DE102020103264B4 - Automated source identification from microphone array data - Google Patents
Automated source identification from microphone array data Download PDFInfo
- Publication number
- DE102020103264B4 DE102020103264B4 DE102020103264.1A DE102020103264A DE102020103264B4 DE 102020103264 B4 DE102020103264 B4 DE 102020103264B4 DE 102020103264 A DE102020103264 A DE 102020103264A DE 102020103264 B4 DE102020103264 B4 DE 102020103264B4
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- sound
- spatial
- numbers
- source
- distribution
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 138
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 66
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 11
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 claims abstract description 10
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 27
- 238000005315 distribution function Methods 0.000 claims description 20
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 19
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 10
- 238000012417 linear regression Methods 0.000 claims description 9
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 4
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 claims description 4
- 238000007664 blowing Methods 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 2
- 241001136792 Alle Species 0.000 description 1
- 241001077419 Damas Species 0.000 description 1
- 241000272168 Laridae Species 0.000 description 1
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000005404 monopole Effects 0.000 description 1
- 238000000513 principal component analysis Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000007619 statistical method Methods 0.000 description 1
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 230000002087 whitening effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H3/00—Measuring characteristics of vibrations by using a detector in a fluid
- G01H3/10—Amplitude; Power
- G01H3/12—Amplitude; Power by electric means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H3/00—Measuring characteristics of vibrations by using a detector in a fluid
- G01H3/04—Frequency
- G01H3/06—Frequency by electric means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M9/00—Aerodynamic testing; Arrangements in or on wind tunnels
- G01M9/06—Measuring arrangements specially adapted for aerodynamic testing
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M9/00—Aerodynamic testing; Arrangements in or on wind tunnels
- G01M9/06—Measuring arrangements specially adapted for aerodynamic testing
- G01M9/065—Measuring arrangements specially adapted for aerodynamic testing dealing with flow
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Verfahren zur Identifizierung realer Schallquellen an einem von einer Anströmung angeströmten Objekt mit den Schritten- Messen von Schalldrücken von Schall, der von dem angeströmten Objekt ausgeht, mit einem Mikrofonarray, wobei eine Machzahl der Anströmung variiert wird;- Berechnen einer schallfrequenz- und strömungsparameterabhängigen räumlichen Schallleistungsgesamtverteilung aus den gemessenen Schalldrücken durch Beamforming und- Identifizieren der realen Schallquellen anhand von spektralen, parametrischen und räumlichen Kriterien aus der räumlichen Schallleistungsgesamtverteilung, dadurch gekennzeichnet,- dass die Kriterien das spektrale Kriterium umfassen, dass eine zu der Schallleistungsgesamtverteilung beitragende räumliche Schallleistungsverteilung einer realen Schallquelle bei verschiedenen Frequenzen des Schalls gleichzeitig auftritt,- dass die Kriterien das parametrische Kriterium umfassen, dass eine zu der Schallleistungsgesamtverteilung beitragende Schallleistungsverteilung einer realen Schallquelle mit steigender Machzahl der Anströmung ansteigende Schallleistungen aufweist, und- dass die Kriterien das räumliche Kriterium umfassen, dass eine zu der durch Beamforming berechneten Schallleistungsgesamtverteilung beitragende räumliche Schallleistungsverteilung einer realen Schallquelle über alle Frequenzen des Schalls, bei denen sie auftritt, hinweg betrachtet eine räumliche Normalverteilung ist.Method for identifying real sources of noise on an object subject to a flow, with the steps of measuring sound pressures of sound emanating from the object subject to the flow, using a microphone array, with a Mach number of the flow being varied;- calculating a sound frequency and flow parameter-dependent spatial sound power total distribution from the measured sound pressures by beamforming and- identifying the real sound sources using spectral, parametric and spatial criteria from the spatial sound power total distribution, characterized in that the criteria include the spectral criterion that a spatial sound power distribution contributing to the sound power total distribution of a real sound source at different Frequencies of the sound occurs simultaneously - that the criteria include the parametric criterion that a sound power distribution contributing to the total sound power distribution ng of a real sound source with increasing Mach number of the inflow, and- that the criteria include the spatial criterion that a spatial sound power distribution of a real sound source contributing to the total sound power distribution calculated by beamforming is considered across all frequencies of the sound at which it occurs is a spatial normal distribution.
Description
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Identifizierung realer Schallquellen an einem von einer Anströmung angeströmten Objekt aus mit einem Mikrofonarray gemessenen Schalldaten. Spezieller bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein solches Verfahren mit den Schritten: Messen von Schalldrücken von Schall, der von dem angeströmten Objekt ausgeht, mit einem Mikrofonarray, wobei eine Machzahl der Anströmung variiert wird; Berechnen einer schallfrequenz- und strömungsparameterabhängigen räumlichen Schallleistungsgesamtverteilung aus den gemessenen Schalldrücken durch Beamforming und Identifizieren der realen Schallquellen anhand von spektralen, parametrischen und räumlichen Kriterien aus der räumlichen Schallleistungsgesamtverteilung.The invention relates to a method for identifying real sound sources on an object against which an inflow is flowing, from sound data measured with a microphone array. More specifically, the present invention relates to such a method with the steps: measuring sound pressures of sound emanating from the object being flown against, using a microphone array, with a Mach number of the flow being varied; Calculation of a sound frequency and flow parameter-dependent spatial sound power total distribution from the measured sound pressures by beamforming and identification of the real sound sources based on spectral, parametric and spatial criteria from the spatial sound power total distribution.
Die zu identifizierenden realen Schallquellen an dem von der Anströmung angeströmten Objekt sind sogenannte aeroakustische Quellen.The real sound sources to be identified on the object against which the incoming flow flows are so-called aeroacoustic sources.
Die aus den gemessenen Schalldrücken durch Beamforming berechnete räumliche Schallleistungsgesamtverteilung wird auch als akustische Quellkarte oder „dirty map“ bezeichnet.The total spatial sound power distribution calculated from the measured sound pressures by beamforming is also referred to as an acoustic source map or "dirty map".
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Zur Analyse, d. h. Identifizierung und Charakterisierung, aeroakustischer Quellen werden mit Hilfe von Mikrofonarrays und Beamforming akustische Schallleistungsgesamtverteilungen beispielsweise von Flugzeugen oder Automobilen in Windkanälen oder unter realen Bedingungen erstellt. Aufgrund der hohen Dimensionalität der Messbedingungen, deren Dimensionen neben den Raumrichtungen, der Zeit und der Frequenz den Anströmwinkel sowie weitere Strömungsparameter, wie die Machzahl, die Reynoldszahl der Strömung, und den jeweiligen Quelltyp, wie Monopol oder Dipol, umfassen, ist es bislang nur mit extrem hohen zeitlichen Aufwand und Expertenwissen möglich, derartige Schallleistungsgesamtverteilungen hinsichtlich der zu ihnen beitragenden aeroakustischer Quellen zu analysieren und interpretieren.For analysis, i. H. Identification and characterization of aeroacoustic sources are created with the help of microphone arrays and beamforming acoustic sound power total distributions, for example from aircraft or automobiles in wind tunnels or under real conditions. Due to the high dimensionality of the measurement conditions, the dimensions of which include not only spatial directions, time and frequency, but also the angle of attack and other flow parameters such as the Mach number, the Reynolds number of the flow, and the respective source type, such as monopole or dipole Extremely high expenditure of time and expert knowledge possible to analyze and interpret such total sound power distributions with regard to the aeroacoustic sources contributing to them.
Beim Beamforming im Frequenzbereich wird aus einer Kreuzspektralmatrix eines Mikrofonarrays eine Schallleistungsgesamtverteilung berechnet, die die Schallleistungen aller mutmaßlich zu den mit dem Mikrofonarray gemessenen Schalldrücken beitragenden Schallquellen als Funktion des Orts und der Frequenz anzeigt. Um aeroakustische Quellen charakterisieren zu können, werden bei den Messungen der Schalldrücke mit dem Mikrofonarray üblicherweise Parameter wie die Anströmgeschwindigkeit oder die Machzahl variiert. Weiterhin können Fahrzeug- bzw. Flugzeugparameter wie eine Klappenstellung, ein Anstellwinkel, Rotorblatt- und Seitenspiegelkonfigurationen und dergleichen verändert werden, um beispielsweise akustisch relevante Probleme zu identifizieren oder zu minimieren. Die Schallleistungsgesamtverteilungen werden dann manuell ausgewertet und miteinander verglichen. Bei dem Vergleich werden einzelne angenommene aeroakustische Quellen unter verschiedenen Anströmbedingungen und/oder durch Betrachtung von typischen Quellregionen, wie z. B. den Seiten-, Hinter- und Vorderkanten vorhandener Objekte, miteinander verglichen.During beamforming in the frequency domain, a total sound power distribution is calculated from a cross-spectral matrix of a microphone array, which displays the sound powers of all sound sources presumably contributing to the sound pressures measured with the microphone array as a function of location and frequency. In order to be able to characterize aeroacoustic sources, parameters such as the flow velocity or the Mach number are usually varied when measuring the sound pressure with the microphone array. Furthermore, vehicle or aircraft parameters such as a flap position, an angle of attack, rotor blade and side mirror configurations and the like can be changed in order to identify or minimize acoustically relevant problems, for example. The total sound power distributions are then evaluated manually and compared with each other. In the comparison, individual assumed aeroacoustic sources are analyzed under different inflow conditions and/or by considering typical source regions, such as e.g. B. the side, rear and front edges of existing objects compared.
Die hohe Dimensionalität, d. h. die Vielzahl der Parameter, von denen die Schallleistungen abhängen, zwingt auch Experten bei der Analyse und Interpretation dazu, die Datenmenge stark zu reduzieren und die Analyse geometriegetrieben vorzunehmen. So werden die Schallleistungen beispielsweise über die Frequenz und/oder über den Ort integriert, um globale Effekte zu verstehen. Hiernach können die Schallleistungsgesamtverteilungen jedoch nur noch qualitativ interpretiert werden. Eine Identifizierung und Charakterisierung aller realen Schallquellen ist nicht mehr möglich.The high dimensionality, i. H. the large number of parameters on which the sound power levels depend also forces experts to greatly reduce the amount of data during analysis and interpretation and to carry out the analysis in a geometry-driven manner. For example, the sound power levels are integrated over frequency and/or over location in order to understand global effects. After this, however, the total sound power distributions can only be interpreted qualitatively. An identification and characterization of all real sound sources is no longer possible.
Zudem charakterisieren Experten auftretende Schallleistungen durch räumlich Zuordnung. So gehen sie von einem Turbinengeräusch aus, wenn die Schallleistungen an einer Turbine auftreten. Bei unterschiedlichen Parametern können am selben Ort jedoch unterschiedliche akustische Phänomene dominieren. Oftmals ist eine Zuordnung von auftretenden Schallleistungen bei komplexen Geometrien gar nicht möglich.In addition, experts characterize occurring sound powers by spatial allocation. So they assume a turbine noise when the sound power occurs at a turbine. With different parameters, however, different acoustic phenomena can dominate at the same location. It is often not possible to allocate the sound power that occurs in complex geometries.
Hinzu kommt, dass in den durch Beamforming berechneten Schallleistungsgesamtverteilungen Artefakte, z. B. die Auswirkungen einer Punktspreizfunktion (PSF) des Beamforming, zu finden sind, die nur teilweise mit Entfaltungsalgorithmen entfernt werden können, und so die Gefahr einer fehlerhaften Interpretation als reale Schallquellen besteht. Nicht zuletzt aus diesem Grund werden die durch Beamforming berechneten Schallleistungsgesamtverteilungen als „dirty maps“ bezeichnet.In addition, artifacts, e.g. B. the effects of a point spread function (PSF) of beamforming, which can only be partially removed with deconvolution algorithms, and so there is a risk of incorrect interpretation as real sound sources. Not least for this reason, the total sound power distributions calculated by beamforming are referred to as "dirty maps".
Ein weiterer Nachteil der bekannten Interpretation von Schallleistungsgesamtverteilungen besteht darin, dass Parametervariationen normalerweise nur innerhalb eines Datensatzes von Schalldrücken bei ansonsten gleichen Anströmbedingungen vergleichbar sind. In den Windkanalversuchen müssen also Messreihen von Windkanalversuchen durchgeführt werden, bei denen möglichst nur ein Parameter variiert wird. Indem verschiedene Institute beispielsweise unterschiedliche Anströmgeschwindigkeiten für Windkanalversuche vorgeben, sind auch an gleichen Objekten gemessene Datensätze von Schalldrücken selten vergleichbar.A further disadvantage of the known interpretation of total sound power distributions is that parameter variations are normally only comparable within a data set of sound pressures with otherwise identical inflow conditions. In the wind tunnel tests, measurement series of wind tunnel tests must therefore be carried out in which, if possible, only one parameter is varied. For example, since different institutes specify different inflow velocities for wind tunnel tests, data sets of sound pressures measured on the same objects are rarely comparable.
Aus der
Aus der US 2006 / 0 256 975 A1 sind Verfahren und Vorrichtungen zum Abbilden akustischer Quellen bekannt, deren Schall phasenempfindlich mit einem Mikrofonarray erfasst wird. Aus Signalen der Mikrofone wird die Verteilung der Schallquellen durch Beamforming bestimmt. Anschließend werden durch Entfalten Effekte des Beamforming von dieser Verteilung entfernt.Methods and devices for imaging acoustic sources are known from US 2006/0 256 975 A1, the sound of which is detected in a phase-sensitive manner using a microphone array. The distribution of the sound sources is determined by beamforming from the signals from the microphones. Beamforming effects are then removed from this distribution by deconvolution.
Aus der
Aus der
Aus der US 2008 / 0 199 024 A1 ist eine Vorrichtung zur Schallquellencharakterisierung bekannt, die eine Mehrzahl von Beamformern aufweist. Die Beamformer sind jeweils an eine Mehrzahl von Mikrofonen angeschlossen, die Schall aufnehmen, welcher von einer Schallquelle an irgendeiner Position in einem vorgegebenen Raum ausgeht. Jede der Beamformer bestimmt einen Ort und eine Orientierung der Schallquelle in dem Raum. Dabei werden die Positionen und Orientierungen auf Basis der von dem Beamformer berücksichtigten Schallpegel mit einer Gewichtung versehen. Der Ort und die Orientierung mit der höchsten Gewichtung werden dann als der wahre Ort und die wahre Orientierung der Schallquelle angenommen.A device for characterizing sound sources is known from US 2008/0 199 024 A1, which has a plurality of beam formers. The beamformers are each connected to a plurality of microphones that pick up sound emanating from a sound source at any position in a given space. Each of the beamformers determines a location and orientation of the sound source in the room. The positions and orientations are weighted based on the sound levels taken into account by the beamformer. The location and orientation with the highest weight is then assumed to be the true location and orientation of the sound source.
Aus der
AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Identifizierung realer Schallquellen an einem von einer Anströmung angeströmten Objekt aufzuzeigen, das automatisierbar ist und dessen Ergebnisse über verschiedene Anströmparameter, insbesondere verschiedene Anströmgeschwindigkeiten hinweg vergleichbar sind.The invention is based on the object of demonstrating a method for identifying real sound sources on an object subjected to an inflow, which can be automated and the results of which can be compared across different inflow parameters, in particular different inflow velocities.
LÖSUNGSOLUTION
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Identifizierung realer Schallquellen mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche definieren bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.The object of the invention is achieved by a method for identifying real sound sources with the features of
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Identifizierung realer Schallquellen an einem von einer Anströmung angeströmten Objekt werden die Schritte ausgeführt: Messen von Schalldrücken von Schall, der von dem angeströmten Objekt ausgeht, mit einem Mikrofonarray, wobei eine Machzahl der Anströmung variiert wird; Berechnen einer schallfrequenz- und strömungsparameterabhängigen räumlichen Schallleistungsgesamtverteilung aus den gemessenen Schalldrücken durch Beamforming und Identifizieren der realen Schallquellen anhand von spektralen, parametrischen und räumlichen Kriterien aus der räumlichen Schallleistungsgesamtverteilung. Dabei umfassen die Kriterien das spektrale Kriterium, dass eine zu der Schallleistungsgesamtverteilung beitragende räumliche Schallleistungsverteilung einer realen Schallquelle bei verschiedenen Frequenzen gleichzeitig auftritt. Die Kriterien umfassen das parametrische Kriterium, dass eine zu der Schallleistungsgesamtverteilung beitragende Schallleistungsverteilung einer realen Schallquelle mit steigender Machzahl der Anströmung ansteigende Schallleistungen aufweist. Außerdem umfassen die Kriterien das räumliche Kriterium, dass eine zu der durch Beamforming berechneten Schallleistungsgesamtverteilung beitragende räumliche Schallleistungsgesamtverteilung einer realen Schallquelle über alle Frequenzen, bei denen sie auftritt, hinweg betrachtet eine räumliche Normalverteilung ist.In the method according to the invention for identifying real sound sources on an object against which an inflow is flowing, the following steps are carried out: measuring sound pressures of sound emanating from the object in which the flow is blowing, using a microphone array, with a Mach number of the inflow being varied; Calculation of a sound frequency and flow parameter-dependent spatial sound power total distribution from the measured sound pressures by beamforming and identification of the real sound sources based on spectral, parametric and spatial criteria from the spatial sound power total distribution. The criteria include the spectral criterion that a spatial sound power distribution of a real sound source that contributes to the overall sound power distribution occurs at different frequencies simultaneously. The criteria include the parametric criterion that a sound power distribution of a real sound source that contributes to the total sound power distribution has increasing sound power levels as the Mach number of the inflow increases. The criteria also include the spatial criterion that a total spatial sound power distribution of a real sound source contributing to the total sound power distribution calculated by beamforming is a spatial normal distribution across all frequencies at which it occurs.
Die betrachtete Schallleistung kann direkt oder auf einer logarithmischen Skala als Schallleistungspegel betrachtet werden. Der Schallleistungspegel ist von dem Schalldruckpegel des in einem festen Abstand zu der jeweiligen realen Schallquelle gemessenen Schalldrucks linear abhängig, wenn zwischen der Schallquelle und dem Ort der Messung allenfalls eine lineare Dämpfung auftritt. Die Schallleistung gibt die pro Zeiteinheit von der realen Schallquelle abgestrahlte Schallenergie in Watt wieder. Der Schallleistungspegel Lw in Dezibel bezieht die Schallleistung Pak gemäß: Lw= 10 Ig (Pak/P0) dB auf einen für Luftschall normierten Bezugswert P0= 10-12W.The considered sound power can be viewed directly or as a sound power level on a logarithmic scale. The sound power level is linearly dependent on the sound pressure level of the sound pressure measured at a fixed distance from the respective real sound source if at most linear attenuation occurs between the sound source and the location of the measurement. The sound power reflects the sound energy in watts radiated by the real sound source per unit of time. The sound power level Lw in decibels relates the sound power Pak according to: Lw= 10 Ig (P ak /P 0 ) dB to a reference value P 0 = 10 -12 W standardized for airborne sound.
Anhand der genannten drei Kriterien ist eine automatisierte Identifizierung der interessierenden realen Schallquellen, d. h. von aeroakustischen Quellen, möglich. Dazu können in der Schallleistungsgesamtverteilung die räumlichen Schallleistungsverteilungen markiert werden, die bei verschiedenen Frequenzen gleichzeitig auftreten. Dann kann für jede dieser markierten räumlichen Schallleistungsverteilungen geprüft werden, ob sie mit steigender Machzahl der Anströmung ansteigende Schallleistungen aufweist und ob die räumlichen Schallleistungsverteilungen über alle Frequenzen, bei denen sie auftreten, hinweg betrachtet räumliche Normalverteilungen sind.Based on the three criteria mentioned, an automated identification of the real sound sources of interest, i. H. from aeroacoustic sources, possible. For this purpose, the spatial sound power distributions that occur simultaneously at different frequencies can be marked in the total sound power distribution. It can then be checked for each of these marked spatial sound power distributions whether it has increasing sound powers with increasing Mach number of the inflow and whether the spatial sound power distributions are spatial normal distributions across all frequencies at which they occur.
Zur Überprüfung, ob dieses räumliche Kriterium bei einer konkreten Schallleistungsverteilung erfüllt ist, sind die Schallleistungen für jeden Ort über die verschiedenen Frequenzen, bei denen die Schallleistungsverteilung auftritt, zu integrieren, und die insoweit über die Frequenz aufintegrierte Schallleistungsverteilung ist daraufhin zu prüfen, ob sie als räumliche Normalverteilung qualifiziert oder nicht. Hierzu kann die Abweichung von einer idealen Normalverteilung quantifiziert und mit einem Grenzwert verglichen werden.To check whether this spatial criterion is met for a specific sound power distribution, the sound powers for each location must be integrated across the various frequencies at which the sound power distribution occurs, and the sound power distribution integrated across the frequency must then be checked to determine whether it is spatial normality qualified or not. For this purpose, the deviation from an ideal normal distribution can be quantified and compared with a limit value.
Das räumliche Kriterium der Normalverteilung ist kein Kriterium, dass für die tatsächlichen räumlichen Schallleistungsverteilungen realer Schallquellen gilt, sondern für die Beiträge realer Schallquellen zu einer durch Beamforming berechneten Schallleistungsgesamtverteilung. Mit anderen Worten sind die Normalverteilungen, mit denen die räumlichen Schallleistungsverteilungen realer Schallquellen zu der durch Beamforming berechneten Schallleistungsgesamtverteilung beitragen, Artefakte des Beamformings, die aber bei allen realen Schallquellen in dieser Form auftreten. Dabei versteht es sich, dass die Normalverteilungen, mit denen die realen Schallquellen zu der Schallleistungsgesamtverteilung beitragen, nur dann einfache Normalverteilungen um einen Punkt sind, wenn es sich um punktförmige reale Schallquellen handelt. Ansonsten sind es Normalverteilungen um die Abmessungen der realen Schallquellen herum.The spatial criterion of the normal distribution is not a criterion that applies to the actual spatial sound power distributions of real sound sources, but rather to the contributions of real sound sources to a total sound power distribution calculated by beamforming. In other words, the normal distributions, with which the spatial sound power distributions of real sound sources contribute to the total sound power distribution calculated by beamforming, are artifacts of beamforming that occur in this form with all real sound sources. It goes without saying that the normal distributions, with which the real sound sources contribute to the total sound power distribution, are only simple normals distributions around a point are real point sources of sound. Otherwise they are normal distributions around the dimensions of the real sound sources.
Das oben genannte parametrische Kriterium spiegelt wider, dass eine reale Schallquelle mit steigender Machzahl der Anströmung lauter wird. Dieses Kriterium gilt für alle hier relevanten aeroakustischen Quellen.The above parametric criterion reflects that a real sound source becomes louder as the Mach number of the flow increases. This criterion applies to all aeroacoustic sources relevant here.
Das oben genannte spektrale Kriterium bedeutet, dass eine reale Schallquelle bei verschiedenen Frequenzen zugleich auftritt. Selbst wenn die reale Schallquelle eine dominante Frequenz, beispielsweise die Eigenfrequenz eines Resonators, aufweist, strahlt sie auch Schallleistung bei anderen Frequenzen, beispielsweise den Harmonischen der Eigenfrequenz und in den angrenzenden Frequenzbändern ab.The spectral criterion mentioned above means that a real sound source occurs at different frequencies at the same time. Even if the real sound source has a dominant frequency, for example the natural frequency of a resonator, it also radiates sound power at other frequencies, for example the harmonics of the natural frequency and in the adjacent frequency bands.
Bei der Erprobung des erfindungsgemäßen Verfahrens war es mit Hilfe der genannten drei Kriterien möglich, reale Schallquellen automatisiert aus „dirty maps“ zu identifizieren, d. h. ohne Reduktion der Datenmenge und ohne Hilfe eines Experten oder sonstigen menschlichen Eingriff.When testing the method according to the invention, it was possible with the aid of the three criteria mentioned to automatically identify real sound sources from "dirty maps", i. H. without reducing the amount of data and without the help of an expert or other human intervention.
Das Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Identifizierung realer Schallquellen kann eine Schallquellenkarte sein. Konkret können zur Erstellung dieser Schallquellenkarte die Schallleistungen der räumlichen Schallleistungsverteilung einer identifizierten Schallquelle bei der jeweiligen Frequenz des Schalls über den Ort zu einem Schallleistungswert aufintegriert werden, und dieser Schallleistungswert kann in der Schallquellenkarte einem räumlichen Leistungsschwerpunkt der räumlichen Schallleistungsverteilung der identifizierten Schallquelle bei der jeweiligen Frequenz des Schalls zugeordnet werden. Anders gesagt wird der Schalleistungswert zu der jeweiligen Frequenz des Schalls am Ort des Leistungsschwerpunkts der identifizierten Schallquelle in die Schallquellenkarte eingetragen.The result of the method according to the invention for identifying real sound sources can be a sound source map. Specifically, to create this sound source map, the sound powers of the spatial sound power distribution of an identified sound source at the respective frequency of the sound can be integrated over the location to form a sound power value, and this sound power value can be assigned to a spatial power focus of the spatial sound power distribution of the identified sound source at the respective frequency of the sound source map be assigned to sound. In other words, the sound power value for the respective frequency of the sound at the location of the power focus of the identified sound source is entered in the sound source map.
Um bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zwischen nahe beieinander liegenden und einander möglicherweise auch überlappenden realer Schallquellen unterscheiden zu können, kann das zusätzliche räumliche Kriterium angewandt werden, dass bei verschiedenen Machzahlen der Anströmung zu der Schallleistungsgesamtverteilung beitragende und einander überlappende Schallleistungsverteilungen einer realen Schallquelle zuzuordnen sind.In order to be able to distinguish between real sound sources that are close to one another and possibly also overlapping one another in the method according to the invention, the additional spatial criterion can be applied that, with different Mach numbers of the inflow, overlapping sound power distributions that contribute to the total sound power distribution can be assigned to a real sound source.
Beim Berechnen der Schallleistungsgesamtverteilung aus den gemessenen Schalldrücken durch Beamforming muss vielfach eine akustische Punktspreizfunktion, die durch die diskrete Anordnung der Mikrofone in dem Mikrofonarray bedingt ist und deren Ausprägung von dem jeweiligen Mikrofonarray abhängt, möglichst vollständig kompensiert werden. Anders gesagt deformiert die akustische Punktspreizfunktion die nur durch Beamforming berechnete Schallleistungsgesamtverteilung vielfach soweit, dass eine Identifizierung realer Schallquellen unmöglich ist. Zur Kompensation der akustischen Punktspreizfunktion kann zum Beispiel eine zunächst ohne Berücksichtigung der Punktspreizfunktion berechnete Rohschallleistungsgesamtverteilung bezüglich der akustischen Punktspreizfunktion entfaltet oder anderweitig aufbereitet werden. Als ein weiteres Beispiel kann ein Beamforming-Algorithmus zum Berechnen der Schallleistungsgesamtverteilung verwendet werden, der die akustische Punktspreizfunktion von vorn herein kompensiert. Idealerweise findet sich in der berechneten Schallleistungsgesamtverteilung zu jedem tatsächlichen Ort einer realen Schallquelle nur ein Ort pro Frequenz des Schalls, den die Schallquelle abstrahlt. Bezüglich eben dieser Orte ist das räumliche Kriterium relevant, dass eine zu der durch Beamforming berechneten Schallleistungsgesamtverteilung beitragende räumliche Schallleistungsverteilung einer realen Schallquelle über alle Frequenzen, bei denen sie auftritt, hinweg betrachtet eine Normalverteilung ist. Das Kompensieren der akustischen Punktspreizfunktion ist daher gegebenenfalls bereits vor dem Identifizieren der realen Schallquellen anhand des räumlichen Kriteriums durchzuführen, dass eine zu der durch Beamforming berechneten Schallleistungsgesamtverteilung beitragende räumliche Schallleistungsverteilung einer realen Schallquelle über alle Frequenzen, bei denen sie auftritt, hinweg betrachtet eine räumliche Normalverteilung ist, weil dieses Artefakt des Beamformings gegebenenfalls erst nach dem Kompensieren der akustischen Punktspreizfunktion sichtbar ist.When calculating the total sound power distribution from the measured sound pressures by beamforming, an acoustic point spread function, which is caused by the discrete arrangement of the microphones in the microphone array and whose expression depends on the respective microphone array, must often be compensated as completely as possible. In other words, the acoustic point spread function often deforms the total sound power distribution calculated only by beamforming to such an extent that it is impossible to identify real sound sources. To compensate for the acoustic point spread function, for example, a total raw sound power distribution initially calculated without taking the point spread function into account can be unfolded or processed in some other way with respect to the acoustic point spread function. As another example, a beamforming algorithm can be used to calculate the total sound power distribution that precompensates for the acoustic point spread function. Ideally, there is only one location per frequency of the sound emitted by the sound source in the calculated total sound power distribution for each actual location of a real sound source. With regard to these locations, the relevant spatial criterion is that a spatial sound power distribution of a real sound source that contributes to the total sound power distribution calculated by beamforming across all frequencies at which it occurs is a normal distribution. The compensation of the acoustic point spread function should therefore be carried out before identifying the real sound sources using the spatial criterion that a spatial sound power distribution of a real sound source contributing to the total sound power distribution calculated by beamforming is a spatial normal distribution across all frequencies at which it occurs , because this beamforming artifact may only be visible after compensating for the acoustic point spread function.
Zur Charakterisierung der realen Schallquellen an dem von der Strömung überströmten Objekt auf Basis der Schallquellenkarte, in der Leistungen der Schallquellen bei verschiedenen Frequenzen und variierter Machzahl der das Objekt überströmenden Strömung eingetragen sind, werden Merkmale zu verschiedenen Eigenschaften der Schallquellen bestimmt. Diese verschiedenen Eigenschaften der Schallquelle werden aus einer Gruppe von Eigenschaften ausgewählt, die die akustischen Eigenschaften einer realen Schallquelle beschreiben. Dazu zählen eine breitbandige Selbstähnlichkeit, eine Machzahlskalierung, eine Tonalität, eine tonale Selbstähnlichkeit, eine relative Quellbewegung, eine räumliche Ausdehnung und eine Form des Spektrums. Die zu jeder der Eigenschaften bestimmten Merkmale werden dabei jeweils durch einen einzigen numerischen Wert beschrieben. Die als Basis verwendete Teilquellenkarte könnte auch einen anderen Ursprung als das erfindungsgemäße Verfahren zur Identifizierung realer Schallquellen haben. Eine Schallquellengesamtverteilung, d. h. eine sogenannte „dirty map“ ist als Basis für das erfindungsgemäße Verfahren zur Charakterisierung von realen Schallquellen jedoch ungeeignet, da hierin die realen Schallquellen noch nicht identifiziert und von Auswirkungen des Beamforming und anderen Artefakten, die keinen Schallleistungen realer Schallquellen entsprechen, abgetrennt sind.In order to characterize the real noise sources at the object over which the flow flows on the basis of the noise source map, in which the power of the noise sources at different frequencies and varied Mach number of the flow overflowing the object are entered, characteristics of various properties of the noise sources are determined. These various properties of the sound source are chosen from a group of properties that describe the acoustic properties of a real sound source. These include broadband self-similarity, Mach number scaling, tonality, tonal self-similarity, relative source motion, spatial extension, and shape of the spectrum. The features determined for each of the properties are each described by a single numerical value. The partial source map used as a basis could also have a different origin than the method according to the invention for identifying real sound sources. An overall sound source distribution, ie a so-called "dirty map" is unsuitable as a basis for the method according to the invention for characterizing real sound sources, since the real sound sources have not yet been identified and separated from the effects of beamforming and other artifacts that do not correspond to sound power of real sound sources are.
Mindestens werden für die Charakterisierung der realen Schallquellen die numerischen Werte zu Merkmalen von drei der genannten sieben akustischen Eigenschaften berechnet. Vorzugsweise werden die numerischen Werten zu den Merkmalen von mindestens vier, mehr bevorzugt von mindestens fünf, noch mehr bevorzugt von mindestens sechs und am meisten bevorzugt von allen sieben der genannten sieben akustischen Eigenschaften berechnet. Jede dieser Eigenschaften hat sich für die einfache Charakterisierung von realen Schallquellen durch wenige numerische Werte und zur Unterscheidung zwischen verschiedenartigen realen Schallquellen als wertvoll erwiesen.At least the numerical values for characteristics of three of the seven acoustic properties mentioned are calculated for the characterization of the real sound sources. Preferably, the numerical values relating to the characteristics of at least four, more preferably at least five, even more preferably at least six and most preferably all seven of said seven acoustic properties are calculated. Each of these properties has proven valuable for easily characterizing real-world sound sources by a few numerical values and distinguishing between different types of real-world sound sources.
Als Merkmal der breitbandigen Selbstähnlichkeit der jeweiligen Schallquelle kann konkret eine Standardabweichung von Unterschieden der Schallleistung der Schallquelle bei verschiedenen Machzahlen und bei jeweils gleichen von verschiedenen Frequenzen des Schalls berechnet werden. Statt der oder zusätzlich zu den verschiedenen Frequenzen können auch verschiedene Strouhalzahlen und/oder Helmholtzzahlen des Schalls Berücksichtigung finden. Die Strouhalzahl Sr ist gemäß Sr = fL/v definiert als Quotient aus dem Produkt der Frequenz f des Schalls und einer Größe L des umströmten Objekts einerseits und der Anströmgeschwindigkeit v andererseits. Die Helmholtzzahl He ist demgegenüber definiert als He = L/λ, wobei L wieder eine charakteristische Größe des umströmten Objekts und λ die Wellenlänge der Schallwellen ist.As a feature of the broadband self-similarity of the respective sound source, a standard deviation of differences in the sound power of the sound source at different Mach numbers and at the same different frequencies of the sound can be calculated. Instead of or in addition to the different frequencies, different Strouhal numbers and/or Helmholtz numbers of the sound can also be taken into account. The Strouhal number Sr is defined according to Sr = fL/v as the quotient of the product of the frequency f of the sound and a variable L of the object in the flow on the one hand and the flow velocity v on the other. In contrast, the Helmholtz number He is defined as He = L/λ, where L is again a characteristic variable of the object in the flow and λ is the wavelength of the sound waves.
Als Merkmal der Machzahlskalierung der jeweiligen Schallquelle kann konkret ein Exponent der Machzahl der Anströmung berechnet werden, bei dem eine Quadratsumme von Unterschieden der Schallleistungen der Schallquelle bei verschiedenen Machzahlen und bei jeweils gleichen von verschiedenen Frequenzen des Schalls ein Minimum annimmt. Auch hierbei können statt der oder zusätzlich zu den verschiedenen Frequenzen verschiedene Strouhalzahlen und/oder Helmholtzzahlen des Schalls berücksichtigt werden.As a feature of the Mach number scaling of the respective sound source, an exponent of the Mach number of the inflow can be calculated, in which a squared sum of differences in the sound power of the sound source at different Mach numbers and at the same different frequencies of the sound assumes a minimum. Here too, instead of or in addition to the different frequencies, different Strouhal numbers and/or Helmholtz numbers of the sound can be taken into account.
Merkmale der Tonalität der jeweiligen Schallquelle kann konkret als eine Anzahl und aus relativen Schallleistungen, aus Intervallbreiten und aus Frequenzen des Schalls von mit ihrer Schallleistung über ein breitbandiges Rauschen hinausgehenden Einzeltönen berechnet werden. Auch hierbei können statt der oder zusätzlich zu den Frequenzen Strouhalzahlen und/oder Helmholtzzahlen des Schalls betrachtet werden. Bei der Berechnung der Tonalität der jeweiligen Schallquelle finden nur Einzeltöne Berücksichtigung, die sich eindeutig von einem Rauschen abheben, d. h. nur die identifizierbaren Peaks des Spektrums der Schallleistungen, aber grundsätzlich unabhängig von der Breite der Peaks.Characteristics of the tonality of the respective sound source can be calculated specifically as a number and from relative sound powers, from interval widths and from sound frequencies of individual tones whose sound power exceeds broadband noise. Here, too, Strouhal numbers and/or Helmholtz numbers of the sound can be considered instead of or in addition to the frequencies. When calculating the tonality of the respective sound source, only individual tones that clearly stand out from noise are taken into account, i.e. H. only the identifiable peaks of the sound power spectrum, but basically independent of the width of the peaks.
Noch konkreter können für die Tonalität der jeweiligen Schallquelle neben der Anzahl die Parameter von Gamma-Verteilungsfunktionen der relativen Schallleistungen, der Intervallbreiten und der Frequenzen des Schalls der mit ihrer Schallleistung über das breitbandige Rauschen hinausgehende Einzeltöne berechnet werden. Die Verteilungsfunktionen gleichen aus, dass die Anzahl der Einzeltöne verschiedener Schallquellen variiert und die Einzeltöne beispielweise unterschiedliche Intervallbreiten aufweisen. Die Verteilungsfunktion beschreibt die Merkmale aller Einzeltöne unabhängig von derer Anzahl. Erneut können statt der oder zusätzlich zu den Frequenzen die Strouhalzahlen und/oder Helmholtzzahlen des Schalls Berücksichtigung finden. Die Gamma-Verteilungsfunktionen sind dabei aus den Gamma-Verteilungsfunktionen auszuwählen, die durch drei unabhängigen Parameter, Shape, Location und Scale, vollständig beschrieben werden, und an die relativen Schallleistungen, Intervallbreiten und Frequenzen beziehungsweise Strouhalzahlen oder Helmholtzzahlen der Einzeltöne anzufitten.Even more specifically, for the tonality of the respective sound source, in addition to the number, the parameters of gamma distribution functions of the relative sound powers, the interval widths and the frequencies of the sound of the individual tones with their sound power exceeding the broadband noise can be calculated. The distribution functions compensate for the fact that the number of individual tones varies from different sound sources and the individual tones have different interval widths, for example. The distribution function describes the characteristics of all individual tones regardless of their number. Again, the Strouhal numbers and/or Helmholtz numbers of the sound can be taken into account instead of or in addition to the frequencies. The gamma distribution functions are to be selected from the gamma distribution functions that are fully described by three independent parameters, shape, location and scale, and fitted to the relative sound power levels, interval widths and frequencies or Strouhal numbers or Helmholtz numbers of the individual tones.
Die tonale Selbstähnlichkeit der jeweiligen Schallquelle kann berechnet werden als Verhältnis einer Überlappungssumme von Überlappungen von Bandbreiten der Einzeltöne bei verschiedenen Machzahlen zu einer Gesamtsumme der Bandbreiten der Einzeltöne. Dabei können die Bandbreiten je nach Betrachtung in den Frequenzen und/oder Strouhalzahlen und/oder Helmholtzzahlen des Schalls der mit ihrer Schallleistung über das breitbandige Rauschen hinausgehende Einzeltöne bestimmt werden. Die tonale Selbstähnlichkeit zeigt damit an, in welchem relativen Umfang sich die Einzeltöne in den Spektren der Schallleistungen bei den verschiedenen Machzahlen der Anströmung wiederfinden.The tonal self-similarity of the respective sound source can be calculated as the ratio of an overlap sum of overlaps of bandwidths of the individual tones at different Mach numbers to a total sum of the bandwidths of the individual tones. Depending on the consideration, the bandwidths can be determined in the frequencies and/or Strouhal numbers and/or Helmholtz numbers of the sound of the individual tones whose sound power exceeds the broadband noise. The tonal self-similarity thus indicates the relative extent to which the individual tones can be found in the spectra of the sound power at the different Mach numbers of the inflow.
Die Form des Spektrums der jeweiligen Schallquelle kann berechnet werden als Steigungsparameter einer durch lineare Regression über die Frequenz des Schalls an die Schallleistung der Schallquelle angefitteten Geraden. Auch hier kann die Strouhalzahl oder Helmholtzzahl des Schalls berücksichtigt werden, führt aber zu keiner zusätzlichen Information. Die Form des Spektrums der jeweiligen Schallquelle kann alternativ oder zusätzlich als Bestimmtheitsmaß der jeweiligen linearen Regression berechnet werden.The shape of the spectrum of the respective sound source can be calculated as the gradient parameter of a straight line fitted to the sound power of the sound source by linear regression over the frequency of the sound. The Strouhal number or Helmholtz number of the sound can also be taken into account here, but does not lead to any additional information. Alternatively or additionally, the shape of the spectrum of the respective sound source can be calculated as a coefficient of determination of the respective linear regression.
Die relative Quellbewegung der jeweiligen Schallquelle kann als Entfernung zwischen verschiedenen räumlichen Positionen der Schallquelle bei verschiedenen Machzahlen der Anströmung, die auf einen Unterschied zwischen den verschiedenen Machzahlen normiert wird, berechnet werden. Statt der verschiedenen Machzahlen können auch verschiedene Frequenzen und/oder Strouhalzahlen und/oder Helmholtzzahlen des Schalls betrachtet werden. Dann ist die Entfernung zwischen den verschiedenen räumlichen Positionen auf einen Unterschied zwischen den verschiedenen Frequenzen beziehungsweise Strouhalzahlen beziehungsweise Helmholtzzahlen des Schalls zu normieren. Die räumliche Ausdehnung der jeweiligen Schallquelle kann konkret aus Parametern einer Normalverteilung der räumlichen Schallleistungsverteilung der Schallquelle berechnet werden. Dabei kann als numerischer Wert der räumlichen Ausdehnung konkret ein räumliches Integral über die Normalverteilung der räumlichen Schallleistungsverteilung der Schallquelle verwendet werden.The relative source movement of the respective sound source can be calculated as the distance between different spatial positions of the sound source with different Mach numbers of the inflow, which is normalized to a difference between the different Mach numbers. Instead of the different Mach numbers, different frequencies and/or Strouhal numbers and/or Helmholtz numbers of the sound can also be considered. Then the distance between the different spatial positions is normalized to a difference between the different frequencies or Strouhal numbers or Helmholtz numbers of the sound. The spatial expansion of the respective sound source can be calculated specifically from parameters of a normal distribution of the spatial sound power distribution of the sound source. A spatial integral over the normal distribution of the spatial sound power distribution of the sound source can be used as the numerical value of the spatial extent.
Die durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Charakterisierung der Schallquellen bestimmten Merkmale der Schallquellen können normalisiert und orthogonalisiert werden. Dann können die Schallquellen mit einem Clustering-Verfahren, insbesondere mit einem Clustering-Verfahren, das ohne Vorwissen über die Clusteranzahl auskommt, nach ihren Merkmalen gruppiert, d. h. verschiedenen Gruppen zugeordnet werden. Dabei kann das Clustering-Verfahren ein sogenanntes dichtebasiertes Clustering-Verfahren sein. Mit Hilfe des Clustering-Verfahrens werden automatisch Gruppen von jeweils bezüglich ihrer bestimmten Merkmale gleichartigen Schallquellen ermittelt, wobei die Schallwellen der verschiedenen Gruppen bezüglich ihrer bestimmten Merkmale ungleichartig sind. Hierfür ist ebenso wie für das Berechnen der numerischen Werte für die verschiedenen Merkmale der Schallquellen kein Expertenwissen erforderlich. Vielmehr kann das erfindungsgemäße Verfahren anhand der voranstehenden Erläuterungen vollständig automatisiert werden, so dass es ohne menschlichen Eingriff abläuft.The features of the sound sources determined by the method according to the invention for characterizing the sound sources can be normalized and orthogonalized. The sound sources can then be grouped according to their characteristics using a clustering method, in particular using a clustering method that does not require prior knowledge of the number of clusters, i. H. assigned to different groups. The clustering method can be a so-called density-based clustering method. With the help of the clustering method, groups of sound sources that are similar in each case with regard to their specific characteristics are automatically determined, with the sound waves of the various groups being dissimilar with regard to their specific characteristics. This, like calculating the numerical values for the various characteristics of the sound sources, does not require expert knowledge. Rather, the method according to the invention can be fully automated based on the above explanations, so that it runs without human intervention.
Eine größte der verschiedenen Machzahlen, zu denen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Schalldrücke mit dem Mikrofonarray gemessen werden beziehungsweise die in der Schallquellenkarte Berücksichtigung finden, ist regelmäßig um mindestens 5 % größer als eine kleinste der verschiedenen Machzahlen. Häufig ist die größte auch um mindestens 10 % größer als die kleinste der verschiedenen Machzahlen, und oftmals ist die größte um mindestens 20 % größer als die kleinste der verschiedenen Machzahlen.A largest of the various Mach numbers for which the sound pressures are measured with the microphone array in the method according to the invention or which are taken into account in the sound source map is regularly at least 5% larger than a smallest of the various Mach numbers. Often the largest is also at least 10% larger than the smallest of the various Mach numbers, and often the largest is at least 20% larger than the smallest of the various Mach numbers.
Hinsichtlich der betrachteten verschiedenen Frequenzen und/oder Strouhalzahlen und/oder Helmholtzzahlen ist eine größte regelmäßig mindestens 10-mal, typischerweise mindestens 30-mal und oftmals mindestens 100-mal so groß wie eine kleinste. Dadurch wird der Schall breitbandig betrachtet. Oftmals finden alle Frequenzen und die entsprechenden Strouhalzahlen beziehungsweise Helmholtzzahlen Berücksichtigung, zu denen mit dem Mikrofonarray Schalldrücke gemessen werden oder zu denen Daten in der Schallquellkarte enthalten sind.With regard to the various frequencies and/or Strouhal numbers and/or Helmholtz numbers considered, a largest one is regularly at least 10 times, typically at least 30 times and often at least 100 times larger than a smallest one. As a result, the sound is viewed in a broadband manner. All frequencies and the corresponding Strouhal numbers or Helmholtz numbers are often taken into account for which sound pressures are measured with the microphone array or for which data are contained in the sound source map.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.Advantageous developments of the invention result from the patent claims, the description and the drawings.
Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen.The advantages of features and combinations of several features mentioned in the description are merely exemplary and can have an effect alternatively or cumulatively without the advantages necessarily having to be achieved by embodiments according to the invention.
Hinsichtlich des Offenbarungsgehalts - nicht des Schutzbereichs - der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents gilt Folgendes: Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen, was aber nicht für die unabhängigen Patentansprüche des erteilten Patents gilt.The following applies to the disclosure content - not the scope of protection - of the original application documents and the patent: Further features can be found in the drawings - in particular the illustrated geometries and the relative dimensions of several components to one another as well as their relative arrangement and operative connection. The combination of features of different embodiments of the invention or of features of different patent claims is also possible, deviating from the selected dependencies of the patent claims and is hereby suggested. This also applies to those features that are shown in separate drawings or are mentioned in their description. These features can also be combined with features of different patent claims. Likewise, features listed in the patent claims can be omitted for further embodiments of the invention, but this does not apply to the independent patent claims of the granted patent.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Objekt die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Objekt, zwei Objekte oder mehr Objekte vorhanden sind. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die das jeweilige Verfahren aufweist.The features mentioned in the patent claims and the description are to be understood with regard to their number in such a way that exactly this number or a larger number than the number mentioned is present, without the need for an explicit use of the adverb “at least”. If, for example, an object is mentioned, this is to be understood in such a way that exactly one object, two objects or more objects are present. The features listed in the patent claims can be supplemented by other features or can be the only features that the respective method has.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.The reference signs contained in the claims do not limit the scope of the subject-matter protected by the claims. They only serve the purpose of making the claims easier to understand.
Figurenlistecharacter list
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
-
1 illustriert eine durch Beamforming und Kompensation der einer Punktspreizfunktion des Beamforming berechnete räumlichen Schallleistungsgesamtverteilung an einem umströmten Tragflügel. -
2 illustriert eine auf Clustering basierte Identifikation realer Schallquellen inder Schallleistungsgesamtverteilung gemäß 1 , wobei Raum- und Frequenzmittelpunkte der in verschiedenen Graustufen wiedergegebenen Cluster durch Sterne gekennzeichnet sind. -
3 erläutert die Anwendung des räumlichen Kriteriums, dass eine zu der durch Beamforming berechneten Schallleistungsgesamtverteilung beitragende räumliche Schallleistungsverteilung einer realen Schallquelle über alle Frequenzen, bei denen sie auftritt, hinweg betrachtet eine räumliche Normalverteilung ist. -
4 zeigt die Auftragung von numerischen Werten dreier als Beispiel ausgewählter Merkmale der identifizierten realen Schallquellen eines exemplarischen Datensatzes. Die ausgewählten Merkmale erfüllen die Bedingung, für verschiedene Quelltypen unterschiedliche numerische Werte zu liefern, so dass anhand der Gesamtheit der numerischen Werte auf den Quelltyp geschlossen werden kann. -
5 zeigt breitbandig machzahlskalierte Spektren einer realen Schallquelle bei drei verschiedenen Machzahlen. Die Quelle skaliert tieffrequent über die Strouhalzahl des Schalls mit 3,7 und hochfrequent über die Helmholtzahl des Schalls mitder Machzahl hoch 6,0.der Machzahl hoch -
6 zeigt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren an einem Tragflügel eines Verkehrsflugzeugs identifizierte reale Schallquellen und deren mittlere Quellbewegungen mit der Machzahl. -
7 illustriert die Bestimmung der Merkmale zu der Eigenschaft „Tonalität“ bei dem erfindungsgemäßen Verfahren. -
8 zeigt das Ergebnis eines Clusterings auf Basis von Merkmalen identifizierter realer Schallquellen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren. -
9 ist ein Ablaufdiagramm der erfindungsgemäßen Verfahren zur Identifizierung und Charakterisierung realer Schallquellen.
-
1 illustrates a total spatial sound power distribution on an airfoil calculated by beamforming and compensation of a point spread function of the beamforming. -
2 illustrates a clustering-based identification of real sound sources in the total sound power distribution according to1 , where spatial and frequency centers of the clusters reproduced in different shades of gray are marked by asterisks. -
3 explains the application of the spatial criterion that a spatial sound power distribution of a real sound source that contributes to the total sound power distribution calculated by beamforming across all frequencies at which it occurs is a spatial normal distribution. -
4 shows the plot of numerical values of three characteristics selected as examples of the identified real sound sources of an exemplary data set. The selected characteristics fulfill the condition of supplying different numerical values for different source types, so that the source type can be deduced from the total of the numerical values. -
5 shows broadband Mach number-scaled spectra of a real sound source at three different Mach numbers. The source scales low-frequency via the Strouhal number of the sound with a Mach number to the power of 3.7 and high-frequency via the Helmholt number of the sound with a Mach number to the power of 6.0. -
6 shows real sound sources identified with the method according to the invention on a wing of a commercial aircraft and their mean source movements with the Mach number. -
7 illustrates the determination of the characteristics of the property "tonality" in the method according to the invention. -
8th shows the result of clustering based on characteristics of identified real sound sources in the method according to the invention. -
9 FIG. 12 is a flow chart of the methods according to the invention for identifying and characterizing real sound sources.
FIGURENBESCHREIBUNGFIGURE DESCRIPTION
Die erfindungsgemäßen Verfahren zur Identifizierung und Charakterisierung realer Schallquellen setzen auf herkömmlichen Beamforming- und Entfaltungsmethoden auf, die auf mit einem Mikrofonarray gemessene Schalldrücke von Schall, der von einem angeströmten Objekt ausgeht, angewendet werden. Dabei werden Messwerte der Schalldrücke zu verschiedenen Machzahlen der Anströmung des angeströmten Objekts berücksichtigt. Bei den angewandten Beamforming- und Entfaltungsmethoden kann es sich um alle Methoden handeln, die aus den gemessene Schalldrücken unbekannte Schallquellen an dem angeströmten Objekt bestimmen. Dazu zählen sowohl direkte Methoden, wie CBF (conventional beamforming), FB (functional beamforming), Entfaltungsmethoden (DAMAS, DAMAS-2, DAMAS-2.1, DAMAS-C), datenabhängige Beamforming-Algorithmen wie RAB (robust adaptive beamforming) als auch inverse Methoden die mithilfe der Tikhonov Regularisierung verschieden Normen (z.B. L_0, L_1,L_2) des Minimierungsproblems ||p-Gq|| lösen. Die Beamforming- und Entfaltungsmethoden berechnen eine schallfrequenz- und strömungsparameterabhängige räumliche Schallleistungsgesamtverteilung. Aus dieser Schallleistungsgesamtverteilung werden reale Schallquellen identifiziert. Zur Charakterisierung der Schallquellen werden numerische Werte verschiedener ausgewählter Merkmale der Schallquellen berechnet, und dann werden die Schallquellen, insbesondere durch ein Verfahren des unsupervised learning, auf Basis ihrer numerischen Werte der verschiedenen Merkmalen gruppiert, das heißt zu verschiedenen Gruppen jeweils gleichartiger realer Schallquellen zusammengefasst. Dabei sind die berechneten numerischen Werte der Merkmale unabhängig von der Anströmgeschwindigkeit und machen so Messungen bei verschiedenen Machzahlen direkt vergleichbar. Da alle Schritte der erfindungsgemäßen Verfahren zur Identifizierung und Charakterisierung realer Schallquellen automatisierbar sind, können auch die Daten von großen Messreihen mit vielen Parametervariationen schnell und umfassend analysiert werden. Damit sind auch statistisch abgesicherte Aussagen über die einzelnen realen Schallquellen und Schallquellentypen möglich, welche eine erhöhte Aussagekraft besitzen. Zudem sind die numerischen Werte, die die realen Schallquellen einer Gruppe, das heißt eines Schallquellentyps auszeichnen, Metainformationen, die anonymisiert werden können, um Vergleichsdaten zur Verfügung zu stellen, ohne sensible, auf das konkrete umströmte Objekt bezogene Daten preiszugeben.The methods according to the invention for identifying and characterizing real sound sources are based on conventional beamforming and unfolding methods, which are applied to sound pressures of sound emanating from an object being flown against, which are measured with a microphone array. Here, measured values of the sound pressures for different Mach numbers of the inflow of the object flown against are taken into account. The beamforming and unfolding methods used can be any method that uses the measured sound pressures to determine unknown sound sources on the object being flown against. These include direct methods such as CBF (conventional beamforming), FB (functional beamforming), deconvolution methods (DAMAS, DAMAS-2, DAMAS-2.1, DAMAS-C), data-dependent beamforming algorithms such as RAB (robust adaptive beamforming) and inverse Methods using the Tikhonov regularization of different norms (e.g. L_0, L_1,L_2) of the minimization problem ||p-Gq|| to solve. The beamforming and deconvolution methods calculate an acoustic frequency and flow parameter dependent spatial total sound power distribution. Real sound sources are identified from this total sound power distribution. To characterize the sound sources, numerical values of various selected features of the sound sources are calculated, and then the sound sources are grouped, in particular using a method of unsupervised learning, on the basis of their numerical values of the various features, i.e. combined into different groups of similar real sound sources. The calculated numerical values of the characteristics are independent of the flow velocity and thus make measurements at different Mach numbers directly comparable. Since all steps of the method according to the invention for identifying and characterizing real sound sources can be automated, the data from large series of measurements with many parameter variations can also be analyzed quickly and comprehensively. This also allows statistically secured statements about the individual real sound sources and sound source types, which have an increased informative value. In addition, the numerical values that characterize the real sound sources of a group, i.e. a type of sound source, are meta-information that can be anonymized in order to provide comparative data without revealing sensitive data related to the specific object in the flow.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Identifizierung realer Schallquellen erfüllt die Anforderung, aeroakustische Quellen automatisiert als solche zu identifizieren und dazu von Beamforming- und Entfaltungsartefakten zu unterscheiden. Bei einer Anströmgeschwindigkeit wird eine reale Schallquelle mit dem Mikrofonarray lediglich als eine Realisation eines kontinuierlichen, physikalischen Mechanismus vermessen. Dieser physikalische Mechanismus ändert sich bei aeroakustischen Quellen monoton in Abhängigkeit von der Anströmgeschwindigkeit. Dadurch ist es möglich, die realen akustischen Quellen anhand ihrer Veränderung über die Anströmgeschwindigkeit zunächst zu identifizieren und anschließend auch zu charakterisieren. Insbesondere ist die Schallleistung einer aeroakustischen Quelle abhängig von der Frequenz des Schalls und der Machzahl der Anströmung. Schallquellen, die am selben Ort auftreten, aber deren Schallleistung von anderen Parametern wie dem Anstellwinkel, Reynoldszahlunterschieden und Geometrievariationen abhängen, sind separate Schallquellen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Identifizierung realer Schallquellen nutzt den Umstand, dass reale aeroakustische Quellen in einem breiten Frequenzbereich oder zumindest bei mehreren Frequenzen des Schalls existieren und mit steigender Anströmgeschwindigkeit lauter werden. Weiterhin sind Nebenkeulen einer Punktspreizfunktion des Beamforming frequenzabhängig, und sie wandern örtlich mit steigender Frequenz des Schalls, während die räumliche Position einer realen aeroakustischen Quelle nur wenig variiert. Dadurch können reale Schallquellen durch statistische Verfahren aus der hinsichtlich des Beamformings entfalteten Schallleistungsgesamtverteilung, das heißt einer sogenannten „dirty map“, identifiziert werden. Alle Punkte der Schallleistungsgesamtverteilung, die das spektrale Kriterium erfüllen, dass eine zu der Schallleistungsgesamtverteilung betragende räumliche Schalleistungsverteilung einer realen Schallquelle bei verschiedenen Frequenzen gleichzeitig auftritt, und die das parametrische Kriterium erfüllen, dass eine zu der Schallleistungsgesamtverteilung beitragende Schallleistungsverteilung einer realen Schallquelle mit steigender Machzahl der Anströmung ansteigende Schallleistung aufweist, werden mittels eines Dichte basierten Clustering-Verfahrens, das ohne Vorwissen über die Clusteranzahl, das heißt die Anzahl der aeroakustischen Quellen, auskommt, einer Schallleistungsverteilung einer realen Schallquelle zugeordnet. Dabei kommt das räumliche Kriterium zur Anwendung, dass eine zu der durch Beamforming berechneten Schallleistungsgesamtverteilung beitragende räumliche Schallleistungsverteilung einer realen Schallquelle über alle Frequenzen, bei denen sie auftritt, hinweg betrachtet eine räumliche Normalverteilung ist. Dieses Vorgehen ermöglicht eine automatisierte präzise Identifizierung der aeroakustischen Quellen und ihrer Abgrenzung von Beamformingartefakten wie Rauschen oder die Punktspreizfunktion. Den Schwerpunkten der räumlichen Schallquellenverteilungen der einzelnen realen Schallquellen wird dann für jede Frequenz des Schalls die über den Ort auf integrierte Schallleistung der aeroakustischen Quelle zugeordnet. So wird für jede einzelne reale Schallquelle ein Spektrum ermittelt, statt über größere räumliche Integrationsbereiche ohne Berücksichtigung der Schallquellenverteilung. Dabei ist die räumliche Lokalisierung der räumlichen Schallquellen genauer als die Auflösung der durch Beamforming ermittelten räumlichen Schallleistungsgesamtverteilung, da die Schwerpunkte der Schallleistungsverteilungen statistisch ermittelt werden.The method according to the invention for identifying real sound sources meets the requirement of automatically identifying aeroacoustic sources as such and distinguishing them from beamforming and unfolding artifacts. With an inflow velocity, a real sound source is measured with the microphone array only as a realization of a continuous, physical mechanism. In the case of aeroacoustic sources, this physical mechanism changes monotonically as a function of the inflow velocity. This makes it possible to first identify and then characterize the real acoustic sources based on their change over the inflow velocity. In particular, the sound power of an aeroacoustic source depends on the frequency of the sound and the Mach number of the inflow. Sound sources that occur at the same location but whose sound power depends on other parameters such as angle of attack, Reynolds number differences and geometry variations are separate sound sources. The method according to the invention for identifying real sound sources makes use of the fact that real aeroacoustic sources exist in a wide frequency range or at least in several frequencies of the sound and become louder with increasing inflow speed. Furthermore, side lobes of a beamforming point spread function are frequency dependent and they migrate locally with increasing frequency of the sound, while the spatial position of a real aeroacoustic source varies only slightly. In this way, real sound sources can be identified using statistical methods from the total sound power distribution unfolded with regard to beamforming, i.e. a so-called “dirty map”. All points of the total sound power distribution that fulfill the spectral criterion that a spatial sound power distribution of a real sound source that contributes to the total sound power distribution occurs at different frequencies at the same time, and that fulfill the parametric criterion that a sound power distribution of a real sound source that contributes to the total sound power distribution with increasing Mach number of the flow has increasing sound power, are assigned to a sound power distribution of a real sound source using a density-based clustering method that does not require prior knowledge of the number of clusters, i.e. the number of aeroacoustic sources. The spatial criterion used is that a spatial sound power distribution of a real sound source that contributes to the total sound power distribution calculated by beamforming across all frequencies at which it occurs is a spatial normal distribution. This procedure enables an automated, precise identification of the aeroacoustic sources and their differentiation from beamforming artifacts such as noise or the point spread function. The focal points of the spatial sound source distributions of the individual real sound sources are then assigned for each sound frequency to the integrated sound power of the aeroacoustic source over the location. In this way, a spectrum is determined for each individual real sound source instead of over larger spatial integration areas without considering the sound source distribution. The spatial localization of the spatial sound sources is more precise than the resolution of the spatial total sound power distribution determined by beamforming, since the focal points of the sound power distributions are determined statistically.
Aufgrund der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der Normalverteilungen können auch sich leicht überlappende reale Schallquellen separiert werden und die räumliche Ausdehnungen der einzelnen Schallquellen rekonstruiert werden.Due to the probability density function of the normal distributions, even slightly overlapping real sound sources can be separated and the spatial expansion of the individual sound sources can be reconstructed.
Die in
In demselben Raum, wie er in
Jede aeroakustischen Quelle weist akustische Eigenschaften auf, denen Merkmale zugeordnet werden können, welche die Schallquelle abstrakt durch Metainformationen beschreiben. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Charakterisieren von realen Schallquellen kommt eine Auswahl solcher Eigenschaften und Merkmale zur Anwendung, die folgende Bedingungen erfüllen:
- - Die Merkmale müssen geeignet sein, grundlegende Eigenschaften von aeroakustischen Quellen zu beschreiben.
- - Die Merkmale sollten sich möglichst wenig überschneiden.
- - Die Merkmale müssen automatisch bestimmbar sein.
- - Jedes Merkmal wird durch einen einzigen numerischen Wert beschrieben.
- - The characteristics must be suitable for describing basic properties of aeroacoustic sources.
- - The characteristics should overlap as little as possible.
- - The characteristics must be automatically determinable.
- - Each characteristic is described by a single numerical value.
Diese Anforderungen werden durch folgende Eigenschaften und zugehörige Merkmale erfüllt:
- - breitbandige Selbstähnlichkeit bei Frequenz, Helmholtzzahl oder Strouhalzahl des Schalls,
- - Machzahlskalierung bei Frequenz, Helmholtzzahl oder Strouhalzahl des Schalls,
- - Tonalität bei Frequenz, Helmholtzzahl oder Strouhalzahl des Schalls, ausgedrückt durch
- • Anzahl der Einzeltöne,
- • relative Tonlautstärke, Parameter „Shape“ einer an die Schallleistungen der Einzeltöne angefitteten Gammaverteilungsfunktion,
- • relative Tonlautstärke, Parameter „Location“ einer an die Schallleistungen der Einzeltöne angefitteten Gammaverteilungsfunktion,
- • relative Tonlautstärke, Parameter „Scale“ einer an die Schallleistungen der Einzeltöne angefitteten Gammaverteilungsfunktion,
- • Frequenz der Einzeltöne, Parameter „Shape“ einer an die Frequenzen der Einzeltöne angefitteten Gammaverteilungsfunktion,
- • Frequenz der Einzeltöne, Parameter „Location“ einer an die Frequenzen der Einzeltöne angefitteten Gammaverteilungsfunktion,
- • Frequenz der Einzeltöne, Parameter „Scale“ einer an die Frequenzen der Einzeltöne angefitteten Gammaverteilungsfunktion,
- • Intervallbreite, Parameter „Shape“ einer an die Intervallbreiten der Einzeltöne angefitteten Gammaverteilungsfunktion,
- • Intervallbreite, Parameter „Location“ einer an die Intervallbreiten der Einzeltöne angefitteten Gammaverteilungsfunktion,
- • Intervallbreite, Parameter „Scale“ einer an die Intervallbreiten der Einzeltöne angefitteten Gammaverteilungsfunktion,
- - tonale Selbstähnlichkeit bei Frequenz, Helmholtzzahl oder Strouhalzahl des Schalls,
- - relative Quellbewegung,
- - räumliche Ausdehnung, ausgedrückt durch die Parameter
- • Kompaktheit,
- • räumlicher Quelltyp,
- - und Form des Spektrums, ausgedrückt durch die Parameter
- • Steigung der linearen Regression,
- • Bestimmtheitsmaß der linearen Regression.
- - broadband self-similarity in terms of frequency, Helmholtz number or Strouhal number of the sound,
- - Mach number scaling at frequency, Helmholtz number or Strouhal number of the sound,
- - Tonality at frequency, Helmholtz number or Strouhal number of the sound, expressed by
- • number of single tones,
- • Relative tone volume, "Shape" parameter of a gamma distribution function fitted to the sound power of the individual tones,
- • Relative tone volume, "Location" parameter of a gamma distribution function fitted to the sound power of the individual tones,
- • Relative tone volume, "Scale" parameter of a gamma distribution function fitted to the sound power of the individual tones,
- • Frequency of the individual tones, "Shape" parameter of a gamma distribution function fitted to the frequencies of the individual tones,
- • Frequency of the individual tones, "Location" parameter of a gamma distribution function fitted to the frequencies of the individual tones,
- • Frequency of the individual tones, "Scale" parameter of a gamma distribution function fitted to the frequencies of the individual tones,
- • Interval width, "Shape" parameter of a gamma distribution function fitted to the interval widths of the individual tones,
- • Interval width, "Location" parameter of a gamma distribution function fitted to the interval widths of the individual tones,
- • Interval width, "Scale" parameter of a gamma distribution function fitted to the interval widths of the individual tones,
- - tonal self-similarity in terms of frequency, Helmholtz number or Strouhal number of the sound,
- - relative source movement,
- - Spatial extent expressed by the parameters
- • compactness,
- • spatial source type,
- - and shape of the spectrum expressed by the parameters
- • slope of the linear regression,
- • Coefficient of determination of the linear regression.
In
Im Folgenden werden die einzelnen Merkmale näher erläutert.The individual features are explained in more detail below.
Breitbandige SelbstähnlichkeitBroadband self-similarity
Ein Spektrum einer aeroakustischen Quelle verhält sich bei unterschiedlichen Machzahlen teilweise selbstähnlich. Dabei können die Spektren der Schallleistung über die Frequenz, die Helmholtzzahl und/oder die Strouhalzahl des Schalls selbstähnlich sein. Die breitbandige Selbstähnlichkeit ist das Maß dafür, bis zu welchem Grad die Spektren bei verschiedenen Machzahlen bei der jeweiligen Frequenzart, das heißt Frequenz, Helmholtzzahl oder Strouhalzahl des Schalls, selbstähnlich sind. „Breitbandig“ gibt in diesem Zusammenhang an, dass die Selbstähnlichkeit für das gesamte Spektrum der Schallleistungen, oder zumindest für einen relevanten Anteil des Spektrums angegeben wird. Die Selbstähnlichkeit von tonalen Anteilen des Spektrums wird als separates Merkmal der tonalen Selbstähnlichkeit behandelt.
Die breitbandige Selbstähnlichkeit kann zum Beispiel über die Gleichmäßigkeit der Änderung der Schallleistung über die jeweilige Frequenz im Spektrum beschrieben werden. Mathematisch ist die breitbandige Selbstähnlichkeit Si mit i={Frequenz, Helmholtzzahl, Strouhalzahl} mit der Standardabweichung σ dann Si = σi((σM(LW(i,M))), wobei Lw der Schallleistungspegel und M die Machzahl ist.The broadband self-similarity can be described, for example, by the uniformity of the change in sound power over the respective frequency in the spectrum. Mathematically, the broadband self-similarity Si with i={frequency, Helmholtz number, Strouhal number} with standard deviation σ is then Si = σ i ((σ M (L W ( i ,M))), where L w is the sound power level and M is the Mach number is.
MachzahlskalierungMach number scaling
Die Machzahlskalierung beschreibt, um wie viel die Schallleistung einer Schallquelle mit ansteigender Anströmgeschwindigkeit zunimmt. Dazu wird das Mn-Gesetz verwendet, das heißt die Schallleistung verändert sich exponentiell mit der Machzahl der Anströmgeschwindigkeit hoch n. Um den numerischen Wert n zu ermitteln, wird der Abstand der machzahlnormierten Spektren L̂ zueinander minimiert mit L̂ = L - 10 log10(Mn). Um den numerischen Wert des Exponenten n korrekt zu ermitteln, müssen die Spektren selbstähnlich sein, siehe
Relative QuellbeweaungRelative Source Weaung
Eine aeroakustische Quelle muss nicht raumfest über die Machzahl sein, sie kann mit variierender Anströmgeschwindigkeit an verschiedenen Orten identifiziert werden. Die relative Quellbewegung beschreibt, inwieweit sich die aeroakustische Quelle zwischen verschiedenen Machzahlen der Anströmung bewegt. In erster Näherung bewegt sich die Quelle mit steigender Machzahl lediglich stromabwärts. Für i = N - 1 verschiedene Machzahlen ist der numerische Wert
Die Quelle kann auch bei verschiedenen Frequenzen an unterschiedlichen Raumpunkten identifiziert werden. Für i = N - 1 verschiedene Frequenzen ist der numerische Wert
Tonalitättonality
Die Tonalität beschreibt, welche Frequenzanteile bei einer Schallleistungsverteilung einer realen Schallquelle im Vergleich zu einem breitbandigen Rauschen vorhanden sind. Dabei hat ein Einzelton, der in einer Schallleistungsverteilung enthalten ist, mehrere Charakteristika: die Frequenz oder Mittelfrequenz, die Intervallbreite, die absolute Schallleistung sowie die relative Schallleistung im Vergleich zum breitbandigen Rauschen. Dadurch, dass in einer Schallleistungsverteilung mehrere tonale Anteile mit entsprechenden Ausprägungen vorhanden sein können, als Merkmal jedoch ein Einzahlwert benötigt wird, werden die Merkmalsausprägungen durch eine statistische Verteilung beschrieben. Diese Verteilung kann unabhängig von der Stichprobenanzahl, das heißt der Anzahl der Einzeltöne durch Mittelwert und Standardabweichung beschrieben werden. Zur Beschreibung der Tonalität jeder aeroakustischen Quelle durch Merkmale werden daher die Anzahl der enthaltenen Einzeltöne (Einzahlwert) sowie die relative Schallleistung der Einzeltöne, die Intervallbreite der Einzeltöne und die Frequenzen, bei denen die Einzeltöne auftreten, (Verteilungsfunktion) genutzt. Dabei eignen sich unter anderem Gamma-Verteilungsfunktionen, die durch numerische Werte von drei unabhängigen Parameter, Shape, Location und Scale, vollständig beschrieben werden können.The tonality describes which frequency components are present in a sound power distribution of a real sound source compared to broadband noise. A single tone contained in a sound power distribution has several characteristics: the frequency or center frequency, the interval width, the absolute sound power and the relative sound power compared to broadband noise. Due to the fact that a sound power distribution can contain several tonal components with corresponding characteristics, but a single value is required as a characteristic, the characteristics are described by a statistical distribution. This distribution can be described independently of the number of random samples, i.e. the number of individual tones, using the mean value and standard deviation. To describe the tonality of each aeroacoustic source using features, the number of individual tones contained (single value) and the relative sound power of the individual tones, the interval width of the individual tones and the frequencies at which the individual tones occur (distribution function) are used. Among other things, gamma distribution functions are suitable here, which can be completely described by numerical values of three independent parameters, Shape, Location and Scale.
Tonale SelbstähnlichkeitTonal self-similarity
Die tonale Selbstähnlichkeit beschreibt die Selbstähnlichkeit der tonalen Anteile der Spektren der Schallleistungsverteilung einer realen Schallquelle. Dazu werden die Intervalle der ermittelten Einzeltöne verglichen. Ein Einzelton ist dann selbstähnlich, wenn die Spektren bei anderen Machzahlen im gleichen Teilintervall Îi einen Einzelton besitzen. Die tonale Selbstähnlichkeit St ergibt sich dann mit
Räumliche Ausdehnungspatial extent
Die räumliche Ausdehnung beschreibt die räumliche Verteilung der Schallleistung. Dadurch werden beispielsweise punktförmige von linienförmigen aeroakustischen Quellen unterscheidbar. Die räumliche Ausdehnung einer Schallquelle wird aus Parametern der Normalverteilung der Schallleistungsverteilung geschätzt. Bei zweidimensionaler Betrachtung beispielsweise gemäß
Dabei sind die Standardabweichungen σi orthogonal. Das Verhältnis der Standardabweichungen gibt dadurch indirekt die Art der Schallquelle wieder (Punkt- oder Linienquelle), das Integral über die normierte Normalverteilungsfunktion (mit A=1) gibt Auskunft über eine Kompaktheit der Quelle.The standard deviations σ i are orthogonal. The ratio of the standard deviations thus indirectly reflects the type of sound source (point or line source), the integral over the normalized normal distribution function (with A=1) provides information about the compactness of the source.
Form des Spektrumsshape of the spectrum
Die Form des Spektrums ist ein abstraktes Merkmal, das den Verlauf des Spektrums über die Frequenz des Schalls wiedergibt. Dabei eignet sich eine lineare Regression über die Frequenz y(f) = af + b. Der Steigungsparameter a gibt den mittleren Anstieg oder Abfall des Schallleistungspegels wieder, während der R2-Wert, das heißt das Bestimmtheitsmaß der linearen Regression, beschreibt, wie gut die Daten der Regression folgen.Spectrum shape is an abstract feature that describes the shape of the spectrum over the frequency of the sound. A linear regression over the frequency y(f) = af + b is suitable for this. The slope parameter a reflects the mean increase or decrease in the sound power level, while the R 2 value, ie the coefficient of determination of the linear regression, describes how well the data follow the regression.
Die numerischen Werte der einzelnen Merkmale dienen zum Clustering (unsupervised learning) der realen Schallquellen. Dazu werden die Merkmale zunächst normalisiert und orthogonalisiert, z.B. mittels dem Fachmann bekannter Standardverfahren wie „Whitening“ und „Principal Component Analysis“. Da die Merkmale unterschiedlicher aeroakustischer Quellen unterschiedlich stark streuen, eignen sich zum Clustering insbesondere dichtebasierte Verfahren, zum Beispiel Gaussian Mixture, z.B. mittels dem Fachmann bekannter Standardverfahren wie „Gaussian Mixture“. Das Ergebnis des Clustering ist eine automatisch erstellte Liste der realen Schallquellen, die nach ihren Merkmalen gruppiert sind. So zeigt
Auch semi-supervised learning Verfahren sind möglich, in denen zu den zu analysierenden Daten ein Datensatz mit bekannten und beschrifteten Standardschallquellen, zum Beispiel Kavität, umströmter Zylinder, Freistrahl etc., oder Objekten, Seitenspiegel, Klappe, Ruder, etc., hinzugefügt wird. Ähnliche Quellen werden diesen bekannten aeroakustischen Quellen dann direkt zugeordnet.Semi-supervised learning methods are also possible, in which a data set with known and labeled standard sound sources, e.g. cavity, cylinder in flow, free jet, etc., or objects, side mirrors, flap, rudder, etc., is added to the data to be analyzed. Similar sources are then directly assigned to these known aeroacoustic sources.
Claims (15)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020103264.1A DE102020103264B4 (en) | 2020-02-10 | 2020-02-10 | Automated source identification from microphone array data |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020103264.1A DE102020103264B4 (en) | 2020-02-10 | 2020-02-10 | Automated source identification from microphone array data |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102020103264A1 DE102020103264A1 (en) | 2021-08-12 |
DE102020103264B4 true DE102020103264B4 (en) | 2022-04-07 |
Family
ID=76968361
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102020103264.1A Active DE102020103264B4 (en) | 2020-02-10 | 2020-02-10 | Automated source identification from microphone array data |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102020103264B4 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19736021A1 (en) | 1997-08-20 | 1999-02-25 | Bayerische Motoren Werke Ag | Determining acoustically relevant vibration sources |
JP2004144579A (en) | 2002-10-23 | 2004-05-20 | National Aerospace Laboratory Of Japan | Sound source survey method and device |
US20060256975A1 (en) | 2005-05-10 | 2006-11-16 | United States Of America As Represented By The Administrator Of The Nasa | Deconvolution methods and systems for the mapping of acoustic sources from phased microphone arrays |
US20080199024A1 (en) | 2005-07-26 | 2008-08-21 | Honda Motor Co., Ltd. | Sound source characteristic determining device |
DE102008053302A1 (en) | 2008-10-27 | 2010-04-29 | Püschel, Dirk, Dr. | Physical source localizing and/or separating method for e.g. forward-driving vehicle, involves rear-shifting determined values of sensor signals of sources for triggering sensor signals and/or for compensation of sensor signals |
CN109613481A (en) | 2019-01-10 | 2019-04-12 | 重庆大学 | A kind of Wave beam forming identification of sound source method adapting to wind tunnel test environment |
-
2020
- 2020-02-10 DE DE102020103264.1A patent/DE102020103264B4/en active Active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19736021A1 (en) | 1997-08-20 | 1999-02-25 | Bayerische Motoren Werke Ag | Determining acoustically relevant vibration sources |
JP2004144579A (en) | 2002-10-23 | 2004-05-20 | National Aerospace Laboratory Of Japan | Sound source survey method and device |
US20060256975A1 (en) | 2005-05-10 | 2006-11-16 | United States Of America As Represented By The Administrator Of The Nasa | Deconvolution methods and systems for the mapping of acoustic sources from phased microphone arrays |
US20080199024A1 (en) | 2005-07-26 | 2008-08-21 | Honda Motor Co., Ltd. | Sound source characteristic determining device |
DE102008053302A1 (en) | 2008-10-27 | 2010-04-29 | Püschel, Dirk, Dr. | Physical source localizing and/or separating method for e.g. forward-driving vehicle, involves rear-shifting determined values of sensor signals of sources for triggering sensor signals and/or for compensation of sensor signals |
CN109613481A (en) | 2019-01-10 | 2019-04-12 | 重庆大学 | A kind of Wave beam forming identification of sound source method adapting to wind tunnel test environment |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102020103264A1 (en) | 2021-08-12 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102016003133B4 (en) | Method for automatically determining an individual function of a DPOAE level map of a human or animal hearing | |
DE19919891A1 (en) | Virtual wind noise generating method for automotive vehicle from computer aided design (CAD) model | |
DE102013211616A1 (en) | Method and apparatus for defect size evaluation | |
DE102014207437B4 (en) | Speech recognition with a plurality of microphones | |
DE102016100522A1 (en) | Method for evaluating a flow to a rotor blade of a wind turbine and method for controlling a wind turbine and wind turbine | |
DE102020103264B4 (en) | Automated source identification from microphone array data | |
DE60305072T2 (en) | OPTICAL METHOD FOR STUDYING THE RELIABILITY OF A STRUCTURE | |
DE10250100A1 (en) | Microscope system and method for the analysis and evaluation of multiple staining of a microscopic object | |
EP0586795A1 (en) | Procedure and device for the contactless determination of the roughness of surface of objects | |
CN112735468A (en) | MFCC-based automobile seat motor abnormal noise detection method | |
DE102015111162B3 (en) | Method for measuring transient pressure fluctuations on a surface by means of pressure-sensitive paint | |
EP1209458B1 (en) | Procedure for determining the noise level of an internal combustion engine | |
DE112019006092T5 (en) | LOOSELY COUPLED INSPECTION AND METROLOGY SYSTEM FOR MONITORING A PRODUCTION PROCESS WITH HIGH VOLUMES | |
DE102017208256B4 (en) | Method for optimizing the position of microphones in a microphone array | |
EP1462778A1 (en) | Method and device for the quantitative analysis of engine noise | |
DE112017007051B4 (en) | signal processing device | |
EP4070082B1 (en) | Method for assessing the quality of varnished wood surfaces | |
DE102005049323A1 (en) | Device and method for sound source localization in a sound tester | |
Schumann et al. | Separation, allocation and psychoacoustic evaluation of vehicle interior noise | |
DE2826818A1 (en) | METHOD AND DEVICE FOR GENERATING AN ARTIFICIAL VOICE SIGNAL | |
DE4319764C2 (en) | Measuring method for determining the variables characterizing a microphone, such as frequency response and directional behavior | |
EP1107016B1 (en) | Method for detecting and locating targets | |
DE102012003012A1 (en) | Method for evaluation of brake noise of vehicle brake mechanism installed in e.g. motor vehicle, involves cumulating relative frequency in form of maximum sound pressure level value pairs or relative maximum sound pressure level chart | |
DE102005049321B4 (en) | Method and apparatus for determining the excited acoustic modes of the sound pressures associated with an engine | |
EP1696223B1 (en) | Method for describing the grain shape of particles from photographically produced digital image data |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: DEUTSCHES ZENTRUM FUER LUFT- UND RAUMFAHRT E.V, DE Free format text: FORMER OWNER: DEUTSCHES ZENTRUM FUER LUFT- UND RAUMFAHRT E.V., 51147 KOELN, DE |
|
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |