DE102016001608A1

DE102016001608A1 - Verteiltes, synchrones Multisensor-Mikrofonsystem

Info

Publication number: DE102016001608A1
Application number: DE102016001608.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kletschkowski; Rasmus Rettig; Dagmar Rokita; Friedrich Ueberle; Birgit Wendholt; Tobias Wenzel
Original assignee: Hochschule fur Angewandte Wissenschaften Hamburg Korperschaft Des Offentlichen Rechts; Hochschule fur Angewandte Wss Hamburg Korperschaft Des Offentlichen Rechts
Current assignee: Hochschule fur Angewandte Wissenschaften Hamburg Korperschaft Des Offentlichen Rechts; Hochschule fur Angewandte Wss Hamburg Korperschaft Des Offentlichen Rechts
Priority date: 2016-02-12
Filing date: 2016-02-12
Publication date: 2017-08-17
Also published as: EP3206414A1

Abstract

Kern der Erfindung ist die Integration mindestens eines Mikrofons gemeinsam mit mindestens einem Beschleunigungssensor und weiteren Sensoren für relevante Messgrößen mit einem Rechenwerk und nicht-flüchtigem Speicher einem intelligenten Mikrofonmodul sowie ein kaskadierbarer Aufbau aus Untereinheiten, die durch automatische Zeitsynchronisation, die zeitsynchronen Datensammlung aus allen intelligenten Mikrofonmodulen erlauben.

Description

Die Erfindung betrifft vielkanalige, synchrone Messtechnik für Luft- und Körperschall. Insbesondere wird die Realisierung einer akustischen Kamera mit einem verteilten Multisensor-Mikrofonsystem beschrieben. Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung auch die Realisierung von adaptiven Systemen z. B. zur Geräuschminderung.
Stand der Technik
Das Dokument [1] „Mit den Augen hören – acustic camera", GFAI/Gesellchaft für angewandte Informatik, Berlin beschreibt unterschiedliche Anwendungen für eine akustische Kamera. Explizit wird eingegangen auf ortsaufgelöste Untersuchungen von Schallemissionen von Windenergieanlagen, Baufahrzeugen, Automobilen, Fluggeräten, Industrieanlagen sowie Nähmaschinen.
Die [2] DE10304215A1 – „Verfahren und Vorrichtung zur bildgebenden Darstellung von akustischen Objekten sowie ein entsprechendes Computerprogramm-Erzeugnis und ein entsprechendes computerlesbares Speichermedium” beschreibt den Aufbau einer akustischen Kamera mit einem zentralen Datenrekorder, einem Kalibriertester sowie einem PC mit unterschiedlichen Analyse- sowie Visualisierungsmöglichkeiten.
Die [3] US2014/0241548 – „Acoustic Sensor Apparatur and acoustic camera for using MEMS microphone array” beschreibt eine akustische Kamera aus MEMS-Mikrofonen in einer Anordnung auf einer Leiterplatte.
Die [4] US 5193117 – „microphone apparatus” beschreibt einen Aufbau mit zwei Mikrofonen mit einer Kugelcharakterisitk, die durch zeitliche Verschiebung und Überlagerung zur Reduzierung von Hintergrundgeräuschen genutzt werden.
Die Messung von Luftschall wird nach dem Stand der Technik mit Mikrofonen durchgeführt. Diese wandeln Luftschall in ein elektrisches Signal, typischerweise eine elektrische Spannung. Nach dem Stand der Technik wird dieses Signal verstärkt und dann weiter verarbeitet oder direkt im Mikrofon digitalisiert und digital übertragen. Mikrofone wandeln jedoch neben dem zu messenden Luftschall auch Körperschall in ein elektrisches Signal, welches der eigentlichen Messgröße als Störung überlagert wird. Um diese zu minimieren, werden Mikrofone meist gegen Körperschall isoliert aufgebaut, z. B. durch Integration in eine schwingungsdämpfende Halterung oder durch Aufhängung an der Decke (z. B. Konzerthallen).
Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
Eine Grundidee dieser Erfindung integriert einen Aufnehmer für Körperschall (d. h. einen Beschleunigungssensor) gemeinsam mit dem akustischen Mikrofon in einer mechanischen Einheit und ermöglicht die elektronische Kompensation, d. h. Entfernung des Körperschallsignals. Hierzu wird weiterhin eine Recheneinheit (d. h. ein Microcontroller oder ein FPGA) integriert, der beide Signale synchron aufnimmt und digital von einander abzieht. Alternativ hierzu kann eine analoge Schaltung, wie z. B. ein Differenzverstärker, verwendet werden. Der Beschleunigungssensor kann ein- oder mehrachsig ausgeführt werden. Besonders vorteilhaft ist die beschriebene Erfindung unter Verwendung von mikromechanischen Sensoren, die durch ihre geringe Größe, ihr geringes Gewicht, ihre hohe Robustheit sowie ihren geringen Preis Vorzüge gegenüber feinmechanischen Sensoren bieten. Die im Mikrofon integrierte Recheneinheit kann darüber hinaus neben der Kompensation von Störsignalen diese Signale auch komprimieren und mit Zeitstempeln versehen, sodass diese im Nachgang mit den Signalen anderer Mikrofoneinheiten synchronisiert werden können. Ergänzend können durch die zusätzliche Aufzeichnung des Signals eines Beschleunigungssensors auch sehr niedrige Frequenzen aufgezeichnet werden, die ein akustisches Mikrofon nicht mehr detektieren kann (Infraschall).
Kern der Erfindung ist die Integration mindestens eines akustischen Mikrofons mit mindestens einem ein- oder mehrachsigen Beschleunigungssensors sowie einer programmierbaren Recheneinheit mit nicht-flüchtigem Speicher in ein Mikrofonmodul. Hierbei ist der Einsatz hochintegrierter Sensorik, die meist als mikroelektromechanisches System (MEMS) realisiert wird, vorteilhaft. Dieses ist in dargestellt.
Vorteil des Einsatzes hochintegrierter Sensorik liegt insbesondere in verbesserter Robustheit der Sensorik und des Messverfahrens, geringerer Empfindlichkeit gegen externe Störungen sowie erhöhter Robustheit und einer vereinfachten Durchführung akustischer Messungen. Darüber hinaus bieten die erfindungsgemäßen Sensormodule ein erhebliches Potenzial, Kosten für diese Messtechnik um einen Faktor 100 bis 1000 zu reduzieren sowie adaptive Systeme zu realisieren.
Für gewisse Anwendungen, wie z. B. dem Einsatz in einer akustischen Kamera oder einem anderen Vielkanal-Messverfahren ist es vorteilhaft, die Position oder Ausrichtung des jeweiligen Mikrofons exakt und zeitgleich zur Messung zu erfassen. Über die Position hinaus können lokal am Mikrofon gemessene Größen, wie z. B. die Temperatur oder der Absolutdruck vorteilhaft sein.
Nach dem Stand der Technik (Beispiel akustischen Kamera) werden hierzu die Messmikrofone stationär eingerichtet und ein akustischer Refenzpuls an einer bekannten Position erzeugt. Mittels eines Algorithmus wird aus dem Eintreffen des Pulses an jedem Mikrofon oder aus der Phasenlage der akustischen Schwingungen auf die Position der Mikrofone geschlossen, die meist einer fest-gelegten Anordnung z. B. kreisförmig oder auf einem Dreibein angeordnet sind.
Eine weitere Ausprägung dieser Erfindung integriert weitere Sensoren in der Mikrofoneinheit: Die Integration eines Kompass erlaubt die Messung der exakten Ausrichtung im Raum während der Messung. Hierdurch kann die Ausrichtung der Mikrofone während der Messung aufgenommen werden. Dies ermöglicht erst akustische Messungen, die auf einer nicht ortsfesten Plattform, wie z. B. auf einem Schiff (bei Seegang), aufgenommen werden. In einer weiteren Ausprägung erlaubt die Integration eines Drehratensensors eine verbesserte Bestimmung der Orientierung des Mikrofons.
Eine weitere Messgröße, die vorteilhaft in dem beschriebenen Mikrofonmodul integriert wird ist ein Entfernungsmesser, der beispielsweise durch Laufzeit-messung eines zeitlich modulierten Laserstrahls, den Abstand zum untersuchten, Schallabstrahlenden Objekt bestimmt.
Kern der Erfindung ist die Integration mindestens eines akustischen Mikrofons mit mindestens einem ein- oder mehrachsigen Beschleunigungssensors sowie einer programmierbare Recheneinheit mit nicht-flüchtigem Speicher sowie weiterer, unabhängiger Sensoren z. B. zur Bestimmung der Drehrate, der Orientierung (Kompass), des Drucks, der Temperatur oder des Abstands zum Messobjekt.
In einer besonderen Ausführungsform erlaubt die integrierte Mikrofoneinheit eine Verbesserung des Frequenz- und Phasengangs: Ein Mikrofon wird neben den oben genannten mit einem zweiten, andersartigen Mikrofon kombiniert. So kann beispielsweise ein Mikrofon für die Messung von hörbarem Schall (f < 20 kHz) mit einem zweiten Mikrofon zur Messung von Ultraschall (f > 20 kHz) kombiniert werden. In der Recheneinheit werden beide Signale zeitsynchron überlagert, so dass eine besonders breitbandige Mikrofoneinheit entsteht. Durch den Einsatz des zweiten Mikrofones ist auch die Messung des Druckgradienten und der Schallintensität möglich.
Ein ähnlicher Aufbau ist aus dem Stand der Technik bekannt, wobei im Unterschied zum hier angegebenen zwei identische Mikrofone oder zwei Mikrofone mit unterschiedlicher Richtcharakteristik zum Einsatz kommen, um Hintergrundgeräusche (d. h. Luftschall) durch Verzögerung und Überlagerung auszulöschen [4].
Eine weitere technische Herausforderung besteht in der zeitsynchronen Aufnahme einer großen Zahl von Einzelmikrofonen. Nach dem Stand der Technik akustischer Kameras (z. B. [1], ) werden typischerweise 30...100 analoge Signale parallel zu einem Datenrekorder geführt, der diese Signale digitalisiert und synchron aufzeichnet. Hier bietet ein weiterer Aspekt dieser Erfindung signifikante Vorteile durch erheblich reduzierten Aufwand in Verkabelung und Kosten:
Die Daten von mindestens zwei bis typisch 30 der beschriebenen integrierten Mikrofoneinheiten werden in einer autark arbeitenden Recheneinheit B zeitsynchron zusammengeführt und mit Zeitstempeln versehen sowie zwischengespeichert. Mehrere dieser Recheneinheiten B synchronisieren sich wiederum vor Beginn einer Messung, z. B. über ein Netzwerk. Alle Messdaten werden mit einem Zeitstempel entweder zu Beginn einer Messung (bei Abtastung mit konstanter Abtastrate) oder mit jedem aufgenommenen Messwert (bei variabler Abtastrate) aufgezeichnet und zwischengespeichert.
zeigt den Aufbau gemäß dieser Erfindung.
Die Recheneinheiten B können über die Aufzeichnung hinaus eine Vorverarbeitung der Messdaten vornehmen, wie z. B.

– Entfernung von Störungen durch Filterung
– Entfernung von Offsets der aufgezeichneten Sensordaten
– Mathematische Operationen (z. B. Addieren, Subtrahieren, Multiplizieren, Dividieren, Korrelation) der Sensorsignale untereinander
– Bestimmung von Laufzeitunterschieden (d. h. Unterschieden im Zeitpunkt der Aufnahme einer bestimmten akustischen Signatur zwischen unterschiedlichen Multisensor-Mikrofonen)
– Korrektur des Phasengangs der Mikrofone
– Korrektur des Frequenzgangs der Mikrofone

Am Ende eines Messzyklus überspielen alle Recheneinheiten B ihre Messdaten mit Zeitstempel an eine zentrale Recheneinheit C, auf der die Gesamt-Messung dann ausgewertet wird. Der Aufbau kann modular durch Hinzufügen weiterer Recheneinheiten B erweitert werden oder ggf. durch Kaskadierung ergänzt werden. Ein Kernvorteil liegt darin, dass das Zusammenführen aller Kanäle am Ende offline in der Recheneinheit C erfolgen kann. Die schwierige technische Aufgabe der Synchronisierung eines Messsystems mit mehreren einhundert Kanälen wird damit reduziert auf die Synchronisation der Recheneinheiten B untereinander. Die Recheneinheiten B können die gemessenen Signale weiterhin bereits vorverarbeiten, z. B. durch Kompensation, Korrektur von Offsets oder auch Kompression, um dann nur noch die vorverarbeiteten Daten an die zentrale Recheneinheit C zu übertragen. Für die Realisierung einer akustischen Kamera können die Recheneinheiten B bereits eine Vorverarbeitung der Messdaten der Mikrofone durchführen.
Bezugszeichenliste

1: Mikrofon 1
2: Optional: andersartiges Mikrofon 2
3: Beschleunigungssensor
4: optional: weitere Sensor Elemente (Kompass, Drehrate, Druck, ...)
5: Recheneinheit
6: nicht-flüchtiger Speicher
7: elektrische Schnittstelle/Netzwerkschnittstelle
8: Schnittstelle zum Mikrofonmodul
9: Recheneinheit mit Microcontroller und ggf. FPGA
10: nichtflüchtiger Speicher
11: Netzwerkschnittstelle
12: opt. drahtloses Netzwerk
13: (Zentrale) Rechenenheit
14: Netzwerkschnittstelle
15: opt. drahtloses Netzwerk
16: nichtflüchtiger Speicher
17: Mikrofon
18: Datenrekorder
19: PC mit Computerprogramm

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10304215 A1 [0003]
US 2014/0241548 [0004]
US 5193117 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Mit den Augen hören – acustic camera”, GFAI/Gesellchaft für angewandte Informatik, Berlin [0002]

Claims

Multisensor-Mikrofon bestehend aus einem Mikrofon, einem Sensor für Körperschall und einer Recheneinheit, einem nichtflüchtigen Speicher sowie einer bevorzugt digitalen Schnittstelle
Multisensor-Mikrofon nach Anspruch 1 wobei die verwendeten Sensoren mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sind
Multisensor-Mikrofon nach Anspruch 1 oder 2 wobei wobei weitere Sensoren, wie z. B. Drehraten, Absolutdruck, Magnetfeldsensoren (Kompass) oder Abstandssensoren in das Multisensor-Mikrofon integriert sind
Multisensor-Mikrofon nach Anspruch 1 oder 2 wobei wobei weitere andersartige Mikrofone z. B. für einen erweiterten Frequenzbereich integriert sind
Multisensor-Mikrofon nach Anspruch 1 oder 2 wobei wobei weitere identische Mikrofone in das Multisensor-Mikrofon integriert sind
Multisensor-Mikrofon nach Anspruch 4 oder 5 wobei die Abstände zwischen den Mikrofonen klein gegenüber der mittleren Wellenlänge des zu untersuchenden Signals sind
Verteiltes, synchrones Multisensor-Mikrofon-System bestehend aus Mikrofonen nach den Ansprüchen 1–6, wobei mindesten 2 Multisensor-Mikrofone mit jeweils einer autarken Aufnahmeeinheit verbunden sind, die alle verbundenen Mikrofone zeitsynchron und mit einem Zeitstempel aufzeichnet sowie weitere Aufnahmeeinheiten angeschlossenen Mikrofonen, die sich vor einer Messung untereinander automatisch synchronisiert haben
Aufnahmeeinheit nach Anspruch 7, wobei diese bevorzugt aufgebaut ist aus einem Mikrocontroller mit einem Field-Programmalbe-Gate-Array (FPGA) sowie einem Speichermedium für das Zwischenspeichern größerer Datenmengen.
Verteiltes, synchrones Multisensor-Mikrofon-System mit autarken Aufnahmeeinheiten nach den Ansprüchen 7–8, die eine Vorverarbeitung der aufgenommenen Sensordaten vornehmen.
Verteiltes, synchrones Multisensor-Mikrofon-System mit autarken Aufnahmeeinheiten nach den Ansprüchen 7–9, die eine Analyse der aufgenommenen Sensordaten vornehmen und Laufzeitunterschiede eines akustischen Signals zwischen den Multisensor-Mikrofonen bestimmen
Verteiltes, synchrones Multisensor-Mikrofon-System nach den Ansprüchen 7–10, wobei die aufgenommenen Messdaten einschließlich ihres Zeitstempels nach Abschluss der Messung an eine zentrale Recheneinheit übertragen werden.
Verteiltes, synchrones Multisensor-Mikrofon-System nach den Ansprüchen 7–11, wobei die Messdaten zur Ansteuerung eines Aktors, wie z. B. eines Lautsprechers zur Erzeugung von Gegenschall verwenden werden.