DE102016125225A1

DE102016125225A1 - Verfahren und Vorrichtung zur bildgebenden Darstellung von einem schallemittierenden Objekt

Info

Publication number: DE102016125225A1
Application number: DE102016125225.5A
Authority: DE
Inventors: Rasmus Rettig; Friedrich Ueberle; Dagmar Rokita; Tobias Wenzel
Original assignee: Hochschule fur Angewandte Wissenschaften Hamburg Korperschaft Des Offentlichen Rechts; Hochschule fur Angewandte Wss Hamburg Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Current assignee: Hochschule fur Angewandte Wissenschaften Hamburg Korperschaft Des Offentlichen Rechts; Hochschule fur Angewandte Wss Hamburg Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2018-06-21

Abstract

Verfahren zur bildgebenden Darstellung eines Schall emittierenden Objekts, bei dem mit einer Vielzahl von in einer vorbestimmten räumlichen Anordnung vorgesehen Mikrofonen einfallende Schallpegel gemessen und aufgezeichnet werden, wobei eine ein Bild aufzeichnende Kamera auf das darzustellende Objekt gerichtet und eine Vibrationsmesseinrichtung für das darzustellende Objekt vorgesehen ist, die Vibrationen an der Objektoberfläche in Teilbereichen misst und aufzeichnet, mit folgenden Verfahrensschritten:a. Auswerten des aufgezeichneten Schallpegels mehrerer Mikrofone dahingehend, ob der aufgezeichnete Schallpegel von einem Oberflächenbereich des Objekts emittiert wurde,b. Zuordnen des Oberflächenbereichs zu einem Bildbereich der Kamera,c. Auswerten der Vibrationen an der Objektoberfläche für einen Teilbereich innerhalb des bereits ausgewerteten Oberflächenbereichs undd. Korrelieren der Vibrationen aus dem Teilbereich mit dem Schallpegel aus dem Oberflächenbereich, um dem Teilbereich bei einer stärkeren Vibration einen größeren Schallpegel innerhalb des Oberflächenbereichs zuzuordnen als bei einer schwächeren Vibration, unde. Darstellen der Korrelation in dem Bild der Kamera.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur bildgebenden Darstellung von einem schallemittierenden Objekt.
Vorrichtungen zur bildgebenden Darstellungen von Schallquellen werden gelegentlich auch als akustische Kameras bezeichnet.
Aus US 3,895,340 ist eine akustische Kamera bekannt geworden, bei der ein akustischer Sender einen kurzzeitigen akustischen Impuls aussendet, der auf einen darzustellenden Zielbereich trifft und von diesem reflektiert wird. Über Mikrofone, die klein bauen und in Reihe angeordnet sind, wird mit einer akustischen Linse der zurückgeworfene Schall aufgenommen und ausgewertet.
Neben der akustischen Kamera mit einem Aktivsender sind auch akustische Kameras bekannt, bei denen mit Hilfe eines Mikrofonfeldes und gegebenenfalls durch Unterstützung einer Kamera ein Bild aufgebaut wird. Bei der beispielsweise aus US 2010/0220552 A1 bekannt gewordenen Vorrichtung ist in einer Messeinheit eine Vielzahl von Mikrofonen vorgesehen. Die Mikrofone zeichnen jeweils den Schallpegel auf. Für einen ausgewählten Zeitpunkt wird die Phasendifferenz der aufgezeichneten Signale zu einem Mikrofon ausgewertet. Aus dieser Auswertung ergibt sich die Laufzeitdifferenz zwischen den Signalen und aufgrund der bekannten Anordnung der Mikrofone kann so die Richtung der Schallquelle bestimmt werden. Mit Hilfe der Kamera kann dieser Richtung ein Objekt oder ein Bereich auf einem Objekt zugeordnet werden.
Aus EP 1 599 708 B1 ist ein Verfahren zur bildgebenden Darstellung von akustischen Objekten bekannt. Bei diesem Verfahren werden Antennenfelder, beispielsweise in Form eines Dreibeins oder in Form eines Kreises eingesetzt, um eine gute Ortsauflösung des akustischen Objekts zu bekommen.
Nachteilig an den bekannten Verfahren für die bildgebende Darstellung von schallemittierenden Objekten ist es, dass diese Verfahren eine schlechte Ortsauflösung und eine geringe Trennschärfe besitzen. Die schlechte Ortsauflösung des Verfahrens führt dazu, dass diffuse, örtlich nicht oder nur schlecht zugeordnete Bereiche dargestellt werden. Die unzureichende Trennschärfe im bildgebenden Verfahren führt dazu, dass zwei räumlich benachbarte Objekte mit unterschiedlicher Schallemission nicht in der bildhaften Darstellung voneinander unterschieden werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur bildgebenden Darstellung von einem schallemittierenden Objekt bereitzustellen, dessen bildliche Darstellung eine verbesserte Trennschärfe besitzt.
Hierbei wird der Begriff der Trennschärfe dahingehend verstanden, dass ein Bild mit einer besseren Auflösung von dem schallemittierenden Objekt gewonnen wird. Wenn nachfolgend von einem schallemittierenden Objekt gesprochen wird, ist dies nicht auf ein einzelnes gegenständliches Objekt oder ein räumlich abgegrenztes Objekt beschränkt. Vielmehr werden auch komplexe Maschinen, topologisch verwinkelte Umgebungen und geschlossene Räume mit ihren Schallquellen als schallemittierendes Objekt angesehen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen aus Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden die Gegenstände der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorgesehen und bestimmt zur bildgebenden Darstellung eines schallemittierenden Objekts. Gleichsam wie mit einer Kamera, soll eine Aufnahme des schallemittierenden Objekts gemacht werden, die bildlich die Stärke des von dem Objekt ausgehenden Schalls darstellt (Bild im Aufnahmepunkt). Bei dem Verfahren messen eine Vielzahl von in einer vorbestimmten räumlichen Anordnung vorgesehene Mikrofone einen einfallenden Schallpegel und zeichnen ihre Messwerte auf.
Ferner verwendet das erfindungsgemäße Verfahren eine ein Bild aufzeichnende Kamera, die auf das darzustellende Objekt gerichtet ist. Bevorzugt befindet sich die Kamera nahe zu der räumlichen Anordnung der Mikrofone. Erfindungsgemäß setzt das Verfahren zusätzlich eine Vibrationsmesseinrichtung für das darzustellende Objekt ein. Die Vibrationsmesseinrichtung misst Vibrationen an der Objektoberfläche. Das bedeutet zeitliche Veränderungen an der Objektoberfläche werden in einem Teilbereich gemessen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind zunächst die Anordnung der Mikrofone, die Kamera sowie die Vibrationsmesseinrichtung an sich bekannte Einrichtungen, die jeweils auf ihre Art das darzustellende Objekt erfassen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt nun ein Auswerten des aufgezeichneten Schallpegels mehrerer Mikrofone dahingehend, ob der aufgezeichnete Schallpegel von einem Oberflächenbereich des Objekts emittiert wurde. Dies geschieht beispielsweise durch Beamforming, einem Verfahren zur Positionsbestimmung von Quellen in Schallfeldern. Ferner sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass der Oberflächenbereich einem Bildbereich der Kamera zugeordnet wird. Es erfolgt also eine an sich bekannte Darstellung des durch die Mikrofone aufgezeichneten Schallpegels in einem Kamerabild. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Trennschärfe dadurch verbessert, dass Vibrationen an der Objektoberfläche für einen Teilbereich des Oberflächenbereichs ausgewertet werden. Mit Oberflächenbereich ist der bereits ausgewertete Oberflächenbereich gemeint, der aus dem aufgezeichneten Schallpegel der Mikrofone bereits vorliegt. Erfindungsgemäß wird zur Verbesserung der Trennschärfe die Vibrationen aus dem Teilbereich mit dem Schallpegel aus dem Oberflächenbereich korreliert, um dem Teilbereich bei einer stärkeren Vibration einen größeren Schallpegel innerhalb des Oberflächenbereichs zuzuordnen, als bei einer schwächeren Vibration. Abschließend wird die Korrelation in dem aufgezeichneten Bild der Kamera dargestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass über die aufgezeichneten Schallpegel der Mikrofone nur eine grobe Auflösung mit großen Oberflächenbereichen auf der Objektoberfläche möglich ist. Über die Vibrationsmesseinrichtungen können räumlich kleinere Teilbereiche innerhalb des Oberflächenbereichs im Hinblick auf ihre Vibrationen ausgewertet werden, so dass diese zusätzliche Information dazu verwendet werden kann, einem Teilbereich den gemessenen Schallpegel des Oberflächenbereichs stärker oder schwächer zuzuordnen. Da die Teilbereiche räumlich kleiner sind als die Oberflächenbereiche wird hierdurch die Trennschärfe der bildgebenden Darstellung verbessert.
In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Vibrationsmesseinrichtung an dem Objekt angeordnete Beschleunigungssensoren auf, die einem oder mehreren Teilbereichen an der Objektoberfläche zugeordnet sind. Für den Teilbereich messen ein oder mehrere Beschleunigungssensoren Vibrationen an der Objektoberfläche, die dann korreliert mit den aufgezeichneten Schallpegeln der Oberflächenbereiche die Trennschärfe des Bildes verbessern.
In einer besonders bevorzugen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Laser-Doppler-Vibrometer als Vibrationsmesseinrichtung vorgesehen. Das Laser-Doppler-Vibrometer misst Schwingungen in dem Teilbereich der Objektoberfläche interferometrisch. Mit einem Laser-Doppler-Vibrometer kann berührungslos aus der Entfernung eine Vibration in einem sehr genau bestimmten Teilbereich der Objektoberfläche erfasst werden. Bevorzugt kann bei dem Verfahren auch ein scannendes Laser-Doppler-Vibrometer eingesetzt werden, bei dem der Laserstrahl die Objektoberfläche in einer Vielzahl von Teilbereichen abtastet.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens weist das Laser-Doppler-Vibrometer einen für die Kamera sichtbaren Laser auf. Hierdurch wird der gemessene Teilbereich durch den Laser für die Kamera sichtbar angezeigt. Die Kamera erkennt an dem Laserpunkt auf der Objektoberfläche, wo genau - im Bild - die Vibrationsdaten gewonnen werden und wo die Trennschärfe in dem dargestellten Bild vergrößert wird. Auf diese Weise ist das dargestellte Bild mit dem Laser-Doppler-Vibrometer räumlich gekoppelt und die Teilbereiche können räumlich zugeordnet werden.
In einer bevorzugten Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bei der Korrelation der Vibrationen und der Schallpegel aus dem bestimmten Oberflächenbereich die Schallpegel der Mikrofone mit den Vibrationen korreliert und hieraus bei bekanntem Abstand der Mikrofonanordnung zu dem Objekt die Laufzeit des Schalls zu den einzelnen Mikrofonen bestimmt. Bevorzugt werden die bestimmten Laufzeiten und die räumliche Anordnung der Mikrofone dazu benutzt, den Oberflächenbereich für die Schallemission genauer zu bestimmen. Bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens wird die Trennschärfe zusätzlich dadurch erhöht, dass die Schallpegel einzelner Mikrofone oder von Mikrofongruppen dazu genutzt werden, die Laufzeiten des Schalls zu den Mikrofonen genau zu bestimmen, um so noch eine genauere Auflösung des Oberflächenbereichs zu erzielen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen aus Anspruch 7 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorgesehen und bestimmt zur bildgebenden Darstellung eines schallemittierenden Objekts. Die Vorrichtung weist eine Vielzahl von in einer vorbestimmten räumlichen Anordnung vorgesehenen Mikrofonen auf. Zudem ist eine ein Bild aufzeichnende Kamera für das darzustellende Objekt vorgesehen. Ferner ist eine Vibrationen an der Objektoberfläche in Teilbereichen messende Vibrationsmesseinrichtung vorgesehen. Erfindungsgemäß besitzt die Vorrichtung weiterhin eine akustische Auswerteeinheit, eine Vibrationsauswerteeinheit und eine Darstellungseinheit. Die akustische Auswerteeinheit wertet Schallpegel mehrerer Mikrofone dahingehend aus, ob der Schallpegel von einem Oberflächenbereich des Objekts emittiert wurde. Ferner ordnet die akustische Auswerteeinheit dem ausgewerteten Oberflächenbereich einen Bildbereich der Kamera zu. Die Vibrationsauswerteeinheit korreliert Vibrationen an der Objektoberfläche für einen Teilbereich innerhalb des ausgewerteten Oberflächenbereichs mit dem Schallpegel aus dem Oberflächenbereich dahingehend, dass dem Teilbereich bei einer stärkeren Vibration ein größerer Schallpegel innerhalb des Oberflächenbereichs zugeordnet wird als bei einer schwächeren Vibration. Über die Darstellungseinheit wird die Korrelation in dem Bild der Kamera dargestellt. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die akustische Auswerteeinheit, die Vibrationsauswerteeinheit und die Darstellungseinheit einzeln oder gemeinsam Teil eines Computers sein.
In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Vibrationsmesseinrichtung als eine oder mehrere an dem Objekt angeordnete Beschleunigungssensoren ausgebildet, denen Teilbereiche an der Objektoberfläche zugeordnet sind.
Neben der vorstehenden, berührungsbehafteten Messung der Vibrationen in den Teilbereichen werden bevorzugt berührungslose Vibrationsmesseinrichtungen eingesetzt. Ein Laser-Doppler-Vibrometer ist eine berührungslose Vibrationsmesseinrichtung, die Schwingungen in einem Teilbereich der Objektoberfläche interferometrisch misst. Für die Messung der Teilbereiche mit dem Laser-Doppler-Vibrometer ist es lediglich erforderlich, dass eine direkte optische Verbindung zwischen der Vibrationsmesseinrichtung und dem zu messenden Teilbereich besteht.
In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das Laser-Doppler-Vibrometer einen für die Kamera sichtbaren Laserstrahl auf. Der gemessene Teilbereich wird für die Kamera durch den Laserstrahl auf dem Objekt angezeigt. Bevorzugt besitzt das Laser-Doppler-Vibrometer eine Scanning-Einheit, die es erlaubt, den Laser auf verschiedene Teilbereiche des Objektes zu richten und so das Objekt automatisch abzutasten.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist auch die Vibrationsauswerteeinheit zusätzlich ausgebildet, um die Trennschärfe weiter zu verbessern. Hierzu korreliert die Vibrationsauswerteeinheit die Vibrationen und den Schallpegel einzelner Mikrofone oder von Gruppen von Mikrofonen aus dem bestimmten Oberflächenbereich, in dem der Teilbereich der Vibrationen liegt. Die Schallpegel der Mikrofone werden einzeln oder gruppenweise mit den Vibrationen in Teilbereiche korreliert und bei bekanntem Abstand der Mikrofonanordnung zu dem Objekt werden die Laufzeiten des Schalls zu dem einzelnen oder der Gruppe von Mikrofonen bestimmt. Mit Hilfe der gemessenen Laufzeit und der räumlichen Anordnung der Mikrofone kann der Oberflächenbereich für die Schallemission genauer bestimmt werden. Bei der zuletzt beschriebenen Weiterentwicklung der Vibrationsauswerteeinheit können beispielsweise auch die bereits durch Berücksichtigung der Teilbereiche verbesserten Auflösungen der Darstellung weiter verbessert werden. Da einerseits mit Hilfe der Vibrationen aus den Teilbereichen die Information zu dem Oberflächenbereich verbessert wird, wird hier eine Schärfung der Darstellung zu dem Oberflächenbereich vorgenommen. Bei der Auswertung der Laufzeiten kann gleichzeitig der Oberflächenbereich verkleinert werden, da aus den gemessenen Laufzeiten der Oberflächenbereich räumlich genauer bestimmt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

1 eine akustische Kamera nach dem Stand der Technik,
2 in einer schematischen Ansicht wesentliche Schritte eines Beamforming-Verfahren,
3 in einer schematischen Ansicht ein Laser-Doppler-Vibrometer,
4 eine Messanordnung gemäß der Erfindung in einer schematischen Ansicht,
5 eine Messanordnung gemäß der Erfindung mit einem Laser-Doppler-Vibrometer,
6 eine erfindungsgemäße Vorrichtung einer akustischen Kamera mit integriertem Beschleunigungssensor,
7 eine exemplarische Darstellung für ein Referenzsignal und seine Auswertung und
8 Messsignale für ein Referenzsignal mit dessen Auswertung.

1 zeigt eine akustische Kamera nach dem Stand der Technik, wie sie beispielsweise in EP 1 599 708 B1 beschrieben ist. In der schematischen Darstellung ist ein Mikrofonfeld 1 vorgesehen, eine Videokamera 2 und Kalibriertester 3 mit Lautsprecher. Die gewonnenen Daten werden auf einem Datenrekorder 4 aufgezeichnet und auf einem Universalcomputer 5 nachfolgend ausgewertet. Kernstück der in 1 dargestellten akustischen Kamera ist das sogenannte Beamforming, das in 2 dargestellt ist. Bei dem Beamforming handelt es sich um ein Verfahren zur Positionsbestimmung von Quellen in Schallfeldern.
2 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Schallquelle, die einen Oberflächenbereich 10 des Objekts bildet. Aufgrund der räumlichen Entfernung kann der Oberflächenbereich beispielsweise Abmessungen von einigen Quadratmetern besitzen. Eine Vielzahl von Mikrofonen 12 zeichnet jeweils die Schallpegel auf. Die Mikrofone sind bevorzugt räumlich kompakt und besitzen zudem eine einheitliche Empfangscharakteristik. Von den Mikrofonen 12 werden einzelne Schallpegel 14 aufgenommen. Das Messprinzip liegt darin, dass die Laufzeit von dem Oberflächenbereich 10 als Aufpunkt zu dem jeweiligen Mikrofon unterschiedlich ist und entsprechend eine Zeitverschiebung in dem gemessenen Schallpegel 14 des entsprechenden Mikrofons auftritt. Durch eine Zeitkorrektur 16 mit einem mikrofonspezifischen Zeitversatz entstehen zeitkorrigierte Signale 18, die aufsummiert werden, wodurch sich ein dem jeweiligen Messpunkt zugeordnetes Gesamtsignal 20 ergibt. Durch die Summierung wird der Schall von anderen Orten dieser Position gedämpft, da deren Signale nicht vollständig zeitkorrigiert sind und sich daher destruktiv überlagern. Hingegen wird der vom selben Oberflächenbereich 10 abgestrahlte Schall verstärkt. Bei diesem Messprinzip leuchtet es unmittelbar ein, dass der Zeitversatz zur Bestimmung der zeitkorrigierten Signale 18 ganz wesentlich von der räumlichen Anordnung der Mikrofone abhängt. Hinzu kommt, dass nach Möglichkeit der Abstand der Mikrofone 12 zu dem Oberflächenbereich 10 bekannt sein muss, um über den Zeitversatz der Mikrofone in der Mikrofonanordnung auf den Oberflächenbereich 10 zurückschließen zu können. Das in 2 dargestellte Verfahren wird gelegentlich auch als „delay and sum“ beschrieben.
3 zeigt ein ebenfalls an sich bekanntes Laser-Doppler-Vibrometer. Das Laser-Doppler-Vibrometer (LDV) eignet sich in besonderer Weise für eine berührungslose Messung von Schwingungsvorgängen. Das Messprinzip beruht darauf, dass die Frequenz f₀ eines Laserstrahls durch Objektbewegungen (target) moduliert und interferometrisch ausgewertet wird. Hierbei wird der Doppler-Effekt ausgenutzt, wonach eine Welle von einem bewegten Objekt unter einer Frequenzverschiebung reflektiert wird. Die Frequenzverschiebung ist abhängig von der Geschwindigkeit des Objekts, wobei hier auch die Bewegungsrichtung ausgewertet werden kann. Der optische Aufbau des LDVs ist in 3 schematisch dargestellt. Ein Laser 21 sendet einen Strahl 22 mit einer Frequenz f₀ auf. Dieser trifft auf einen Strahlteiler 24, wobei der durchgehende Strahl über einen zweiten Strahlteiler 28 auf das sich bewegende Objekt 36 trifft. Zwischen den beiden Strahlteilern 24 und 28 ist eine Bragg-Zelle vorgesehen, die eine Verschiebung der Frequenz um 40 MHz erzeugt. Der so modulierte Lichtstrahl wird von dem Objekt 36 reflektiert. Die Reflexion erfolgt ohne eine Frequenzänderung bei Stillstand. Bewegt sich das Objekt jedoch, kommt es zu einer Frequenzverschiebung f_D. Über einen Spiegel 30 und einen dritten Strahlteiler 32 wird der nicht modulierte Lichtstrahl gemeinsam mit dem modulierten und reflektierten Lichtstrahl auf eine Photozelle 34 geworfen. Bewegt sich das Objekt 36 auf das Interferometer zu, so wird die Modulationsfrequenz vergrößert, bewegt sich das Objekt hingegen vom Vibrometer fort, so wird die Modulationsfrequenz verringert. Durch die Interferenz zwischen dem reflektierten Strahl und dem nicht reflektierten Strahl kann die Photozelle die Modulationsfrequenz und die Abweichungen von dieser messen. Der über das Vibrometer vermessene Bereich des Objekts 36 ist ein Teilbereich, der Aussagen über die Bewegung von einigen Quadratmillimetern oder Quadratzentimetern an der Objektoberfläche macht.
Beide Verfahren zusammengefasst sind in 4 dargestellt. Ausgangspunkt in 38 ist das untersuchte Objekt mit seinen mechanischen Vibrationen. Die mechanischen Vibrationen führen zu Druckschwankungen und sind somit Erreger (Aufpunkte) von Schallwellen, die sich im Raum ausbreiten. Die Ausbreitung der Schallwellen erfolgt über eine akustische Übertragungsstrecke 40, wobei die Eigenschaften der akustischen Übertragungsstrecke 40 ganz wesentlich von den als Störgrößen 42 zusammengestellten Eigenschaften, wie Windgeschwindigkeit und Windrichtung, Dämpfung, Schichtung der Luft (Reflektion) und weiteren Faktoren abhängt. Auch Niederschlag und Luftfeuchte, ebenso wie Vogelschwärme in der akustischen Übertragungsstrecke sind hier Störgrößen. Die übertragenen Signale werden in einem Signalempfänger 44 über die Mikrofone empfangen, wobei die Druckschwankungen in eine mechanische Auslenkung an den Mikrofonen umgesetzt werden, die wiederum ein elektrisches Signal repräsentieren. Ohne den Aufbau des Mikrofons im Detail zu diskutieren, seien die elektrische Ausgangsgröße des Mikrofons und der Begriff „Schallpegel“ synonymisch miteinander verwendet. Wie vorstehend mit Bezug auf 2 erläutert, können aus den aufgezeichneten Mikrofondaten mittels des in 2 geschilderten Verfahrens Positionen für die Schallquelle bestimmt werden. Dies wird allgemein in 4 als Korrelation bezeichnet.
Der besondere Pfiff einer Erfindung liegt nun darin, dass mit Hilfe eines Laser-Doppler-Vibrometers 50 die optische Übertragungsstrecke zwischen dem schallaussenden Objekt und dem Messpunkt überbrückt wird. Die optische Übertragungsstrecke 48 ist dabei deutlich geringeren Störeinflüssen ausgesetzt als die akustische Übertragungsstrecke. Beispielsweise ist die optische Übertragungsstrecke unabhängig von der Windgeschwindigkeit und kann allenfalls durch Nebel, Niederschlag und dergleichen gestört werden. Die von dem Laser-Doppler-Vibrometer aufgezeichneten Daten werden ebenfalls in der Korrelation 46 verarbeitet. Wie vorstehend bereits deutlich gemacht, sind dabei die zur Vibration gemessenen Teilbereich 36 räumlich deutlich kleiner als die Oberflächenbereiche der akustischen Vermessung. Insofern gibt das Laser-Doppler-Vibrometer zwar keine Informationen über den Schall in seinem Teilbereich, kann aber indirekt Aufschluss darüber geben, da in einem Oberflächenbereich mit einem bestimmten Schallpegel ein stark vibrierender Teilbereich mehr Schall abstrahlt als ein weniger stark vibrierender Teilbereich. Auf diese Art und Weise können die akustisch gewonnenen Daten zu dem Oberflächenbereich unter Zuhilfenahme der Vibrationen aus dem Teilbereich für die Darstellung geschärft werden.
5 zeigt einen schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem scannenden Laser-Doppler-Vibrometer. Das vibrierende Objekt 52 sendet ein akustisches Signal 54 aus. Über ein Mikrofonfeld 56 wird das akustische Signal 54 vermessen und über einen Computer 58 einem Oberflächenbereich 60 auf dem Objekt 52 zugeordnet. Zusätzlich misst das Laser-Doppler-Vibrometer 62 die Stärke der Vibrationen in einem Teilbereich 64 auf dem Objekt 52. Diese Daten werden ebenfalls an den Computer 58 weitergeleitet. Die Messung zu dem Teilbereich 64 macht deutlich, wie die Schallabstrahlung innerhalb des Oberflächenbereichs 60 verteilt ist. Eine räumliche Zuordnung der Bereiche 60 und 64 erfolgt über die Kamera 66, die ebenfalls auf das Objekt 52 gerichtet ist und ihre Bilder ebenfalls an den Computer 58 weiterleitet.
6 zeigt eine alternative Ausgestaltung, wobei gleiche Teile oder Komponenten die gleichen Bezugszeichen wie in der Ausführungsform gemäß 5 tragen. Der Hauptunterschied gegenüber der Ausgestaltung aus 5 besteht darin, dass ein Laser-Doppler-Vibrometer 62 entfällt und stattdessen ein Beschleunigungssensor 68 an dem Objekt 52 vorgesehen ist. Der Beschleunigungssensor 68 erfasst Vibrationen und Schwingungen in einem Teilbereich 64 auf der Oberfläche des Objekts 52. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 ist zur besseren Übersicht nur ein Beschleunigungssensor 68 dargestellt. Es können weitere Beschleunigungssensoren über die Oberfläche des Objekts 52 verteilt sein, insbesondere um die Objektoberfläche dicht abzudecken. Bei der Auswertung des Beschleunigungssensors 68 ist die Mikrofonanordnung 56 auf den Oberflächenbereich 60 des Objekts 52 gerichtet. Der Oberflächenbereich 60 kann beispielsweise durch bestimmte Laufzeitdifferenzen zwischen den Signalen der Mikrofone vorgegeben sein.
7 zeigt schematisch eine Auswertung der Signale. Die Signale sind über der Zeit aufgetragen. Das Signal u_ref bezeichnet ein vom Laser-Doppler-Vibrometer aufgenommenes Ausgangssignal, das in Form einer elektrischen Spannung dargestellt wird. Das Ausgangssignal steht hierbei für eine Weg- oder Geschwindigkeitsinformation auf einem Teilbereich der Objektoberfläche. Die räumliche Lage des Teilbereichs im Bild des darzustellenden Objektes ist ebenfalls bekannt, da die Kamera die Position des auftreffenden Lasers optisch erfasst. Die von den Mikrofonen 1 bis 3 aufgezeichneten Spannungssignale sind beispielhaft dargestellt. Die Ausgangssignale der Mikrofone können bevorzugt mit einer nachgestalteten Verstärkerschaltung noch verstärkt werden. Deutlich zu erkennen ist, dass die Signale 2a bis 2c der Mikrofone zu anderen Zeiten auftreten. Es liegt also eine Laufzeitdifferenz zwischen den Signalen vor. Durch eine Korrelation, hier in Form einer zeitlichen Faltung des Referenzsignals u_ref mit den Mikrofonsignalen, entstehen die Signale ΔT₁ bis ΔT₃. Hierbei entsprechen diese Signale der Laufzeit des Signals zu den Mikrofonen. Die Amplitude der Signale 3a bis 3c ist ein Maß für die Ähnlichkeit des Signals u_ref aus dem Laser-Doppler-Vibrometer und den Mikrofonsignalen.
8 zeigt die Ergebnisse aus einer Messung unter Laborbedingungen. Die Signale (a) entsprechen der Auslenkung eines Teilbereichs des Objekts. Die Signale (b) zeigen das von einem Mikrofon in einem Abstand aufgenommene Schallsignal. Die in der Auslenkung gezeigte Doppelspitze, findet sich in den nachfolgenden Schallpegeln der Messwerte dreimal wieder (Änderung der Zeitskala). Zudem nimmt das Mikrofon ein Rauschen auf. Durch eine zeitliche Faltung (Korrelation) der Signale aus (a) und (b) entsteht das in (c) dargestellte Diagramm. Die miteinander gefalteten Doppel-Peaks ergeben einen Doppel-Peak, dem amplitudenmäßig schwächere Peaks folgen. An der Faltung ist nun zu erkennen, wie stark das vom Laser-Doppler-Vibrometer aufgezeichnete Signal mit dem Mikrofonsignal korreliert ist. Je größer die Korrelation, umso größer die Amplitude des ersten Peaks.
Die Erfindung dient zur Verbesserung einer akustischen Kamera, die als eine ortsauflösende Messtechnik zur Untersuchung von Luftschall und seinen Quellen verstanden wird. Zur Bestimmung der Ursachen von Luftschall, der beispielsweise beim Betrieb von Windkraftanlagen oder Kraftfahrzeugen auftritt, werden nach dem Stand der Technik ortsauflösende, akustische Messverfahren eingesetzt, die durch Auswertung eines Arrays von Mikrofonen eine räumliche Zuordnung der Ursachen von gemessenem Luftschall erlaubt. Die Messergebnisse werden dabei von einem Videobild überlagert und ermöglichen so die direkte Zuordnung zu schwingenden Bauteilen. Die Messergebnisse sind jedoch stark abhängig von der akustischen Strecke, wie beispielsweise von Windrichtung und Windgeschwindigkeit die Messergebnisse verfälschen und deren Auswertung erschweren können. Verfahren zur Ermittlung von Windrichtung und Windgeschwindigkeit sind bekannt, jedoch örtlich oft schwierig umzusetzen, da sie ein zusätzliches Anemometer erfordern, welches lediglich an einem Referenzpunkt eine Windgeschwindigkeit ermittelt.
Ein anderes, im Stand der Technik bekannte Verfahren ist vorgesehen zur berührungslosen Bestimmung von Vibrationen. Hierzu wird ein Laser-Doppler-Vibrometer und insbesondere ein scannendes Laser-Doppler-Vibrometer eingesetzt. Im Unterschied zur akustischen Kamera, liefert das Laser-Doppler-Vibrometer allerdings keine direkte und quantitative Information über den Luftschall, sondern lediglich Informationen über Vibrationen in einem Teilbereich auf der Objektoberfläche.
Bei der Erfindung werden beide Verfahren miteinander verschränkt, wobei auf diese Weise eine Bestimmung der akustischen Strecke zwischen Geräuschquelle und akustischer Kamera möglich ist. Das optisch bestimmte Signal kann hierbei als Referenzsignal für die Korrelation mit den akustischen Signalen genutzt werden. Diese Verschränkung am Signalpfad verbessert die Trennschärfe sowohl in zeitlicher als auch räumlicher Auflösung, einschließlich der Fokussierung weiter über eine reine Überlagerung beider Informationen hinaus. Ein weiteres Problem, das mit der Erfindung gelöst wird, ist der störende Einfluss variabler Umgebungsbedingungen, da sich der optische Pfad für das Laser-Doppler-Vibrometer nicht ändert.
Der Kern der Erfindung liegt in der Integration einer zusätzlichen, unabhängigen Messmethode zur Bestimmung der mechanischen Oberflächengeschwindigkeit des Objekts. Als optisches Messverfahren wird beispielsweise ein Laser-Doppler-Vibrometer eingesetzt, das die Oberflächengeschwindigkeit bestimmt. Die optisch gemessene Oberflächengeschwindigkeit übersetzt sich in eine Druckwelle, die an der Oberfläche als Schallquelle beginnt und zur akustischen Kamera läuft, wo sie von einem Feld von Mikrofonen detektiert wird. Durch die Messung der Oberflächengeschwindigkeit am Entstehungsort und Korrelation dieses Signals mit den Signalen der Mikrofone lässt sich die Laufzeit der akustischen Signale von der gemessenen Stelle zu dem jeweiligen Mikrofon exakt experimentell bestimmen.
Wie bereits erläutert, misst das Laser-Doppler-Vibrometer auftretende Vibrationen optisch durch Interferenzen. Der Laserstrahl des Laser-Doppler-Vibrometers kann im sichtbaren Wellenlängenbereich liegen, so dass durch die Kamera optisch erkennbar ist, welcher Teilbereich auf dem Objekt vermessen wird. Auch ist es möglich, einen zusätzlichen Laser vorzusehen, der das Messobjekt im darzustellenden Teilbereich gezielt anleuchtet.
Alternativ ist es auch möglich, an festen Orten des Objekts einen Beschleunigungssensor oder mehrere Beschleunigungssensoren vorzusehen, um Informationen über die Vibrationen auf dem Objekt zu erhalten.
Durch das zusätzliche Messverfahren für die Vibrationen an dem Objekt wird ein Referenzsignal geschaffen, welches als Signatur dient, mit welcher alle einzelnen Signale des Mikrofonarrays nacheinander oder parallel korreliert werden. Da diese Signale direkt an der Luftschall erzeugenden Struktur nahezu ohne Zeitverzögerung gemessen werden, liefert die Korrelation mit einem Mikrofon direkt die Laufzeit und über die Schallgeschwindigkeit den Abstand. Durch die Übertragungsstrecke gegebenenfalls auftretende, konstante Schalllaufzeiten werden hierdurch automatisch korrigiert.
Bezugszeichenliste

1: Mikrofonfeld
2: Videokamera
3: Kalibriertester
4: Datenrekorder
5: Universalcomputer
10: Oberflächenbereich
12: Mikrofone
14: Schallpegel
16: Zeitkorrektur
18: zeitkorrigierte Signale
20: Gesamtsignal
21: Laser
22: Strahl
24: Strahlteiler
28: Strahlteiler
30: Spiegel
32: Strahlteiler
34: Photozelle
36: Objekt
38: Ausgangspunkt
40: Übertragungsstrecke
42: Störgrößen
44: Signalempfänger
46: Korrelation
48: Übertragungsstrecke
50: Laser-Doppler-Vibrometer
52: vibrierendes Objekt
54: akustisches Signal
56: Mikrofonfeld
58: Computer
60: Oberflächenbereich
62: Laser-Doppler-Vibrometer
64: Teilbereich
66: Kamera
68: Beschleunigungssensor

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

US 3895340 [0003]
US 2010/0220552 A1 [0004]
EP 1599708 B1 [0005, 0023]

Claims

Verfahren zur bildgebenden Darstellung eines Schall emittierenden Objekts, bei dem mit einer Vielzahl von in einer vorbestimmten räumlichen Anordnung vorgesehen Mikrofonen einfallende Schallpegel gemessen und aufgezeichnet werden, wobei eine ein Bild aufzeichnende Kamera auf das darzustellende Objekt gerichtet und eine Vibrationsmesseinrichtung für das darzustellende Objekt vorgesehen ist, die Vibrationen an der Objektoberfläche in Teilbereichen misst und aufzeichnet, mit folgenden Verfahrensschritten: a. Auswerten des aufgezeichneten Schallpegels mehrerer Mikrofone dahingehend, ob der aufgezeichnete Schallpegel von einem Oberflächenbereich des Objekts emittiert wurde, b. Zuordnen des Oberflächenbereichs zu einem Bildbereich der Kamera, c. Auswerten der Vibrationen an der Objektoberfläche für einen Teilbereich innerhalb des bereits ausgewerteten Oberflächenbereichs und d. Korrelieren der Vibrationen aus dem Teilbereich mit dem Schallpegel aus dem Oberflächenbereich, um dem Teilbereich bei einer stärkeren Vibration einen größeren Schallpegel innerhalb des Oberflächenbereichs zuzuordnen als bei einer schwächeren Vibration, und e. Darstellen der Korrelation in dem Bild der Kamera.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationsmesseinrichtung einen oder mehrere an dem Objekt angeordnete Beschleunigungssensoren aufweist, die Teilbereichen an der Objektoberfläche zugeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationsmesseinrichtung ein Laser-Doppler-Vibrometer aufweist, das Schwingungen in einem Teilbereich der Objektoberfläche interferometrisch misst.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Laser-Doppler-Vibrometer einen für die Kamera sichtbaren Laser aufweist und der gemessene Teilbereich durch den Laser für die Kamera sichtbar angezeigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Korrelation der Vibrationen und der Schallpegel aus dem bestimmten Oberflächenbereich, die Schallpegel einzelner Mikrofone oder von Gruppen von Mikrofonen mit den Vibrationen korreliert werden und hieraus bei bekanntem Abstand der Mikrofonanordnung zu dem Objekt die Laufzeiten des Schalls zu dem oder den Mikrofonen bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus den bestimmten Laufzeiten und der räumlichen Anordnung der Mikrofone der Oberflächenbereich für die Schallemission bestimmt wird.
Vorrichtung zur bildgebenden Darstellung eines Schall emittierenden Objekts, die eine Vielzahl von in einer vorbestimmten räumlichen Anordnung vorgesehenen Mikrofonen, eine ein Bild aufzeichnende Kamera für das darzustellende Objekt und eine Vibrationen an der Objektoberfläche in Teilbereichen messende Vibrationsmesseinrichtung aufweist, ferner aufweisend: a. Eine akustische Auswerteeinheit, die Schallpegel mehrerer Mikrofone dahingehend auswertet, ob der Schallpegel von einem Oberflächenbereich des Objekts emittiert wurde, und die einem Bildbereich der Kamera den ausgewerteten Oberflächenbereich zuordnet, und b. Eine Vibrations-Auswerteeinheit, die gemessenen Vibrationen an der Objektoberfläche für einen Teilbereich des ausgewerteten Oberflächenbereichs mit dem Schallpegel aus dem Oberflächenbereich korreliert, um dem Teilbereich bei einer stärkeren Vibration einen größeren Schallpegel innerhalb des Oberflächenbereichs zuzuordnen als bei einer schwächeren Vibration, und c. Eine Darstellungseinheit, die die Korrelation in dem Bild der Kamera anzeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationsmesseinrichtung als ein oder mehrere an dem Objekt angeordnete Beschleunigungssensoren ausgebildet ist, die Oberflächenbereichen an der Objektoberfläche zugeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationsmesseinrichtung ein Laser-Doppler-Vibrometer ist, das Schwingungen in einem Teilbereich der Objektoberfläche interferometrisch misst.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Laser-Doppler-Vibrometer einen für die Kamera sichtbaren Laser aufweist und der gemessene Teilbereich durch den Laser für die Kamera sichtbar angezeigt wird, wobei das Laser-Doppler-Vibrometer eine Scanningeinheit aufweist, mit der der Laser auf verschiedene Teilbereiche des Objekts gerichtet werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrations-Auswerteeinheit a. die Vibrationen und den Schallpegel einzelner Mikrofone oder von Gruppen von Mikrofonen aus dem bestimmten Oberflächenbereich, in dem der Teilbereich der Vibrationen liegt, korreliert, b. die Schallpegel der Mikrofone einzeln oder gruppenweise mit den Vibrationen korreliert und c. bei bekanntem Abstand der Mikrofonanordnung zu dem Objekt die Laufzeiten des Schalls zu dem einzelnen oder der Gruppe von Mikrofonen bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrations-Auswerteeinheit aus den bestimmten Laufzeiten und der räumlichen Anordnung der Mikrofone den Oberflächenbereich für die Schallemission bestimmt.