulsiven, stochastischen Störungen ist es vorteilhaft, die gestörten Anteile jeder Teilmessung zu verwerfen und die ungestörten Signalanteile aller Messwiederholungen zu einem gültigen Gesamtsignal zusammenzusetzen.
Der serielle Abtastvorgang mit einem oder wenigen Mikrofonen ist sehr zeitaufwendig, insbesondere wenn eine Schallquelle Q₀ mit einer starken Richtcharakteristik mit hoher Winkelauflösung erfasst werden soll. Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist die dynamische Anpassung des Abtastvorganges an die geometrischen und akustischen Eigenschaften der Schallquelle Q₀. Aus diesem Grund wird während des Abtastvorganges bereits eine holographische Analyse der bis zu diesem Zeitpunkt vorhandenen Messdaten durchgeführt und die maximale Ordnung N(ω) der Reihenentwicklung bei der Frequenz ω bestimmt. Fällt der relative Beitrag
der Koeffizienten c_n,m mit der Ordnung n zur abgestrahlten Gesamtschallleistung unter einen kritischen Grenzwert η₀, so ist es zweckmäßig die Reihenentwicklung bei dieser Ordnung N(ω) = n(ω) abzubrechen. Die Ordnung N(ω) bestimmt die erforderliche Anzahl M der Messpunkte r_m mit m = 1, ..., M, die zweckmäßig auf der Abtastfläche G_M angeordnet werden müssen, um eine Singularität der Entwicklungsmatrix Ψ zu vermeiden.
Entsprechend der Form der Oberfläche S₀ der Schallquelle Q₀ wird eine geeignete geometrische Form (z. B. Zylinderschale) für den Abtastbereich G_m gewählt. Die Dichte der Messpunkte in dem Abtastbereich G_m und ihr Abstand r_m vom Ursprung kann entsprechend der identifizierten Richtcharakteristik der Quelle Q₀ während des sequentiellen Messvorganges dynamisch optimiert werden. Für eine Schallquelle Q₀ mit hoher Richtcharakteristik ist es zum Beispiel sinnvoll, die Schalldruckverteilung in der Hauptabstrahlrichtung auf dem Abtastbereich G₁ mit hoher Winkelauflösung zu messen. Auf der abgewandten Seite der Schallquelle Q₀, die in vielen Fällen nur von geringerem praktischen Interesse ist, kann ein Abtastbereich G₂ mit bedeutend geringerer Dichte von Messpunkten verwendet werden. Entsprechend der Erfindung werden zusätzliche virtuelle Messpunkte in dem Abtastbereich G₂ durch Interpolation der Kugelwellen erzeugt und der vereinigte Datensatz in dem Gesamtabtastbereich G_M = {G₁, G₂} einer gemeinsamen holografischen Analyse unterzogen.
Die optimale Wahl des Entwicklungspunktes r₀(ω) ist entscheidend für die Konvergenz der Reihenentwicklung in Gl. (1) und bestimmt die Winkelauflösung der gemessenen Richtcharakteristik der Schallquelle bei niedriger Ordnung N. In der Regel ist es zweckmäßig, den Entwicklungspunkt r₀(ω) in das akustische Zentrum der Schallquelle Q₀ zu legen, dessen Position sich insbesondere bei Mehrwegelautsprechern erheblich mit der Frequenz ω ändern kann. Die Position des akustischen Zentrums kann mit Hilfe der Laufzeit oder des maximalen Schalldruckpegels im Abtastbereich G_m bestimmt werden. Mit Hilfe der Koeffizienten nullter und erster Ordnung der Kugelwellenentwicklung kann der optimale Entwicklungspunkt
bei Schallquellen mit geringer Richtcharakteristik auch direkt aus den Koeffizienten des Vektors C Q₀ / rad abgeleitet werden. Durch Wiederholung der Reihenentwicklung mit optimalem Entwicklungspunkt r₀(ω) kann bei jeder Frequenz ω der Schalldruck auf der Messfläche mit geringstem Restfehler bei vorgegebener Ordnung N ausreichend modelliert werden. Es ist zweckmäßig, die Position des akustischen Zentrums nicht nur für die Wahl des Entwicklungspunktes r₀(ω) in der holografischen Analyse, sondern auch für die schrittweise Bestimmung einer optimalen Abtastfolge R zu nutzen, die die Anzahl und Lage der Messpunkte im Abtastraum G_m beschreibt. Diese Anpassung kann als iterativer Prozess in mehreren Schritten l = 1, 2, ... ausgeführt werden.
Entsprechend der Erfindung können schon mit Hilfe weniger Messpunkte die wichtigsten Symmetrieeigenschaften der Abstrahlcharakteristik der Schallquelle Q₀ erkannt und für die schrittweise Optimierung des holografischen Messverfahrens hinsichtlich Messgeschwindigkeit, Genauigkeit und Auflösung genutzt werden. Hierbei wird aus dem provisorischen Koeffizientenvektor C Q₀ / rad[l] im l-ten Schritt ein Symmetrieparameter A[l] bestimmt, der die Generierung einer optimal angepassten Abtastfolge R[l + 1] und die Bestimmung von ausgewählten Koeffizienten im Koeffizientenvektor C Q₀ / rad[l + 1] ermöglicht. Zum Beispiel kann bei Schallquellen mit axial-symmetrischer Richtcharakteristik bei zweckmäßiger Orientierung des Kugelkoordinatensystems die Abhängigkeit vom Winkel ϕ vernachlässigt und die verbleibende Abhängigkeit vom Winkel θ mit den Koeffizienten c_n,0,d mit n = 0, 1, ..., N beschrieben werden, die mit einer erheblich kleineren Anzahl von Messpunkten M bestimmbar sind.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die automatische Auswahl von signifikanten Koeffizienten C_j,rad im Koeffizientenvektor C Q₀ / rad[l], die einen entscheidenden Beitrag
zur abgestrahlten Gesamtleistung beitragen. Hierbei wird die harmonische Analyse der vorhandenen Messdaten
mehrfach ausgeführt, wobei in jedem Schritt l die Koeffizienten C_j,rad[l] im berechneten Koeffizientenvektor C_red[l], die einen Beitrag γ_j[l] leisten, der kleiner als ein kritischer Grenzwert γ₀ ist, mit Hilfe einer Selektionsmatrix S[l] entfernt werden. Dadurch können im nächsten Iterationsschritt l + 1 zusätzliche Koeffizienten c_n,m,rad höherer Ordnung n = N(l + 1) = N(l) + 1 im reduzierten Koeffizientenvektor C_red[l + 1] berücksichtigt werden, die die Winkelauflösung der berechneten Abstrahlcharakteristik verbessern.
Bei der Bestimmung der Selektionsmatrix S[l + 1] und der Erzeugung
muss die Invertierbarkeit der angepassten Entwicklungsmatrix Ψ_d,red[l + 1] in den Gln. (28) und (32) durch entsprechende Wahl der Messpunkte gesichert werden.
Durch Multiplikation des reduzierten Koeffizientenvektors C_red[l + 1] mit der transponierten Selektionsmatrix S[l]^T kann der vollständige Koeffizientenvektor
bestimmt werden, in dem die vernachlässigten Koeffizienten mit geringem Beitrag γ_j den Wert Null annehmen. Dieses iterative Verfahren hat den Vorteil, dass die Auswahl der relevanten Basisfunktionen ψ_j,d in der angepassten Entwicklungsmatrix Ψ_d,red[l + 1] automatisch erfolgt und der kleinste Schätzfehler für die vorliegenden Messdaten erzielt werden kann.
KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
Durch die folgenden Abbildungen sollen die oben genannten Ziele, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung genauer dargestellt werden:
1: Holografisches Messverfahren ohne Separation der gestreuten Welle entsprechend dem Stand der Technik
2: Holografisches Messverfahren mit Separation der gestreuten Welle entsprechend dem Stand der Technik
3: Holografisches Messverfahren mit Separation der gestreuten Welle durch Perturbation mit einer externen Quelle Q₂ entsprechend dem Stand der Technik
4: Holografisches Messverfahren mit Feldseparation der gestreuten Welle mit Hilfe eines Identifikationssystems entsprechend der Erfindung
5: Ausführung des Identifikationssystems unter Auswertung des späten Nachhalles
6: Ausführung der PS-Feldseparierung entsprechend der Erfindung
7: Optimale Abtastung des Schallfeldes und iterative Bestimmung des Entwicklungspunktes
8: Holografisches Messverfahren mit zwei Abtastbereichen G₁ und G₂ mit unterschiedlicher Dichte der Messpunkte
9: Ausführung der iterativen holografischen Analyse zur Bestimmung der signifikanten Koeffizienten höherer Ordnung.
Detaillierte Darstellung der Erfindung
Es folgt die Erläuterung des Standes der Technik und der Erfindung anhand der Zeichnungen.
1 zeigt das von Melon vorgeschlagene holografische Messverfahren zur Bestimmung des von dem Testobjekt 2 erzeugten Direktschalles p Q₀ / rad(r) an einem beliebigen Punkt r bei Anregung der Schallquelle Q₀ im Messobjekt durch einen Signalgenerator 8 in der Messeinrichtung 4. Der Schalldruck p_t(r_m) wird mit einem Sensor 1 auf zwei Kugelflächen S₁ und S₂ in geringem Abstand von dem Testobjekt 2 gemessen und das Sensorsignal als Signalvektoren p Q₀,Q₁ / S₁,t und p Q₀,Q₁ / S₂,t in den Speicherelementen 7 bzw. 9 gespeichert, die den Kugelflächen S₁ bzw. S₂ zugeordnet sind. Diese Vektoren werden einem holografischen Analysesystem 55 zugeführt, das eine IO-Feldseparierung 13 entsprechend Gl. (3) durchführt. Mit Hilfe der Näherung C Q₀ / rad ≈ C Q₀,Q₁ / ex wird der Koeffizientenvektor C Q₀ / rad bestimmt, der die Grundlage ist für die Bestimmung des Direktschalles in System 11 entsprechend Gl. (2).
2 zeigt das von Bi entwickelte holografische Messverfahren, das die von Melon eingeführten Elemente benutzt. Jedoch enthält das Analysesystem 55 eine zusätzliche PS-Feldseparierung 10 entsprechend Gl. (16), die mit zusätzlichen externen Informationen über die akustische Admittanz Y und die Oberfläche S₀ des Messobjektes 2 gespeist wird.
3 zeigt die von Langrenne vorgeschlagene Perturbationsmethode unter Benutzung einer externen Schallquelle Q₂ am Sendepunkt r_e, die sich im Raum zwischen der äußeren Oberfläche S_out des Abtastbereiches G_m und der Raumbegrenzungsfläche S_B befindet. Die Messeinrichtung 14 enthält einen Generator 25, dessen Ausgangssignal über einen Umschalter 27 entweder dem Testobjekt 2 oder der zusätzlichen Schallquelle Q₂ zugeführt wird. Über einen zweiten Umschalter 29, der mit dem Umschalter 27 verkoppelt ist, wird das gemessene Schalldrucksignal p_t(r_m) den Speicherelementen 7 und 9 oder den Speicherelementen 15 und 16 zugeführt. Die IO-Feldseparierung 19 erzeugt aus den Signalvektoren
entsprechend Gl. (21) den Koeffizientenvektor
der einfallenden Schallwelle w_in und ein Koeffizientenvektor
der auslaufenden Welle w_out für alle Sendepunkt r_e mit e = 1, ..., E. Aus den beiden Koeffizientenvektoren werden in dem Subsystem 21 entsprechend Gl. (24) die Übertragungsmatrix H identifiziert und dem Analysesystem 55 übergeben. Das Analysesystem 55 enthält eine IO-Feldseparierung 18 entsprechend Gl. (13) und eine anschließende PS-Feldseparierung 23 entsprechend Gln. (25) und (26).
4 zeigt die vereinfachte Grundstruktur des holografischen Messverfahrens entsprechend der Erfindung. Im Unterschied zum Stand der Technik wird der Abtastvorgang nicht auf zwei Kugelflächen S₁ und S₂ ausgeführt, sondern erfolgt in einem räumlichen Abtastbereich G_m, dessen Form an die Begrenzungsfläche S₀ des Messobjektes 2 angepasst wird. Hierbei ist es wichtig, dass die innere Fläche S_in des Abtastbereiches G_m die Oberfläche S₀ des Messobjektes möglichst eng umschließt, ohne sie zu berühren. Das an allen Messpunkten r_m im Abtastbereich G_m entsprechend der Abtastfolge R gemessene Schalldrucksignal p_t(r_m) wird mit Hilfe eines Messsystems 14 in dem Signalvektor
gespeichert und dem Analysesystem 55 zugeführt. Zur Separierung der sekundären Welle enthält das Messsystem ein zusätzliches Identifikationssystem 16, das von der Messeinrichtung 14 ebenfalls mit dem Signalvektor
gespeist wird und einen Parameter P erzeugt, der dem Analysesystem 55 zugeführt wird.
5 zeigt eine Ausführung des Identifikationssystems 16 unter Verwendung des Signalvektors
am Ausgang der Messeinrichtung 14. Diese Ausführung benötigt keine zusätzliche Schallquelle Q₂ und nutzt ein transientes Filter 39 entsprechend Gl. (31) um einen gefilterten Signalvektor
zu erzeugen. In einer anschließenden IO-Feldseparierung 19 entsprechend Gl. (32) werden die Koeffizientenvektoren C Q₀,Q₁ / in,w und C Q₀,Q₁ / out,w bestimmt, die die einfallende bzw. auslaufende Schallwelle des späten Nachhalles beschreiben. Die Koeffizientenvektoren C Q₀,Q₁ / in,w und C Q₀,Q₁ / out,w werden als Parameter P der PS-Feldseparierung 24 zugeführt, die mit Hilfe der von der IO-Feldseparierung 18 erzeugten Koeffizientenvektoren C Q₀,Q₁ / in und C Q₀,Q₁ / out entsprechend Gln. (26), (33) und (36) den Koeffizientenvektor C Q₀ / ps bestimmt.
Gleichzeitig wird Hilfe eines linearen Systems 111 aus dem Signalvektor
entsprechend Gl. (39) ein Signalvektor
erzeugt, der nur die frühen Signalanteile der Impulsantwort enthält. Aus diesem Signalvektor wird mit Hilfe eines Freifeldanalysators 113 unter Benutzung der Hankelfunktionen erster Ordnung h (1) / n(kr) entsprechend Gl. (40) der Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / w bestimmt. Ein Fehlerbewertungssystem 117 erhält den Fehlervektor e_io vom IO-Feldseparierung 18 entsprechend Gl. (13) und den Fehlervektor e_w vom Freifeldanalysator 113 und erzeugt ein Steuersignal das die Übernahmefrequenz einer Weiche 115 verändert, die ein Tiefpassverhalten für den Koeffizientenvektor C Q₀ / ps und ein Hochpassverhalten für den Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / w besitzt. Übersteigt der Betrag des Fehlervektors e_io einen kritischen Schwellwert, so wird anstelle des Koeffizientenvektors C Q₀ / ps vom Ausgang des PS-Feldseparierung 24 der Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / w am Ausgang des Weiche 115 dem Koeffizientenvektor C Q₀ / rad zugewiesen. Gleichzeitig bestimmt das Fehlerbewertungssystem 117 den Koeffizientenvektor E_rad entsprechend Gl. (42), der für die Berechnung des relativen Fehlers e_rad(r) der Freifeldberechnung 11 am Empfangspunkt r entsprechend Gl. (43) verwendet wird.
6 zeigt eine Ausführung der PS-Feldseparierung 24 entsprechend der Erfindung. Der Korrelator 97 erhält die Koeffizientenvektoren C Q₀,Q₁ / in,w und C Q₀,Q₁ / in vom Eingang 109 bzw. 105 und erzeugt den Parameter k_x entsprechend Gl. (34), der die Übereinstimmung der Richtcharakteristik der gesamten Schallwelle und des späten Nachhalles beschreibt.
Optional kann die PS-Feldseparierung 24 ein Vergleichssystem 93 enthalten, das mit den aus dem Nachhall berechneten Koeffizientenvektoren C Q₀,Q₁ / in,w und C Q₀,Q₁ / out,w gespeist und am Ausgang den Parameter k_t entsprechend Gl. (37) erzeugt, der die akustische Transparenz des von der Abtastfolge G_m eingeschlossenen Raumes beschreibt. Die Parameter k_x und k_t werden dem Synthesesystem 93 zugeführt und wichten die Koeffizientenvektoren C Q₀,Q₁ / out,w und C Q₀,Q₁ / in bei der Berechnung des Koeffizientenvektors C Q₀,Q₁ / sec entsprechend Gl. (36). Mit Hilfe des Subtrahierers 95 kann aus den Koeffizientenvektoren C Q₀,Q₁ / out und C Q₀,Q₁ / sec entsprechend Gl. (29) der Koeffizientenvektor C Q₀ / rad des Direktschalles bestimmt werden.
7 zeigt eine optimale Ausführung der Erfindung für die Messung eines Lautsprechersystems 2, das mehrere Wandler für den Tiefton-, Mittelton- und Hochtonbereich 41, 43 bzw. 45 benutzt. Die Messung des Schalldruckes p_t(r_m) im Nahfeld solcher länglichen Testobjekte mit mehreren verteilten Schallquellen erfordert einen ähnlich geformten Abtastbereich G_m mit zylinderförmigen Oberflächen S_in bzw. S_out, der mit Hilfe eines Mikrofons 1, einer Positioniereinrichtung 49 und drei Aktuatoren 11, 47, 51 für die Bewegung in den Zylinderkoordinaten r, z und ϕ abgetastet werden kann. Ein zweiter Sensor 76, das im Fernfeld der Quelle Q₀ positioniert wird, liefert das Schalldrucksignal p_t(r_a) zur Erkennung von akustischen Störungen durch Umgebungslärm w_noise. Falls das akustische Signal p_t(r_m) vom Sensor 1 die momentane Amplitude des akustischen Signals p_t(r_a) vom Sensor 76 um einen definierten Wert übersteigt, wird dieser momentane Wert des Signales p_t(r_m) als ein störungsfreier Messwert mit Hilfe der Messeinrichtung 77 in dem Signalvektor
gespeichert. Eine gestörte Messung an Position r_m des Sensors 1 wird durch die Messeinrichtung 77 am gleichen Punkt r_m so lange wiederholt, bis ein vollständiges Signals p_t(r_a) ohne Störungen in dem Signalvektor
vorliegt.
Die Analyseeinrichtung 55 ist eingebettet in einen iterativen Prozess. Im ersten Schritt l = 1 wird aus dem Signalvektor
der Koeffizientenvektor C Q₀ / rad[l] bestimmt. Mit Hilfe eines Entwicklungspunktdetektors 59 werden dann die Koordinaten des optimierten Entwicklungspunktes r₀[l + 1] ermittelt, die dem Parametereingang der Analyseeinrichtung 55 und einem Generator 53 zugeführt werden. Dieser Generator erzeugt eine erweiterte Abtastfolge R[l + 1], die der Positioniereinrichtung 49 zugeführt wird. Dadurch kann die Anzahl und Lage der Messpunkte im Abtastbereich G_m an das akustische Zentrum z₀(ω) angepasst werden, das sich mit steigender Frequenz ω vom Tieftöner 41 zum Hochtöner 45 verschiebt. Aus dem Koeffizientenvektor C Q₀ / rad[l] wird mit Hilfe eines Symmetriedetektor 60 ein Symmetrieparameter A[l + 1] bestimmt, der die Symmetrieeigenschaften der Abstrahlungscharakteristik der Schallquelle Q₀ des Testobjektes 2 als Funktion der Frequenz ω beschreibt. Dieser Symmetrieparameter A[l + 1] wird ebenfalls dem Generator 53 und der Analyseeinrichtung 55 zugeführt und zur Optimierung der Abtastfolge R[l + 1] und der Feldseparierung benutzt.
8 zeigt eine Ausführung des holografischen Messverfahrens mit zwei Abtastbereichen G₁ und G₂, die eine unterschiedliche Dichte der Messpunkte r_m aufweisen. Die Messeinrichtung 77 speichert das Schalldrucksignal p_t(r_m) in den Signalvektoren p Q₀,Q₁ / G₁,t und p Q₀,Q₁ / G₂,t, entsprechend der Zugehörigkeit des Messpunktes r_m zu den Abtastbereichen G₁ bzw. G₂. Der erste Subanalysator 63 erzeugt aus dem Signalvektor p Q₀,Q₁ / G₂,t einen Koeffizientenvektor C Q₀,Q1 / G₂,rad, dessen Ordnung N von der Anzahl der Messpunkte M₂ begrenzt wird. Aus diesem Koeffizientenvektor C Q₀,Q1 / G₂,rad wird mit Hilfe eines Subsystem 65 durch Schallfeldberechnung ein erweiterter Signalvektor p Q₀,Q₁ / G₂',t erzeugt, der eine höhere Anzahl und Dichte von Abtastwerten im Abtastbereich G₂ enthält als der ursprüngliche Vektor p Q₀,Q₁ / G₂,t . Das Vereinigungssystem 67 erzeugt aus den Signalvektoren p Q₀,Q₁ / G₁,t und p Q₀,Q₁ / G₂',t den vereinigten Signalvektor
der einem zweiten Subanalysator 69 zur Bestimmung des Koeffizientenvektors C Q₀ / rad zugeführt wird.
9 zeigt eine iterative Ausführung der holografischen Analysesystems 55 zur Bestimmung der signifikanten Koeffizienten höherer Ordnung. Aus dem Signalvektor
wird mit Hilfe eines Koeffizientenschätzers 81 unter Benutzung einer angepassten Entwicklungsmatrix Ψ_d,red[l] ein reduzierter Koeffizientenvektor C Q₀ / red[l] im l-Iterationsschritt erzeugt. Aus diesem Koeffizientenvektor C Q₀ / red[l] wird mit Hilfe eines inversen Transformationssystems 85 unter Benutzung einer Selektionsmatrix S[l] der vollständige Koeffizientenvektor C Q₀ / rad[l] erzeugt. Mit Hilfe eines Bewertungssystems 87 wird anschließend ein Beitragsvektor γ[l] generiert, der für jeden Koeffizienten C_j,rad im Koeffizientenvektor C Q₀ / rad[l] den Beitrag γ_j[l] beschreibt, den dieser Koeffizient zur abgestrahlten Schallleistung leistet. Aus dem Beitragsvektors γ[l] wird in dem Selektionssystem 89 eine Selektionsmatrix S[l] erzeugt, die den Koeffizienten C_j,rad in dem inversen Transformationssystem 85 und die zugehörigen Entwicklungsfunktionen in der vollständigen Entwicklungsmatrix Ψ_d[l + 1] mit Hilfe des Transformationssystems 83 gleich Null setzt, dessen Beitrag γ_j[l] kleiner ist als ein kritischer Grenzwert γ₀. Gleichzeitig wird in dem Selektionssystem 89 aus dem Beitragsvektor γ[l] die maximale Ordnung N[l + 1] der Reihenentwicklung bestimmt und unter Berücksichtigung der Abtastfolge R[l], des Entwicklungspunktes r₀[l] und des Symmetrieparameters A[l] im Generierungssystem 84 eine vollständige Entwicklungsmatrix Ψ_d[l + 1] erzeugt. Es ist zweckmäßig eine höhere Ordnung N₁ für die Reihenentwicklung des Schalldruckes p Q₀,Q₁ / sw der stehenden Welle w_sw als für die Ordnung N₂ der Reihenenwicklung für den zusätzlich generierten Schalldruck p Q₀,Q₁ / ex zu verwenden. Das Steuerungssystem 91 überwacht den iterativen Prozess und erzeugt am Ausgang den Koeffizientenvektor C Q₀ / rad, wenn sich die Selektionsmatrix S[l + 1] = S[l] zwischen zwei Iterationsschritten nicht ändert.
Vorteile der Erfindung
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile, bestehen vor allem in der Robustheit und Einfachheit der holografischen Messtechnik, die die räumliche Abstrahlcharakteristik einer beliebigen Testschallquelle Q₀ in einer akustischen Umgebung bestimmt, in der Schallreflexionen und Störschall sich mit dem Direktschall der Quelle überlagern und konventionelle Messmethoden akustische Spezialräume benötigen. Die Messtechnik ist insbesondere für die Messung des Fernfeldes von großen Linienlautsprechern mit hoher Richtwirkung notwendig. Mehrere holografische Messsysteme dieser Art können gleichzeitig in einem Raum betrieben werden. Das holografische Messsystem bestimmt einen Koeffizientenvektor C Q₀ / rad für jede Frequenz ω der einen redundanzfreien Parametersatz für ein allgemeines Abstrahlungsmodell darstellt, mit dem der von der Schallquelle Q₀ erzeugte Schalldruck oder die erzeugte Schallschnelle an einem beliebigen Punkt außerhalb der Begrenzungsfläche S₀ des Testobjektes berechnet werden kann. Die messtechnische Erfassung des akustischen Nahfeldes ist insbesondere für die Bewertung der Klangqualität von tragbaren persönlichen Audiogeräten wichtig. Durch die adaptive Anpassung des Abtastvorganges an die akustischen Eigenschaften des Testobjektes, insbesondere die iterative Bestimmung der Anzahl und Position der Messpunkte und durch die Selektion von wesentlichen Koeffizienten in der Reihenentwicklung kann die Messzeit erheblich verkürzt werden und dennoch das Schallfeld der Quelle Q₀ mit ausreichender Auflösung erfasst werden. Die Messeinrichtung kann kostengünstig mit einem Sensor und einer einfachen mechanischen Positioniereinrichtung realisiert werden. Eine Erweiterung auf mehrere Sensoren ist möglich, um durch gleichzeitige Abtastung mehrerer Messpunkte die Gesamtmesszeit zu verkürzen.

Claims

Eine Anordnung zur Bestimmung des von einem Testobjekt (2) mit einer Schallquelle Q₀ abgestrahlten Direktschalles w_rad unter dem Einfluss von einfallenden Schallwellen w_in, die durch eine Störquelle Q₁ und Schallreflexionen an externen Begrenzungsflächen S_B verursacht werden, wobei das Testobjekt eine Oberfläche S₀ mit unbekannten akustischen Eigenschaften besitzt, die eine sekundäre Schallwelle w_sec aus der einfallenden Schallwelle w_in erzeugt, die sich mit dem Direktschall w_rad überlagert, gekennzeichnet dadurch, dass die Anordnung ein Messdatenakquisesystem enthält, das eine Schallfeldgröße des in unmittelbarer Nähe des Testobjektes (2) befindlichen Schallfeldes an mindestens zwei Messpunkten r_m mit m = 1, ..., M in einem Abtastbereich G_m akquiriert, das Messdatenakquisesystem einen Messdatenausgang besitzt, an dem die akquirierten akustischen Signale in einem Signalvektor
ausgegeben werden, ein Identifikationssystem (16) enthält, das einen Eingang besitzt, der mit dem Signalvektor
vom Messdatenausgang versorgt wird, einen Parameterausgang besitzt, an dem ein Parameter P erzeugt wird, der die Übertragungsfunktion f zwischen der einfallenden Schallwelle w_in und der sekundären Schallwelle w_sec beschreibt, eine Analyseeinrichtung (55) enthält, die einen Analyseeingang besitzt, der mit dem Signalvektor
vom Messdatenausgang versorgt wird, einen Parametereingang besitzt, der mit dem Parameterausgang des Identifikationssystems verbunden ist, und einen Analyseausgang besitzt, an dem ein Koeffizientenvektor C Q₀ / rad oder eine andere mathematische Repräsentation des Direktschalles w_rad ausgegeben wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Identifikationssystem (16) ein Filter (39) enthält, das einen Eingang besitzt, der mit dem Signalvektor
vom Messausgang versorgt wird, wobei das Filter einen Ausgang besitzt, an dem ein gefilterten Signalvektor
erzeugt wird, der den Nachhall enthält und den Direktschall w_rad bedämpft, das Identifikationssystem (16) ein IO-Feldseparierungsmodul (19) zur Feldseparierung der einfallenden und auslaufenden Welle enthält, dessen erster Eingang mit dem Signalvektor
vom Ausgang des Filters versorgt wird, und am ersten Ausgang einen Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / in,w erzeugt, der die einfallende Schallwelle w_in beschreibt, und am zweiten Ausgang einen Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / out,w erzeugt, der die sekundäre Welle w_sec beschreibt, das Analysesystem (55) ein IO-Feldseparierungsmodul (18) enthält, dessen Eingang mit dem Signalvektor
vom Messausgang versorgt wird, das am ersten Ausgang einen Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / in erzeugt, der die einfallende Schallwelle w_in beschreibt und am zweiten Ausgang einen Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / out erzeugt, der die Überlagerung der sekundären Welle w_sec und des Direktschalles w_rad beschreibt, das Analysesystem (55) ein PS-Feldseparierungsmodul (24) enthält, dessen erster Eingang (105) mit dem Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / in vom ersten Ausgang des IO-Feldseparierungsmoduls (18) und dessen zweiter Eingang (103) mit dem Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / out vom zweiten Ausgang des IO-Feldseparierungsmoduls (18) gespeist wird, und dessen Parametereingang (109) mit dem Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / in,w vom ersten Ausgang des Identifikationssystems (16) und dessen Parametereingang (107) mit dem Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / out,w vom vom zweiten Ausgang des Identifikationssystems (16) gespeist wird.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das PS-Feldseparierungsmodul (24) ein Vergleichssystem (99) enthält, dessen Eingänge mit dem Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / in,w und C Q₀,Q₁ / out,w von den Parametereingängen (109) und (107) gespeist werden, an dessen Ausgang ein Parameter k_t erzeugt wird, der die akustische Transparenz des von dem Abtastbereich G_m eingeschlossenen Raumes beschreibt, das PS-Feldseparierungsmodul (24) ein Synthesesystem (93) enthält, das einen ersten Eingang besitzt, der mit dem Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / in vom ersten Eingang (105) des PS-Feldseparierungsmoduls gespeist wird, einen zweiten Eingang besitzt, der mit dem Parameter k_t vom Ausgang des Vergleichssystem (99) gespeist wird, einen Ausgang besitzt, an dem der Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / sec erzeugt wird, der die sekundäre Schallwelle w_sec beschreibt, das PS-Feldseparierungsmodul (24) einen Subtrahierer (95) enthält, dessen nichtinvertierender Eingang mit dem Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / out vom Eingang (103) des PS-Feldseparierungsmoduls (24) gespeist wird, dessen invertierender Eingang mit dem Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / sec vom Ausgang des Synthesesystems (93) gespeist wird, an dessen Ausgang der Koeffizientenvektor C Q₀ / rad erzeugt wird, der dem Ausgang (101) des PS-Feldseparierungsmoduls (24) zugeführt wird.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das PS-Feldseparierungsmodul (24) einen Korrelator (97) enthält, dessen erster Eingang mit dem Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / in,w vom Parametereingang (109) gespeist wird und dessen zweiter Eingang mit dem Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / in vom ersten Eingang (105) des PS-Feldseparierungsmoduls (24) gespeist wird, an dessen Ausgang ein Parameter k_x erzeugt wird, der die Übereinstimmung der Richtcharakteristik des einfallenden Gesamtschalles und einfallenden Nachhalles beschreibt, das PS-Feldseparierungsmodul (24) ein Synthesesystem (93) enthält, das einen ersten Eingang besitzt, der mit dem Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / out,w vom Parametereingang (107) des PS-Feldseparierungsmodul (24) gespeist wird, und einen zweiten Eingang besitzt, der mit dem Parameter k_x vom Ausgang des Korrelators (97) gespeist wird, und einen Ausgang besitzt, an dem der Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / sec erzeugt wird, der die sekundäre Schallwelle w_sec beschreibt, das PS-Feldseparierungsmodul (24) einen Subtrahierer (95) enthält, dessen nichtinvertierender Eingang mit dem Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / out vom Eingang (103) des PS-Feldseparierungsmodul (24) gespeist wird, wobei dessen invertierender Eingang mit dem Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / sec vom Ausgang des Synthesesystems (93) gespeist wird, und an dessen Ausgang der Koeffizientenvektor C Q₀ / rad erzeugt wird, der dem Ausgang (101) des PS-Feldseparierungsmoduls (24) zugeführt wird.
Eine Anordnung zur Bestimmung des von einem Testobjekt (2) mit einer Schallquelle Q₀ abgestrahlten Direktschalles w_rad unter dem Einfluss von einfallenden Schallwellen w_in, die durch eine Störquelle Q₁ und Schallreflexionen an externen Begrenzungsflächen S_B verursacht werden, wobei das Testobjekt eine Oberfläche S₀ mit unbekannten akustischen Eigenschaften besitzt, die eine sekundäre Schallwelle w_sec aus der einfallenden Schallwelle w_in erzeugt, die sich mit dem Direktschall w_rad überlagert, gekennzeichnet dadurch, dass die Anordnung ein Messdatenakquisesystem enthält, das eine Schallfeldgröße des in unmittelbarer Nähe des Testobjektes (2) befindlichen Schallfeldes an mindestens zwei Messpunkten r_m mit m = 1, ..., M in einem Abtastbereich G_m akquiriert, das Messdatenakquisesystem einen Messdatenausgang besitzt, an dem die akquirierten akustischen Signale in einem Signalvektor
ausgegeben werden, die Anordnung eine Analyseeinrichtung (55) enthält, die einen Analyseeingang besitzt, der mit dem Signalvektor
vom Messdatenausgang versorgt wird, und einen Analyseausgang besitzt, an dem ein Koeffizientenvektor C Q₀ / rad oder eine andere mathematische Repräsentation des Direktschalles w_rad ausgegeben wird, das Analysesystem (55) Hilfsmittel (18) und (24) zur Feldseparierung enthält, dessen Eingang mit dem Signalvektor
vom Analyseeingang gespeist wird und an dessen Ausgang ein frequenzabhängiger Koeffizientenvektor C Q₀ / ps erzeugt wird, der den Direktschall w_rad für Signalfrequenzen unterhalb einer Grenzfrequenz f_g beschreibt, das Analysesystem (55) ein lineares System (111) enthält, dessen Eingang mit dem Signalvektor
vom Messdatenausgang versorgt wird, und einen Ausgang besitzt, an dem ein Signalvektor
erzeugt wird, in dem die Signalanteile unterdrückt wurden, die durch den späten Anteil der Impulsantwort erzeugt wurden, das Analysesystem (55) einen Freifeldanalysator (113) enthält, dessen Eingang mit dem Signalvektor
vom Ausgang des linearen Systems (111) versorgt wird, und einen Ausgang besitzt, an dem ein frequenzabhängiger Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / w erzeugt wird, der den Direktschall w_rad für Signalfrequenzen oberhalb einer Grenzfrequenz beschreibt, das Analysesystem (55) ein Bewertungssystem (117) enthält, das einen Ausgang besitzt, an dem eine Übernahmefrequenz f_c bestimmt wird, die die Grenzfrequenz f_g beschreibt, Analysesystem (55) eine Weiche (115) enthält, die einen ersten Eingang besitzt, der mit dem Koeffizientenvektor C Q₀ / ps vom Ausgang der Hilfsmittel (18) und (24) gespeist wird, und die Weiche einen zweiten Eingang besitzt, der mit dem Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / w vom Ausgang des Freifeldanalysators (113) gespeist wird, die einen Steuereingang besitzt, der mit der Übernahmefrequenz f_c vom Ausgang des Bewertungssystem (117) gespeist wird, und die Weiche einen Ausgang besitzt, der mit dem Ausgang des Analysesystems (55) verbunden ist, wobei die Weiche (115) eine Tiefpasscharakteristik zwischen dem ersten Eingang und dem Ausgang und eine Hochpasscharakteristik zwischen dem zweiten Eingang und dem Ausgang mit der Übernahmefrequenz f_c besitzt, und an dem Ausgang der Weiche der Koeffizientenvektor C Q₀ / rad erzeugt wird, der am Ausgang des Analysesystem (55) ausgegeben wird.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 5, gekennzeichnet dadurch, dass das Messdatenakquisesystem eine Messeinrichtung (14) enthält, die einen Ausgang besitzt, an dem ein Stimulus u(t) generiert wird, das Testobjekt (2) einen Eingang besitzt, der mit dem Ausgang der Messeinrichtung (14) verbunden ist, das Testobjekt (2) den Stimulus u(t) in ein akustisches Signal umwandelt, das Messdatenakquisesystem mindestens einen akustischen Sensor (1) enthält, der eine Schallfeldgröße p_t erfasst und am Sensorausgang ausgibt, die Messeinrichtung (14) das Schallfeld mit Hilfe des Sensors abtastet, und die Schallfeldgröße p_t in einem Signalvektor
am Messdatenausgang ausgegeben wird, wobei der Abtastbereich G_m sich im Nahfeld des Testobjektes (2) befindet, das Analysesystem (55) den Koeffizientenvektor C Q₀ / rad durch eine Reihenentwicklung des Direktschall an den Messpunkten r_m mit m = 1, ..., M unter Benutzung der Eigenfunktionen der Wellengleichung bestimmt, die Anordnung eine Einrichtung (11) zur Freifeldberechnung enthält, die einen Eingang besitzt, der mit dem Koeffizientenvektor C Q₀ / rad vom Analyseausgang gespeist wird und einen Ausgang besitzt, an dem der Schalldruck oder die Schallschnelle des Direktschalles w_rad an einem beliebigen Punkt im freien Schallfeld bestimmt werden kann.
Eine Anordnung zur Bestimmung des von einem Testobjekt (2) mit einer Schallquelle Q₀ abgestrahlten Direktschalles w_rad unter dem Einfluss von einfallenden Schallwellen w_in, die durch eine Störquelle Q₁ und Schallreflexionen an externen Begrenzungsflächen S_B verursacht werden, wobei das Testobjekt eine Oberfläche S₀ mit unbekannten akustischen Eigenschaften besitzt, die eine sekundäre Schallwelle w_sec aus der einfallenden Schallwelle w_in erzeugt, die sich mit dem Direktschall w_rad überlagert, gekennzeichnet dadurch, dass die Anordnung ein Messdatenakquisesystem enthält, das eine Schallfeldgröße des in unmittelbarer Nähe des Testobjektes (2) befindlichen Schallfeldes an mindestens zwei Messpunkten r_m mit m = 1, ..., M in einem Abtastbereich G_m akquiriert, das Messdatenakquisesystem einen Messdatenausgang besitzt, an dem die akquirierten akustischen Signale in einem Signalvektor
ausgegeben werden, eine Analyseeinrichtung (55) enthält, die einen Analyseeingang besitzt, der mit dem Signalvektor
vom Messdatenausgang versorgt wird, und einen Analyseausgang besitzt, an dem der Koeffizientenvektor C Q₀ / rad der Reihenentwicklung des Direktschalles w_rad ausgegeben wird, und einen Bewertungsausgang besitzt, an dem ein Koeffizientenvektor E_rad der Reihenentwicklung des Fehlers e_w der Direktschallbestimmung ausgegeben wird, eine Einrichtung (11) zur Freifeldberechnung enthält, die einen ersten Eingang besitzt, der mit dem Koeffizientenvektor C Q₀ / rad vom Analyseausgang gespeist wird, und die Einrichtung (11) einen zweiten Eingang besitzt, der mit dem Koeffizientenvektor E_rad der Reihenentwicklung des Fehlers e_w vom Analyseausgang gespeist wird, und die Einrichtung (11) einen Ausgang besitzt, an dem eine Schallfeldgröße p_rad(r) des Direktschalles w_rad am Empfangspunkt r ausgegeben wird, wenn der Messfehler e_rad(r) an diesem Punkt r unter einem definierten Schwellwert liegt.
Eine Anordnung zur Bestimmung des von einem Testobjekt (2) mit einer Schallquelle Q₀ abgestrahlten Direktschalles w_rad, unter dem Einfluss einer einfallenden Schallwelle w_in, die durch eine Störquelle Q₁ hervorgerufen wird, gekennzeichnet dadurch, dass die Anordnung mindestens einen akustischen Sensor (1) enthält, der den Schalldruck oder eine andere Schallfeldgröße p_t(r_m) im Nahfeld des Testobjektes (2) erfasst und am Sensorausgang ausgibt, eine Positioniereinrichtung (49) enthält, die das in unmittelbarer Nähe des Testobjektes (2) befindliche Schallfeld abtastet, wobei der Sensor (1) an mindestens einem Messpunkt entsprechend einer Abtastfolge R = [r₁, r₂, ... r_m, ... r_M] im Abtastbereich G_m positioniert wird, die Positioniereinrichtung (49) am Steuereingang (74) ein Signal erhält, wenn die Messung am Messpunkt r_m abgeschlossen wurde und der Sensor (1) zum nächsten Messpunkt r_m+1 bewegt werden soll, einen zusätzlichen akustischen Sensor (76) enthält, der den Schalldruck oder eine andere Schallfeldgröße p_t(r_a) im Fernfeld des Testobjektes (2) erfasst und am Sensorausgang ausgibt, eine Messeinrichtung (77) enthält, dessen erster Eingang mit dem Sensorausgang des akustischen Sensors (1) verbunden ist, dessen zweiter Eingang mit dem Sensorausgang des zusätzlichen akustischen Sensors (76) verbunden ist, und einen Messausgang besitzt, an dem das Signal vom ersten Eingang im Signalvektor
ausgegeben wird, wobei die Störungen von der Störquelle Q₁ unterdrückt oder entfernt wurden, die Messeinrichtung (77) einen Ausgang besitzt, der mit dem Steuereingang (74) verbunden ist, und das Signal am Ausgang die störungsfreie Messung am Punkt r_m signalisiert und eine Bewegung des Sensors (1) zum nächsten Messpunkt r_m+1 auslöst, ein Analysesystem (55) enthält, die einen Analyseeingang besitzt, der mit dem Signalvektor
vom Messausgang versorgt wird, einen Analyseausgang besitzt, an dem der Koeffizientenvektor C Q₀ / rad der Reihenentwicklung des Direktschalles w_rad ausgegeben wird.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (77) einen Störungserkenner enthält, der im Falle, dass die Amplitude des akustischen Signals p_t(r_m) vom Sensor (1) die Amplitude des Signals p_t(r_a) vom Sensor (76) übersteigt, den störungsfreien Anteil des Signales p_t(r_m) in einem Speicher ablegt, die Messeinrichtung (77) den Messvorgang am Messpunkt r_m so lange wiederholt, bis das Signals p_t(r_m) vollständig im Speicher vorliegt oder eine maximale Anzahl von Messwiederholungen überschritten wurde, die Anordnung eine Einrichtung (11) zur Freifeldberechnung enthält, die einen Eingang besitzt, der mit dem Koeffizientenvektor C Q₀ / rad vom Analyseausgang gespeist wird und einen Ausgang besitzt an dem der Schalldruck oder die Schallschnelle des Direktschalles w_rad an einem beliebigen Punkt im freien Schallfeld bestimmt werden kann.
Eine Anordnung zur Bestimmung der von einem Testobjekt (2) mit mindestens einer Schallquelle Q₀ abgestrahlten Direktschalles w_rad, gekennzeichnet dadurch, dass die Anordnung ein Messdatenakquisesystem (77) enthält, das eine Schallfeldgröße des in unmittelbarer Nähe des Testobjektes (2) befindlichen Schallfeldes an mindestens einem Messpunkt r_m mit m = 1, ..., M akquiriert, und das Messdatenakquisesystem einen Ausgang besitzt, an dem die aquirierten akustischen Signale in einem Signalvektor
ausgegeben werden, ein Analysesystem (55) enthält, das einen Analyseeingang besitzt, der mit dem Signalvektor
vom Ausgang des Messdatenakquisesystems versorgt wird, und das Analysesystem (55) einen Analyseausgang besitzt, an dem der Koeffizientenvektor C Q₀ / rad der Reihenentwicklung des Direktschalles w_rad ausgegeben wird, und das Analysesystem (55) einen Parametereingang besitzt, an dem die Koordinaten des optimierten Entwicklungspunktes r₀(ω) zugeführt werden können, einen Entwicklungspunktdetektor (59) enthält, dessen Eingang mit dem Koeffizientenvektor C Q₀ / rad vom Analyseausgang gespeist wird, einen Ausgang besitzt an dem die Koordinaten des Entwicklungspunktes r₀(ω) als Funktion der Frequenz ω ausgegeben werden und dieser Ausgang mit dem Parametereingang des Analysesystem (55) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mindestens einen akustischen Sensor (1) enthält, der den Schalldruck oder eine andere Schallfeldgröße p_t(r_m) des Testobjektes (2) erfasst und am Sensorausgang ausgibt, eine Positioniereinrichtung (49) enthält, die das in unmittelbarer Nähe des Testobjektes (2) befindliche Schallfeld abtastet, wobei der Sensor (1) an mindestens einem Messpunkt entsprechend einer Abtastfolge R = [r₁, r₂, ... r_m, ... r_M] im Abtastbereich G_m positioniert wird, das Messdatenakquisesystem (77) einen Eingang enthält, der mit dem Sensorausgang des akustischen Sensors (1) verbunden ist, einen Generator (53) enthält, der einen Eingang besitzt, der mit den Koordinaten des Entwicklungspunktes r₀(ω) vom Ausgang des Entwicklungspunktdetektor (59) versorgt wird, und einen Ausgang besitzt, an dem zusätzliche Messpunkte in einer erweiterten Abtastfolge R[l + 1] erzeugt werden, die Positioniereinrichtung (49) einen Positioniereingang besitzt, dem die erweiterte Abtastfolge R[l + 1] zugeführt werden, eine Einrichtung (11) zur Freifeldberechnung enthält, die einen Eingang besitzt, der mit dem Koeffizientenvektor C Q₀ / rad vom Analyseausgang gespeist wird und einen Ausgang besitzt, an dem der Schalldruck oder die Schallschnelle des Direktschalles w_rad an einem beliebigen Punkt im freien Schallfeld bestimmt werden kann.
Eine Anordnung zur Messung der von einem Testobjekt (2) mit einer Schallquelle Q₀ abgestrahlten Direktschalles w_rad, gekennzeichnet dadurch, dass die Anordnung mindestens einen akustischen Sensor (1) enthält, der den Schalldruck oder eine andere Schallfeldgröße p_t(r_m) des Testobjektes (2) erfasst und am Sensorausgang ausgibt, eine Positioniereinrichtung (49) enthält, die das in unmittelbarer Nähe des Testobjektes (2) befindliche Schallfeld abtastet, wobei der Sensor (1) an mindestens einem Messpunkt entsprechend einer Abtastfolge R = [r₁, r₂, ..., r_m, ... r_M] im Abtastbereich G_m positioniert wird, eine Messeinrichtung (77) enthält, dessen erster Eingang mit dem Sensorausgang des akustischen Sensors (1) verbunden ist, einen Messausgang besitzt an dem ein Signalvektor
ausgegeben wird, ein Analysesystem (55) enthält, das einen Analyseeingang besitzt, der mit dem Signalvektor
vom Messausgang versorgt wird, und einen Analyseausgang besitzt, an dem der Koeffizientenvektor C Q₀ / rad der Reihenentwicklung des Direktschalles w_rad ausgegeben wird, und einen Parametereingang besitzt, einen Symmetriedetektor (60) enthält, dessen Eingang mit dem Koeffizientenvektor C Q₀ / rad vom Analyseausgang gespeist wird, an dessen Ausgang die Symmetrie der Abstrahlungscharakteristik der Schallquelle Q₀ des Testobjektes (2) bestimmt wird, und ein Symmetrieparameter A[l + 1] als Funktion der Frequenz ω ausgegeben wird und dieser Ausgang mit einem Parametereingang der Analyseeinrichtung (55) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung einen Generator (53) enthält, der einen Eingang besitzt, der mit den Symmetrieeigenschaften A(ω) vom Ausgang des Symmetriedetektors (60) versorgt wird, und einen Ausgang besitzt, an dem zusätzliche Abtastpunkte in einer erweiterten Abtastfolge R[l + 1] erzeugt werden, die Positioniereinrichtung (49) einen Positioniereingang besitzt, dem die erweiterte Abtastfolge R[l + 1] zugeführt wird, die Anordnung eine Einrichtung (11) zur Freifeldberechnung enthält, die einen Eingang besitzt, der mit dem Koeffizientenvektor C Q₀ / rad vom Analyseausgang gespeist wird und einen Ausgang besitzt, an dem der Schalldruck oder die Schallschnelle des Direktschalles w_rad an einem beliebigen Punkt im freien Schallfeld bestimmt werden kann.
Eine Anordnung zur Messung der von einem Testobjekt (2) mit einer Schallquelle Q₀ abgestrahlten Direktschalles w_rad, gekennzeichnet dadurch, dass die Anordnung mindestens einen akustischen Sensor (1) enthält, der den Schalldruck oder eine andere Schallfeldgröße p_t(r_m) des Testobjektes (2) erfasst und am Sensorausgang ausgibt, eine Positioniereinrichtung (49) enthält, die das in unmittelbarer Nähe des Testobjektes (2) befindliche Schallfeld abtastet, wobei der Sensor (1) an M₁ Messpunkten entsprechend einer ersten Abtastfolge R_M₁ = [r₁ ... r_m ... r_M₁] im Abtastbereich G₁ und an M₂ Messpunkten entsprechend einer zweiten Abtastfolge R_M₂ = [r_M₁+1 ... r_m ... r_M₁+M₂] im Abtastbereich G₂ positioniert wird, wobei die Dichte der Messpunkte im Abtastbereich G₁ größer ist als die Dichte der Messpunkte im Abtastbereich G₂, eine Messeinrichtung (77) enthält, dessen erster Eingang mit dem Sensorausgang des akustischen Sensors (1) verbunden ist, einen ersten Messausgang besitzt, an dem der Signalvektor p Q₀,Q₁ / G₁,t ausgegeben wird, und einen zweiten Messausgang besitzt, an dem der Signalvektor p Q₀,Q₁ / G₂,t ausgegeben wird, ein Analysesystem (55) enthält, die einen ersten Analyseeingang besitzt, der mit dem Signalvektor p Q₀,Q₁ / G₁,t vom ersten Messausgang versorgt wird, einen zweiten Analyseeingang besitzt, der mit dem Signalvektor p Q₀,Q₁ / G₂,t vom zweiten Messausgang versorgt wird, einen Ausgang besitzt, an dem die Koeffizientenvektor C Q₀ / rad der Reihenentwicklung des Direktschalles w_rad ausgegeben werden.
Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Analysesystem (55) ein ersten Subanalysator (63) enthält, dessen Eingang mit dem Signalvektor p Q₀,Q₁ / G₂,t vom zweiten Analyseeingang gespeist wird, wobei an dessen Ausgang ein Koeffizientenvektor C Q₀,Q1 / G₂,rad erzeugt wird, dessen Ordnung N von der Anzahl der Messpunkte M₂ begrenzt wird, die Analysesystem (55) ein Subsystem (65) zur Schallfeldberechnung enthält, dessen Eingang mit dem Koeffizientenvektor C Q₀,Q1 / G₂,rad vom Ausgang des ersten Subanalysators (63) versorgt wird, wobei am Ausgang ein erweiterter Signalvektor p Q₀,Q₁ / G₂',t erzeugt wird, der synthetisierte Abtastwerte enthält, dessen Anzahl größer ist als der Anzahl der Messwerte im Signalvektor p Q₀,Q₁ / G₂,t, die Analysesystem (55) ein Vereinigungssystem (67) enthält, dessen erster Eingang mit dem Signalvektor p Q₀,Q₁ / G₁,t vom ersten Analyseeingang gespeist wird, und dessen zweiter Eingang mit dem erweiterten Signalvektor p Q₀,Q₁ / G₂',t vom Ausgang des Subsystems (65) versorgt wird, und einen Ausgang besitzt, an dem ein Signalvektor
erzeugt wird, der die Messwerte vom Abtastbereich G₁ und die synthetisierten Abtastwerte vom Abtastbereich G₂ enthält, das Analysesystem (55) ein zweites Subsystem (69) enthält, dessen Eingang mit dem Signalvektor
vom Ausgang des Vereinigungssystem (67) gespeist wird, an dessen Ausgang ein Koeffizientenvektor C Q₀ / rad erzeugt wird, der dem Ausgang des Analysesystems (55) zugeführt wird, die Anordnung eine Einrichtung (11) zur Freifeldberechnung enthält, die einen Eingang besitzt, der mit dem Koeffizientenvektor C Q₀ / rad vom Analyseausgang gespeist wird und einen Ausgang besitzt, an dem der Schalldruck oder die Schallschnelle des Direktschalles w_rad an einem beliebigen Punkt im freien Schallfeld bestimmt werden kann.
Eine Anordnung zur Bestimmung des von einem Testobjekt (2) mit einer Schallquelle Q₀ abgestrahlten Direktschalles w_rad, gekennzeichnet dadurch, dass die Anordnung ein Messdatenakquisesystem enthält, das den Schalldruck oder eine andere Schallfeldgröße p_t(r_m) des in unmittelbarer Nähe des Testobjektes (2) befindlichen Schallfeldes akquiriert, und das Messdatenakquisesystem einen Messdatenausgang besitzt, an dem der Signalvektor
ausgegeben wird, der eine Schallfeldgröße p_t(r_m) für jeden Messpunkt r_m mit m = 1, ..., M enthält, ein Analysesystem (55) enthält, das einen Analyseeingang besitzt, der mit dem Signalvektor
vom Messdatenausgang versorgt wird, einen Ausgang besitzt, an dem der Koeffizientenvektor C Q₀ / rad der Reihenentwicklung des Direktschalles w_rad in sphärischen Harmonischen mit der Ordnung N ausgegeben wird, im Koeffizientenvektor C Q₀ / rad mindestens ein Koeffizient C_j,rad mit Null approximiert wurde, während Koeffizienten höherer Ordnungen ungleich null sind, oder die Anzahl L der Koeffizienten im Koeffizientenvektor C Q₀ / rad größer ist als die Anzahl M der Messwerte im Signalvektor
oder die Anzahl M der Messwerte kleiner ist als (N + 1)², eine Einrichtung (11) zur Freifeldberechnung enthält, die einen Eingang besitzt, der mit dem Koeffizientenvektor C Q₀ / rad vom Analyseausgang gespeist wird und einen Ausgang besitzt, an dem der Schalldruck, die Schallschnelle oder eine andere Schallfeldgröße des Direktschalles w_rad an einem beliebigen Punkt im freien Schallfeld bestimmt werden kann.
Anordnung nach Anspruch 1, 5, 7, 8, 10, 12, 14 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Analysesystem (55) einen Koeffizientenschätzer (81) enthält, dessen erster Eingang mit dem Signalvektor
vom ersten Analyseeingang gespeist wird, und an dessen Ausgang ein reduzierter Koeffizientenvektor C Q₀ / red[l] erzeugt wird, wobei der Koeffizientenschätzer (81) einen Parametereingang besitzt, dem eine angepasste Entwicklungsmatrix Ψ_d,red[l] zugeführt wird, das Analysesystem (55) ein inverses Transformationssystem (85) enthält, dessen erster Eingang mit dem Koeffizientenvektor C Q₀ / red[l] vom Ausgang des Koeffizientenschätzers (81) gespeist wird und dessen Parametereingang eine Selektionsmatrix S[l] zugeführt wird, und an dessen Ausgang der vollständige Koeffizientenvektor C Q₀ / rad[l] erzeugt wird, das Analysesystem (55) ein Bewertungssystem (87) enthält, dessen Eingang der vollständige Koeffizientenvektor C Q₀ / rad[l] zugeführt wird, an dessen Ausgang ein Beitragsvektor γ[l] erzeugt wird, der für jeden Koeffizienten C_j,rad im Koeffizientenvektor C Q₀ / rad[l] den Beitrag γ_j[l] beschreibt, den dieser Koeffizient zur abgestrahlten Schallleistung leistet, das Analysesystem (55) ein Selektionssystem (89) enthält, dessen Eingang mit dem Beitragsvektor γ[l] vom Ausgang des Bewertungssystem (87) gespeist wird, und an dessen Ausgang eine Selektionsmatrix S[l] erzeugt wird, der die Koeffizienten C_j,rad gleich Null setzt, dessen Beitrag γ_j[l] kleiner als ein kritischer Grenzwert γ₀ ist, wobei der Ausgang mit dem Parametereingang des inversen Transformationssystems (85) verbunden ist, das Analysesystem (55) ein Generierungssystem (84) enthält, das einen Eingang besitzt, der mit der maximalen Ordnung N[l + 1] vom zweiten Ausgang des Selektionssystem (89) gespeist wird, und an dessen Ausgang eine vollständige Entwicklungsmatrix Ψ_d[l + 1] der Ordnung N erzeugt wird, das Analysesystem (55) ein Transformationssystem (83) enthält, dessen Eingang mit der vollständigen Entwicklungsmatrix Ψ_d[l + 1] gespeist wird, und dessen Parametereingang mit der Selektionsmatrix S[l] vom Ausgang des Selektionssystem (89) gespeist wird, und an dessen Ausgang eine angepasste Entwicklungsmatrix Ψ_d,red[l + 1] erzeugt wird, die dem Parametereingang des Koeffizientenschätzers (81) zugeführt wird.
Eine Anordnung zur Bestimmung des von einem Testobjekt (2) mit einer Schallquelle Q₀ abgestrahlten Direktschalles w_rad, gekennzeichnet dadurch, dass die Anordnung ein Messdatenakquisesystem enthält, das den Schalldruck oder eine andere Schallfeldgröße p_t(r_m) des in unmittelbarer Nähe des Testobjektes (2) befindlichen Schallfeldes akquiriert, das Messdatenakquisesystem einen Messdatenausgang besitzt, an dem der Signalvektor
ausgegeben wird, der eine Schallfeldgröße p_t(r_m) für jeden Messpunkt r_m mit m = 1, ..., M enthält, einen Koeffizientenschätzer (81) enthält, dessen erster Eingang mit dem Signalvektor
vom Messdatenausgang gespeist wird, dieser einen zweiten Parametereingang besitzt, dem eine angepasste Entwicklungsmatrix Ψ_d,red[l] zugeführt wird, der Koeffizientenschätzer (81) einen Ausgang besitzt, an dem ein reduzierter Koeffizientenvektor C Q₀ / red[l] erzeugt wird, ein Bewertungssystem (85), (87) enthält, dessen Eingang der Koeffizientenvektor C Q₀ / red[l] zugeführt wird, an dessen Ausgang ein Beitragsvektor γ[l] erzeugt wird, der für jeden Koeffizienten C_j,red im Koeffizientenvektor C Q₀ / red[l] den Beitrag γ_j[l] beschreibt, den dieser Koeffizient zur abgestrahlten Schallleistung leistet, ein Selektionssystem (89) enthält, dessen Eingang mit dem Beitragsvektor γ[l] vom Ausgang des Bewertungssystem (85), (87) gespeist wird, wobei an dessen Ausgang eine Selektionsmatrix S[l] erzeugt wird, die alle die Koeffizienten selektiert, deren Beitrag γ_j[l] kleiner als ein kritischer Grenzwert γ₀ ist, ein Generierungssystem (83), (84) enthält, das einen Eingang besitzt, der mit der Selektionsmatrix S[l] gespeist wird und einen Ausgang besitzt, der eine Entwicklungsmatrix Ψ_d,red[l + 1] erzeugt, welche die zu den in der Selektionsmatrix S[l] selektierten Koeffizienten zugehörigen Entwicklungsfunktionen durch bisher in Ψ_d,red[l] nicht enthaltene Entwicklungsfunktionen höherer Ordnungen ersetzt.
Anordnung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung ein iteratives Steuerungssystem (91) enthält, welches nach jedem Berechnungsdurchlauf l um 1 inkrementiert, welches einen Eingang besitzt, der mit dem reduzierten Koeffizientenvektor C Q₀ / red[l] oder dem entsprechend transformierten vollständigen Koeffiezienzenvektor C Q₀ / rad[l] verbunden ist, und dessen Ausgang den Koeffiezienzenvektor C Q₀ / rad ausgibt, wenn bei der Iteration zwischen C Q₀ / red[l] und C Q₀ / red[l + 1] keine Veränderung stattgefunden hat.
Verfahren zur Bestimmung des von einem Testobjekt (2) mit einer Schallquelle Q₀ abgestrahlten Direktschalles w_rad unter dem Einfluss von einfallenden Schallwellen w_in, die durch Störquelle Q₁ und Schallreflexionen an externen Begrenzungsflächen S_B verursacht werden, das Testobjekt eine Oberfläche S₀ mit unbekannten akustischen Eigenschaften besitzt, die eine sekundäre Schallwelle w_sec aus der einfallenden Schallwelle w_in erzeugt, die sich mit dem Direktschall w_rad überlagert, gekennzeichnet dadurch, dass eine Schallfeldgröße p_t des in unmittelbarer Nähe des Testobjektes (2) befindlichen Schallfeldes an mindestens zwei Messpunkten r_m mit m = 1, ..., M in einem Abtastbereich G_m mit Hilfe eines Messdatenakquisesystems erfasst wird, und als Signalvektor
an einem Messdatenausgang ausgegeben wird, der Signalvektor
dem Eingang eines Identifikationssystems (16) zugeführt wird und mindestens ein Parameter P erzeugt wird, der die Übertragungsfunktion f zwischen der einfallenden Schallwelle w_in und der sekundären Schallwelle w_sec beschreibt, der Parameter P dem Parametereingang eines Analysesystems (55) zugeführt wird, der Signalvektor
dem Analyseeingang des Analysesystems (55) zugeführt wird, das Analysesystems (55) einen Koeffizientenvektor C Q₀ / rad oder eine andere mathematische Repräsentation des Direktschalles w_rad erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Signalvektor
am Eingang des Identifikationssystems (16) mit Hilfe linearer Filterung (39) ein gefilterter Signalvektor
erzeugt wird, der den spät eintreffenden Nachhall der Schallquelle Q₀ und Q₁ enthält und in dem der Direktschall w_rad der Schallquelle Q₀ bedämpft ist, aus dem Signalvektor
am Ausgang des Filters (39) durch IO-Feldseparierung (19) ein erster Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / in,w erzeugt wird, der die einfallende Schallwelle w_in des späten Nachhalles beschreibt und ein zweiter Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / out,w erzeugt erzeugt wird, der die auslaufende Welle des späten Nachhalles beschreibt, aus dem Signalvektor
am Eingang des Identifikationssystems (16) durch IO- Feldseparierung (18) ein erster Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / in erzeugt wird, der die einfallende Gesamtschallwelle w_in beschreibt, und ein zweiter Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / out erzeugt wird, der die auslaufende Welle beschreibt, die die Überlagerung einer sekundären Welle w_sec und des Direktschalles w_rad ist, aus dem ersten Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / in und dem zweiten Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / out durch PS-Feldseparierung (24) der Koeffizientenvektor C Q₀ / rad berechnet wird, der den von der Schallquelle Q₀ erzeugten Direktschall w_rad beschreibt, wobei die PS-Feldseparierung (24) den ersten Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / in,w und den Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / out,w des des Nachhalles als Parameter benutzt.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass in der PS-Feldseparierung aus dem ersten und zweiten Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / in,w bzw. C Q₀,Q₁ / out,w des Nachhalles ein Parameter k_t erzeugt wird, der die akustische Transparenz des von dem Abtastbereich G_m eingeschlossenen Raumes beschreibt, aus dem ersten Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / in des Gesamtsignals und dem Parameter k_t ein Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / sec erzeugt wird, der die sekundäre Welle w_sec beschreibt, die durch die einfallende Welle w_in und durch Beugung oder Streuung an der Oberfläche S₀ entstanden ist, aus dem Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / out des Gesamtsignals und dem Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / sec der sekundären Welle w_sec durch Subtraktion (95) der Koeffizientenvektor C Q₀ / rad erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die PS-Feldseparierung aus dem ersten Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / in,w des Nachhalles und dem ersten Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / in des Gesamtsignals ein Parameter k_x erzeugt wird, der die Übereinstimmung des Schalleinfalles des Nachhalles und des Gesamtschalles beschreibt, aus dem zweiten Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / out,w des Nachhalles und dem Parameter k_x der Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / sec erzeugt wird, der die sekundäre Welle w_sec beschreibt, die durch die einfallende Welle w_in und durch Beugung oder Streuung an der Oberfläche S₀ entstanden ist, aus dem Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / out des Gesamtsignals und dem Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / sec der sekundären Welle w_sec durch Subtraktion (95) der Koeffizientenvektor C Q₀ / rad erzeugt wird.
Verfahren zur Bestimmung des von einem Testobjekt (2) mit einer Schallquelle Q₀ abgestrahlten Direktschalles w_rad unter dem Einfluss von einfallenden Schallwellen w_in, die durch eine Störquelle Q₁ und Schallreflexionen an externen Begrenzungsflächen S_B verursacht werden, das Testobjekt eine Oberfläche S₀ mit unbekannten akustischen Eigenschaften besitzt, die eine sekundäre Schallwelle w_sec aus der einfallenden Schallwelle w_in erzeugt, die sich mit dem Direktschall w_rad überlagert, gekennzeichnet dadurch, dass eine Schallfeldgröße p_t des in unmittelbarer Nähe des Testobjektes (2) befindlichen Schallfeldes an mindestens zwei Messpunkten r_m mit m = 1, ..., M in einem Abtastbereich G_m mit Hilfe eines Messdatenakquisesystems erfasst wird, und als Signalvektor
an einem Messdatenausgang ausgegeben wird, der Signalvektor
dem Analyseeingang des Analysesystems (55) zugeführt wird, der Signalvektor
in den Hilfsmitteln (18) und (24) einer Feldseparation unterzogen wird und ein Koeffizientenvektor C Q₀ / ps erzeugt wird, der den Direktschall w_rad für Signalfrequenzen unterhalb einer Grenzfrequenz f_g beschreibt, der Signalvektor
in dem linearen System (111) einer Filterung unterzogen wird, hierbei Signalanteile unterdrückt werden, die durch den späten Anteil der Impulsantwort des Testobjektes 2 erzeugt wurden, und am Ausgang des linearen Systems (111) ein Signalvektor
erzeugt wird, der den Direktschall w_rad für Signalfrequenzen oberhalb einer Grenzfrequenz beschreibt, durch Analyse des Signalvektors
im Freifeldanalysator (113) ein frequenzabhängiger Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / w erzeugt wird, eine Grenzfrequenz f_g in einem Bewertungssystem (113) bestimmt wird, die die obere Grenze des Gültigkeitsbereich des durch Feldseparation bestimmten frequenzabhängigen Koeffizientenvektors C Q₀ / ps beschreibt, die Grenzfrequenz f_g dem Steuereingang einer Weiche (115) zugeführt wird, und damit ihre Übernahmefrequenz f_c = f_g bestimmt wird, der frequenzabhängige Koeffizientenvektor C Q₀ / ps dem ersten Signaleingang der Weiche (115) Weiche zugeführt wird, wobei die Weiche zwischen dem ersten Signaleingang und dem Ausgang eine Tiefpasscharakteristik bis zur Übernahmefrequenz f_c besitzt, der frequenzabhängige Koeffizientenvektor C Q₀,Q₁ / w dem zweiten Signaleingang der Weiche (115) Weiche zugeführt wird, wobei die Weiche zwischen dem ersten Eingang und dem Ausgang eine Hochpasscharakteristik oberhalb der Übernahmefrequenz f_c besitzt, an dem Ausgang der Weiche ein Koeffizientenvektor C Q₀ / rad erzeugt wird, der die Reihenentwicklung des Direktschall w_rad für alle Signalfrequenzen beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stimulus u(t) in der Messeinrichtung (14) generiert wird, der Stimulus u(t) dem Testobjekt (2) als Eingangssignal zugeführt wird, der Schalldruck oder eine andere Schallfeldgröße p_t im Nahfeld des Testobjektes (2) mit Hilfe mindestens eines akustischen Sensors (1) gemessen wird, ein Koeffizientenvektor C Q₀ / rad als das Ergebnis einer Reihenentwicklung des Direktschalles w_rad mit Hilfe der Eigenfunktionen der Wellengleichung am Analyseausgang des Analysesystems (55) ausgegeben wird, der Schalldruck, die Schallschnelle oder eine andere Schallfeldgröße des Direktschalles w_rad an einem beliebigen Punkt im freien Schallfeld mit Hilfe des Koeffizientenvektors C Q₀ / rad in der Einrichtung (11) berechnet wird.
Verfahren zur Bestimmung des von einem Testobjekt (2) mit einer Schallquelle Q₀ abgestrahlten Direktschalles w_rad unter dem Einfluss von einfallenden Schallwellen w_in, die durch eine Störquelle Q₁ und Schallreflexionen an externen Begrenzungsflächen S_B verursacht werden, das Testobjekt eine Oberfläche S₀ mit unbekannten akustischen Eigenschaften besitzt, die eine sekundäre Schallwelle w_sec aus der einfallenden Schallwelle w_in erzeugt, die sich mit dem Direktschall w_rad überlagert, gekennzeichnet dadurch, dass die Anordnung eine Schallfeldgröße p_t des in unmittelbarer Nähe des Testobjektes (2) befindlichen Schallfeldes an mindestens zwei Messpunkten r_m mit m = 1, ..., M in einem Abtastbereich G_m mit Hilfe eines Messdatenakquisesystems erfasst wird, und als Signalvektor
an einem Messdatenausgang ausgegeben wird, der Signalvektor
einer Reihenentwicklung mit den Lösungen der Wellengleichung in einer Analyseeinrichtung (55) unterzogen wird und ein Koeffizientenvektor C Q₀ / rad bestimmt wird, der den Direktschall w_rad beschreibt, der Messfehler e_w der Direktschallbestimmung in der Analyseeinrichtung (55) bestimmt wird, der Messfehler e_w einer Reihenentwicklung mit den Lösungen der Wellengleichung in einer Analyseeinrichtung (55) unterzogen wird und ein Koeffizientenvektor E_rad des Messfehlers bestimmt wird, der Koeffizientenvektor E_rad einer Einrichtung (11) zur Freifeldberechnung zugeführt wird und der Messfehler e_rad(r) am Empfangspunkt r bestimmt wird, der Koeffizientenvektor C Q₀ / rad der Einrichtung (11) zur Freifeldberechnung zugeführt wird und eine Schallfeldgröße p_rad(r) des Direktschalles w_rad am Empfangspunkt r bestimmt wird, wenn der Messfehler e_rad(r) am Empfangspunkt r unter einem Schwellwert liegt.
Verfahren zur Messung der von einem Testobjekt (2) mit einer Schallquelle Q₀ abgestrahlten Direktschalles w_rad, unter dem Einfluss einer einfallenden Schallwelle w_in, die durch eine Störquelle Q₁ hervorgerufen wird, gekennzeichnet dadurch, dass eine Schallfeldgröße p_t(r_m) an mindestens einem Messpunkt r_m in einem Abtastbereich G_m in unmittelbarer Nähe des Testobjektes (2) mit Hilfe mindestens eines akustischen Sensors (1) erfasst wird, eine Schallfeldgröße p_t(r_a) an mindestens einem Punkt r_a im Fernfeld des Testobjektes (2) mit Hilfe mindestens eines zusätzlichen akustischen Sensors (76) erfasst wird, mit Hilfe des akustischen Signals p_t(r_a) vom Sensors (76) in einer Messeinrichtung (77) eine Störung des akustischen Signal p_t(r_m) vom Sensors (1) durch die Störquelle Q₁ erkannt wird und der Messvorgang wiederholt wird und ein störungsfreies Signal p_t(r_m) erzeugt wird, das in dem Signalvektor
gespeichert wird, nachdem ein störungsfreies Signal p_t(r_m) am Messpunkt r_m erfasst wurde, der akustische Sensor (1) zum nächsten Messpunkt r_m+1 entsprechend einer Abtastfolge R = [r₁, ..., r_m, ... r_M] bewegt wird, der Signalvektor
dem Analyseeingang der Analyseeinrichtung (55) zugeführt wird, ein Koeffizientenvektor C Q₀ / rad der Reihenentwicklung des Direktschalles w_rad am Analyseausgang der Analyseeinrichtung (55) ausgegeben wird, der Schalldruck oder die Schallschnelle des Direktschalles w_rad an einem beliebigen Punkt im freien Schallfeld mit Hilfe des Koeffizientenvektor C Q₀ / rad berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (77) die momentane Amplitude des akustischen Signals p_t(r_m) vom Sensor (1) mit der momentanen Amplitude des akustischen Signals p_t(r_a) vom Sensor (76) vergleicht, im Falle, dass die momentane Amplitude des akustischen Signals p_t(r_m) vom Sensor (1) die momentane Amplitude des akustischen Signals p_t(r_a) vom Sensor (76) um einen definierten Wert übersteigt, dieser momentane Wert des Signales p_t(r_m) als ein störungsfreier Anteil in dem Signalvektor
gespeichert wird, ein durch die Störquelle Q₁ korrumpierter Messvorgang am Punkt r_m durch die Messeinrichtung (77) wiederholt wird, bis ein vollständiges Signal p_t(r_m) ohne Störungen in dem Signalvektor
vorliegt.
Verfahren zur Bestimmung des von einem Testobjekt (2) mit mindestens einer Schallquelle Q₀ abgestrahlten Direktschalles w_rad, gekennzeichnet dadurch, dass eine Schallfeldgröße p_t(r_m) an mindestens einem Messpunkt r_m in einem Abtastbereich G_m in unmittelbarer Nähe des Testobjektes (2) entsprechend einer Abtastfolge R = ⌊r₁ ... r_m ... r_M₁⌋ mit Hilfe eines Messdatenakquisesystems (77) erfasst wird und in dem Signalvektor
gespeichert wird, aus dem Signalvektor
mit Hilfe des Analysesystems (55) der Koeffizientenvektor C Q₀ / rad[l] bestimmt wird, wobei ein beliebiger Entwicklungspunkt r₀[l] im ersten Iterationsschritt l = 1 für die Reihenentwicklung gewählt wird, aus dem Koeffizientenvektor C Q₀ / rad[l] des Direktschalles w_rad mit Hilfe eine Entwicklungspunktdetektors (59) die Koordinaten eines optimierten Entwicklungspunktes r₀[l + 1] erzeugt werden, die im Allgemeinen eine Funktion der Frequenz sind, aus dem Signalvektor
mit Hilfe des Analysesystems (55) ein optimierter Koeffizientenvektor C Q₀ / rad[l + 1] bestimmt wird, wobei die Koordinaten des optimierten Entwicklungspunktes r₀[l + 1] für die Reihenentwicklung verwendet werden, der Schalldruck oder die Schallschnelle des Direktschalles w_rad an einem beliebigen Punkt im freien Schallfeld mit Hilfe des optimierten Koeffizientenvektors C Q₀ / rad[l + 1] berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalvektor
mit mindestens eines akustischen Sensors (1), einer Messeinrichtung (77) und einer Positioniereinrichtung (49) erfasst wird, aus dem optimierten Entwicklungspunkt r₀[l + 1] mit Hilfe eines Generators (53) eine erweiterte Abtastfolge R[l + 1] = ⌊r₁ ... r_M₁ ... r_m ... r_M₁+M₂⌋ erzeugt wird, die erweiterte Abtastfolge R[l + 1] = ⌊r₁ ... r_M₁ ... r_m ... r_M₁+M₂⌋ der Positioniereinrichtung (49) zugeführt wird, durch die Messung des akustischen Signals p_t(r_m) an weiteren M₂ Messpunkten ein erweiterter Signalvektor
erzeugt wird, aus dem Signalvektor
mit Hilfe des Analysesystems (55) ein optimierter Koeffizientenvektor C Q₀ / rad[l + 1] bestimmt wird, der Schalldruck, die Schallschnelle oder eine andere Schallfeldgröße des Direktschalles w_rad an einem beliebigen Punkt im freien Schallfeld mit Hilfe des optimierten Koeffizientenvektors C Q₀ / rad[l + 1] berechnet wird.
Verfahren zur Messung der von einem Testobjekt (2) mit einer Schallquelle Q₀ abgestrahlten Direktschalles w_rad, gekennzeichnet dadurch, dass eine Schallfeldgröße p_t(r_m) an mindestens einem Messpunkt r_m in einem Abtastbereich G_m in unmittelbarer Nähe des Testobjektes (2) entsprechend einer Abtastfolge R[l] = ⌊r₁ ... r_m ... r_M₁⌋ mit Hilfe mindestens eines akustischen Sensors (1), einer Messeinrichtung (77) und einer Positioniereinrichtung (49) erfasst wird und in dem Signalvektor
gespeichert wird, aus dem Signalvektor
mit Hilfe des Analysesystems (55) der Koeffizientenvektor C Q₀ / rad[l] bestimmt wird, aus dem Koeffizientenvektor C Q₀ / rad[l] des Direktschalles w_rad mit Hilfe eines Symmetriedetektors (60) ein Symmetrieparameter A[l + 1] erzeugt wird, der die frequenzabhängige Symmetrie der Abstrahlungscharakteristik der Schallquelle Q₀ des Testobjektes (2) beschreibt, aus dem Signalvektor
mit Hilfe des Analysesystems (55) unter Beücksichtigung des Symmetrieparameters A[l + 1] ein optimierter Koeffizientenvektor C Q₀ / rad[l + 1] bestimmt wird, der Schalldruck oder die Schallschnelle des Direktschalles w_rad an einem beliebigen Punkt im freien Schallfeld mit Hilfe des optimierten Koeffizientenvektors C Q₀ / rad[l + 1] berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Symmetrieparameter A[l + 1] mit Hilfe eines Generators (53) eine erweiterte Abtastfolge R[l + 1] = ⌊r₁ ... r_M₁ ... r_m ... r_M₁+M₂⌋ erzeugt wird, die erweiterte Abtastfolge R[l + 1] = ⌊r₁ ... r_M₁ ... r_m ... r_M₁+M₂⌋ der Positioniereinrichtung (49) zugeführt wird, durch die Messung des akustischen Signals p_t(r_m) an weiteren M₂ Messpunkten ein erweiterter Signalvektor
erzeugt wird, aus dem Signalvektor
mit Hilfe des Analysesystems (55) ein optimierter Koeffizientenvektor C Q₀ / rad[l + 1] bestimmt wird, der Schalldruck oder die Schallschnelle des Direktschalles w_rad an einem beliebigen Punkt im freien Schallfeld mit Hilfe des optimierten Koeffizientenvektors C Q₀ / rad[l + 1] berechnet wird.
Verfahren zur Messung der von einem Testobjekt (2) mit einer Schallquelle Q₀ abgestrahlten Direktschalles w_rad, gekennzeichnet dadurch, dass eine Schallfeldgröße p_t(r_m) an mindestens einem Messpunkt r_m in einem ersten Abtastbereich G₁ entsprechend einer ersten Abtastfolge R_M₁ = [r₁ ... r_m ... r_M₁] mit Hilfe eines akustischen Sensors (1), einer Messeinrichtung (77) und einer Positioniereinrichtung (49) gemessen wird und in einem ersten Signalvektor p Q₀,Q₁ / G₁,t gespeichert wird, eine Schallfeldgröße p_t(r_m) an mindestens einem Messpunkt r_m in einem zweiten Abtastbereich G₂ einer zweiten Abtastfolge R_M₂ = [r_M₁+1 ... r_m ... r_M₁+M₂] mit Hilfe eines akustischen Sensors, einer Messeinrichtung und einer Positioniereinrichtung gemessen wird und in einem zweiten Signalvektor p Q₀,Q₁ / G₂,t gespeichert wird, die Dichte der Messpunkte im Abtastbereich G₁ größer ist als die Dichte der Messpunkte im Abtastbereich G₂, aus dem ersten Signalvektor p Q₀,Q₁ / G₁,t und dem zweiten Signalvektor p Q₀,Q₁ / G₂,t mit Hilfe des Analysesystems (55) der Koeffizientenvektor C Q₀ / rad bestimmt wird, der Schalldruck, die Schallschnelle oder eine andere Schallfeldgröße des Direktschalles w_rad an einem beliebigen Punkt im freien Schallfeld mit Hilfe des Koeffizientenvektors C Q₀ / rad berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Analysesystem (55) aus dem Signalvektor p Q₀,Q₁ / G₂,t mit Hilfe eines ersten Subanalysator (63) ein Koeffizientenvektor C Q₀,Q1 / G₂,rad erzeugt wird, dessen Ordnung N von der Anzahl der Messpunkte M₂ begrenzt wird, aus dem Koeffizientenvektor C Q₀,Q1 / G₂,rad mit Hilfe eines Subsystem (65) zur Schallfeldberechnung ein erweiterter Signalvektor p Q₀,Q₁ / G₂',t erzeugt wird, der eine höhere Anzahl von Abtastwerten enthält als der ursprüngliche Vektor p Q₀,Q₁ / G₂,t, aus dem ersten Signalvektor p Q₀,Q₁ / G₁,t und dem erweiterter Signalvektor p Q₀,Q₁ / G₂',t mit Hilfe eines Vereinigungssystem (67) ein vereinigter Signalvektor
erzeugt wird, der die Abtastwerte vom Abtastbereich G₁ und synthetisierte Abtastwerte vom Abtastbereich G₂ enthält, aus dem vereinigten Signalvektor
mit Hilfe eines zweiten Subsystem (69) ein Koeffizientenvektor C Q₀ / rad erzeugt wird, der dem Ausgang des Analysesystems (55) zugeführt wird.
Verfahren zur Messung der von einem Testobjekt (2) mit einer Schallquelle Q₀ abgestrahlten Direktschalles w_rad, gekennzeichnet dadurch, dass der Schalldruck oder eine andere Schallfeldgröße p_t, an mindestens einem Messpunkt r_m in einem Abtastbereich G_m mit Hilfe eines Messdatenakquisesystems erfasst werden, und als Signalvektor
an einem Messdatenausgang ausgegeben wird, aus dem Signalvektor
mit Hilfe eines Analysesystems (55) ein Koeffizientenvektor C Q₀ / rad erzeugt wird, wobei in dem Koeffizientenvektor C Q₀ / rad der Reihenentwicklung in sphärischen Harmonischen mit der Ordnung N mindestens ein Koeffizient C_j,rad mit Null approximiert wurde, während Koeffizienten höherer Ordnungen ungleich null sind, oder die Anzahl L der Koeffizienten im Koeffizientenvektor C Q₀ / rad größer ist als die Anzahl M der Messwerte im Signalvektor
oder die Anzahl M der Messwerte kleiner ist als (N + 1)², der Schalldruck, die Schallschnelle oder eine andere Schallfeldgröße des Direktschalles w_rad an einem beliebigen Punkt im freien Schallfeld mit Hilfe des Koeffizientenvektors C Q₀ / rad berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 20, 24, 26, 27, 29, 31, 33 oder 35, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Analysesystem (55) aus dem Signalvektor
mit Hilfe eines Koeffizientenschätzers (81) unter Benutzung einer angepassten Entwicklungsmatrix Ψ_d,red[l] ein reduzierter Koeffizientenvektor C Q₀ / red[l] erzeugt wird, aus dem Koeffizientenvektor C Q₀ / red[l] mit Hilfe eines inversen Transformationssystem (85) unter Benutzung einer Selektionsmatrix S[l] der vollständige Koeffizientenvektor C Q₀ / rad[l] erzeugt wird, aus dem vollständigen Koeffizientenvektor C Q₀ / rad[l] mit Hilfe eines Bewertungssystem (87) ein Beitragsvektor γ[l] erzeugt wird, der für jeden Koeffizienten C_j,rad im Koeffizientenvektor C Q₀ / rad[l] den Beitrag γ_j[l] beschreibt, den dieser Koeffizient zur abgestrahlten Schallleistung leistet, aus dem Beitragsvektor γ[l] mit Hilfe eines Selektionssystems (89) eine Selektionsmatrix S[l] erzeugt wird, die den Koeffizienten C_j,rad gleich Null setzt, dessen Beitrag γ_j[l] kleiner ist als ein kritischer Grenzwert γ₀, die Selektionsmatrix S[l] dem inversen Transformationssystem (85) zugeführt wird, aus dem Beitragsvektor γ[l] mit Hilfe des Selektionssystems (89) die maximalen Ordnung N[l + 1] der Reihenentwicklung bestimmt wird, aus der Abtastfolge R[l], mit Hilfe des Generierungssystems (84) unter Benutzung der maximalen Ordnung N[l + 1], des Entwicklungspunktes r₀[l] und des Symmetrieparameters A[l] eine vollständige Entwicklungsmatrix Ψ_d[l + 1] erzeugt wird, aus der vollständigen Entwicklungsmatrix Ψ_d[l + 1] mit Hilfe eines Transformationssystems (83) unter Benutzung der Selektionsmatrix S[l] eine angepasste Entwicklungsmatrix Ψ_d,red[l + 1] erzeugt wird, die angepasste Entwicklungsmatrix Ψ_d[l + 1] dem Koeffizientenschätzer (81) zugeführt wird.
Verfahren zur Bestimmung des von einem Testobjekt (2) mit einer Schallquelle Q₀ abgestrahlten Direktschalles w_rad, gekennzeichnet dadurch, dass der Schalldruck oder eine andere Schallfeldgröße p_t, an mindestens einem Messpunkt r_m in einem Abtastbereich G_m mit Hilfe eines Messdatenakquisesystems erfasst werden, und als Signalvektor
an einem Messdatenausgang ausgegeben wird, aus dem Signalvektor
mit Hilfe eines Koeffizientenschätzers (81) unter Benutzung einer angepassten Entwicklungsmatrix Ψ_d,red[l] ein reduzierter Koeffizientenvektor C Q₀ / red[l] erzeugt wird, aus dem Koeffizientenvektor C Q₀ / red[l] mit Hilfe eines Bewertungssystem (85), (87) ein Beitragsvektor γ[l] erzeugt wird, der für jeden Koeffizienten C_j,red im Koeffizientenvektor C Q₀ / red[l] den Beitrag γ_j[l] beschreibt, den dieser Koeffizient zur abgestrahlten Schallleistung leistet, aus dem Beitragsvektor γ[l] mit Hilfe eines Selektionssystems (89) eine Selektionsmatrix S[l] erzeugt wird, die jeden Koeffizienten selektiert, dessen Beitrag γ_j[l] kleiner ist als ein kritischer Grenzwert γ₀, mit einem Generierungssystem (83), (84) anhand der Selektionsmatrix S[l] und der Entwicklungsmatrix Ψ_d,red[l] eine Entwicklungsmatrix Ψ_d,red[l + 1] erzeugt wird, welche die zu den in der Selektionsmatrix S[l] selektierten Koeffizienten zugehörigen Entwicklungsfunktionen durch bisher in Ψ_d,red[l] nicht enthaltene Entwicklungsfunktionen höherer Ordnungen ersetzt.
Verfahren nach Anspruch 36 oder 37, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines iterativen Steuerungssystems (91) nach jedem Berechnungsdurchlauf l um 1 inkrementiert und der Koeffizientenvektor C Q₀ / rad aus dem reduzierten Koeffizientenvektor C Q₀ / red[l] oder dem entsprechend transformierten vollständigen Koeffizientenvektor C Q₀ / rad[l] erzeugt wird, wenn bei der Iteration zwischen C Q₀ / red[l] und C Q₀ / red[l + 1] keine Veränderung stattgefunden hat.