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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Orten einer Schallquelle mit einem Mikrofonarray, das eine Mehrzahl von an bekannten Relativpositionen angeordneten Mikrofonen aufweist, gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1 und auf eine Verwendung einer solchen Vorrichtung zum Orten einer Schallquelle.
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STAND DER TECHNIK
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Mikrofonarrays werden zur Lokalisierung von Schallquellen eingesetzt. Die Mikrofone eines zweidimensionalen Mikrofonarrays sind in einer Ebene angeordnet, während die Mikrofone eines dreidimensionalen Mikrofonarrays im dreidimensionalen Raum angeordnet sind. Zweidimensionale Mikrofonarrays finden Verwendung für die Lokalisierung von Schallquellen parallel zur Ebene des Mikrofonarrays. Dreidimensionale Mikrofonarrays dienen dazu, auch im dreidimensionalen Raum zwischen Schallquellen unterscheiden zu können.
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Durch den maximalen Abstand zwischen den Mikrofonen eines Mikrofonarrays wird eine Apertur des Mikrofonarrays bestimmt. Die Apertur ist ein wichtiges Maß für die Fähigkeit eines Mikrofonarrays, verschiedene Schallquellen bei tiefen Frequenzen des von diesen abgestrahlten Strahls zu unterscheiden. Entscheidend ist das Verhältnis zwischen der Wellenlänge des Schalls und der Apertur des Mikrofonarrays. Je größer die Apertur im Vergleich zur Wellenlänge ist, desto besser kann ein Array zwischen zwei Schallquellen unterscheiden.
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Neben der Apertur, das heißt dem maximalen Abstand seinen Mikrofonen, wird die Leistung eines Mikrofonarrays auch durch den minimalen Abstand der Mikrofone bestimmt. So ist es notwendig, dass die Wellenlänge des Schalls von den zu lokalisierenden Schallquellen groß im Vergleich zu dem minimalen Abstand der Mikrofone des Mikrofonarrays ist. Der minimale Abstand der Mikrofone in Relation zur Wellenlänge des Schalls ist ein Maß für die höchste Frequenz, bei der ein Mikrofonarray zur Lokalisierung von Schallquellen geeignet ist.
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Eine akustische Quellkarte, die beispielsweise durch Beamforming auf Basis der mit einem Mikrofonarray gemessenen Schalldrücke erstellt wird, ist von den Eigenschaften des Mikrofonarrays beeinflusst. Selbst wenn nur die Schalldrücke des Schalls von einer einzigen punktförmigen Schallquelle mit dem Mikrofonarray gemessen werden, so kann die akustische Quellkarte sogenannte Geisterquellen zeigen. Die Position, Form und relative Stärke dieser Geisterquellen ist von der Geometrie des Mikrofonarrays abhängig. Geisterquellen treten für eine bestimmte Frequenz und Geometrie des jeweiligen Mikrofonarrays immer in einer festen relativen Position zur wahren Schallquelle auf. Die Geisterquellen sind Nebenmaxima einer Punktspreizfunktion, die bei der Erstellung der akustischen Quellkarte unter Verwendung des jeweiligen Mikrofonarrays auftritt.
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Ein Mikrofonarray sowohl mit einem sehr großen maximalen Abstand als auch mit einem sehr kleinen minimalen Abstand der Mikrofone würde nicht nur das Trennen und Lokalisieren von Schallquellen tiefer und hoher Frequenz des abgestrahlten Schalls ermöglichen, sondern auch das Auftreten von Geisterquellen minimieren. Ein derartiges Mikrofonarray würde jedoch eine sehr große Anzahl von Mikrofonen umfassen. Dies hätte hohe Kosten zufolge, weil zum zeitaufgelösten genauen Erfassen von Schalldrücken grundsätzlich nur hochwertige Mikrofone geeignet sind. Zugleich würde ein hoher Rechenaufwand für das Beamforming anfallen, der exponentiell mit der Anzahl der Mikrofone anwächst. Zudem wäre ein solches Mikrofonarray aufgrund des großen maximalen Abstands seiner Mikrofone extrem unhandlich und entsprechend schwer zu transportieren. Die Transportfähigkeit eines Mikrofonarrays ist jedoch Voraussetzung dafür, Schallquellen an verschiedenen Orten erfassen zu können.
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Aus der
DE 10 2014 114 529 A1 ist ein Mikrofonarray zur Lokalisierung einer Schallquelle mit mehreren Mikrofonen bekannt, die an mehreren relativ zueinander beweglichen Objekten angeordnet sind. Das Mikrofonarray weist weiterhin ein Analysemodul auf, das mit Steuerlogik ausgestattet ist, welche von den einzelnen Sensoren empfangene Schallsignale der Schallquelle derart zeitlich gegeneinander verzögert und zu einem Ausgangssignal überlagert, dass die empfangenen Schallsignale in dem resultierenden Ausgangssignal konstruktiv überlagert sind. Indem die Objekte, an denen die Mikrofone angeordnet sind, zueinander beweglich sind, können die Abstände der Mikrofone zueinander variiert werden. So können die Eigenschaften des Mikrofonarrays beeinflusst werden. Insbesondere können die Apertur des Mikrofonarrays und die Frequenzempfindlichkeit des Mikrofonarrays beeinflusst werden. Die Objekte, an denen die Mikrofone angeordnet sind, können begrenzt zueinander beweglich sein. Um die Relativlagen der Objekte beziehungsweise der Mikrofone zu ermitteln, kann das Mikrofonarray Einrichtungen zur Ermittlung von Relativlagen der Objekte beziehungsweise Mikrofone zueinander aufweisen. Hierzu zählen Kameras zur Aufnahme von Bildern von optischen Markierungen an den Objekten und Laserentfernungsmessgeräte. Die Mikrofone können ortsfest oder beweglich an den Objekten angeordnet sein, um ihre Abstände zu variieren. Durch die kleinen Abstände der Mikrofone an jedem Objekt kann so genannten Aliasing-Effekten entgegengewirkt werden, das heißt dem Auftreten von Geisterquellen in einer akustischen Quellkarte. Die Steuerung der Bewegung der Objekte relativ zueinander und auch der einzelnen Mikrofone an einem der Objekte relativ zueinander kann manuell oder automatisch erfolgen. Eine zur automatischen Steuerung verwendete Steuerlogik kann einen Abstand der Objekte in Abhängigkeit von dem von der Schallquelle abgestrahlten Schall und/oder einer Relativposition der Schallquelle gegenüber dem Mikrofonarray anpassen, um sie zur Lokalisierung der Schallquelle optimal anzupassen, zum Beispiel an die Frequenz des emittierten Schalls. Die Anpassung des Abstands der Objekte in Abhängigkeit von dem emittierten Schallsignal kann in einem iterativen Verfahren erfolgen, wobei der Abstand der Objekte bzw. Mikrofone unter Verwendung des jeweils im vorherigen Schritt ermittelten Ausgangssignals beziehungsweise der im vorherigen Schritt ermittelten Relativposition der Schallquelle gegenüber dem Sensorarray angepasst wird. Um eine hohe Beweglichkeit der Objekte zu erzielen, schlägt die
DE 102014 114 529 A1 vor, hierfür unbemannte Luftfahrzeuge einzusetzen.
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Die Verwendung des aus der
DE 10 2014 114 529 A1 bekannten Mikrofonarrays ist aufwändig. Zu allen Messungen der Schallsignale müssen die Relativlagen der Objekte beziehungsweise der Mikrofone ermittelt werden, die insbesondere beim Einsatz von unbemannten Luftfahrzeugen als Objekte niemals in dem Maß konstant sein werden, wie es für die Auswertung der Schallsignale zum Beispiel durch Beamforming vorausgesetzt wird.
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Die
WO 2020/ 023 622 A1 offenbart Systeme und Verfahren zum Projizieren und Anzeigen akustischer Daten. Die Systeme umfassen ein akustisches Sensorarray um akustische Signale zu empfangen. Dabei kann eines von mehreren vorhandenen akustischen Sensorarrays zum Empfangen der akustischen Signale ausgewählt werden. Unterschiedliche akustische Sensorarrays können nützlich sein, um akustische Signale zu analysieren, die sich aus unterschiedlichen Entfernungen ausbreiten. Zudem können verschiedene akustische Sensorarrays für das Empfangen akustischer Signale und das Erzeugen akustischer Bilddaten mit unterschiedlichen Frequenzen verwendet werden.
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Aus der
US 2013/ 0 094 678 A1 ist eine Anordnung von akustischen Wandlern bekannt, die eine Schicht eines Trägermaterials aufweist. Eine Mehrzahl von Wandlern ist auf der Schicht des Trägermaterials montiert, um ein Array aus in Zeilen und Spalten angeordneten akustischen Wandlern auszubilden. Dabei sind mit einem Mechanismus aus zu Scheren miteinander verbundenen Hebeln die Abstände zwischen allen Reihen oder allen Spalten der akustischen Wandler gleichzeitig veränderbar.
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Aus der
US 9 191 741 B1 ist ein so genanntes „phased array“ mit einer variablen Apertur bekannt. An einer Tragstruktur ist eine Mehrzahl von akustischen Sensoren angeordnet. Eine Steuerung für die Tragstruktur ist so vorgesehen, dass sie die räumliche Verteilung der akustischen Sensoren verändert. Beispielsweise können jeweils mehrere Sensoren an einzelnen elastisch verformbaren Armen der Tragstruktur angeordnet sein, die von einem gemeinsamen Zentrum ausgehen und die aus einer um das gemeinsame Zentrum gekrümmten Konfiguration in eine radial von dem gemeinsamen Zentrum weg gestreckte Konfiguration überführt werden können. Eine konkrete Umsetzung der Tragstruktur und deren Steuerung wird jedoch nicht offenbart.
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Aus dem Patent
US 4 942 700 A des Erfinders Charles Hoberman sind unter anderem ringförmige und sphärische Hobermann-Mechanismen aus einer Vielzahl von zu Scheren miteinander verbundenen Hebeln bekannt. Die Scheren sind längs des jeweiligen Rings oder der jeweiligen Sphäre angeordnet. Der Durchmesser des Rings oder der Sphäre ist veränderbar, wobei sich die Winkel zwischen den Hebeln der Scheren verändern. Die Anordnung der Hebel ist derart, dass es nur den einen Freiheitsgrad des Durchmessers des Rings oder der Sphäre gibt.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und deren Verwendung zum Orten von Schallquellen aufzuzeigen, die die voranstehend geschilderten Problematiken mit geringem Aufwand beseitigen.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und durch deren Verwendung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und deren erfindungsgemäßen Verwendung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Orten einer Schallquelle, die ein Mikrofonarray mit einer Mehrzahl von an bekannten Relativpositionen angeordneten Mikrofonen zum zeitlich aufgelösten Registrieren von Schallquellen aufweist, sind die Mikrofone des Mikrofonarrays an einer zusammenhängenden und durch Ändern eines Führungsparameters expandierbaren Tragstruktur angeordnet. Die Tragstruktur ist dabei soweit expandierbar, dass maximale Abstände der Mikrofone in dem Mikrofonarray um einen Faktor von mindestens 1,5 anwachsen.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die einzelnen Mikrofone über die Tragstruktur aneinander abgestützt und ihre Relativpositionen liegen für jeden Expansionszustand der Tragstruktur fest. Zudem sind die Relativpositionen für jeden Expansionszustand der Tragstruktur bekannt, und zwar über den Führungsparameter, durch dessen Ändern die Tragstruktur expandiert wird.
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Bei der Tragstruktur handelt es sich um einen sogenannten Hoberman-Mechanismus. Hoberman-Mechanismen bestehen aus einer Vielzahl von zu Scheren miteinander verbundenen Hebeln. Die Scheren sind längs eines Rings oder einer Sphäre angeordnet, dessen beziehungsweise deren Durchmesser veränderbar ist, wobei sich die Winkel zwischen den Hebeln verändern. Die Anordnung der Hebel ist dabei derart, dass es nur den einen Freiheitsgrad des Durchmessers des Rings beziehungsweise der Sphäre gibt. Entsprechend kann als Führungsparameter für das Expandieren dieser Tragstruktur der Winkel zwischen beliebigen zwei der Hebel oder auch der Durchmesser verwendet werden. Für ein zweidimensionales Mikrofonarray einer erfindungsgemäßen Vorrichtung findet vorzugsweise ein ringförmiger Hoberman-Mechanismus Verwendung. Entsprechend wird für einen dreidimensionales Mikrofonarray einer erfindungsgemäßen Vorrichtung typischerweise ein sphärischer Hoberman-Mechanismus verwendet.
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Ganz grundsätzlich kann das Mikrofonarray bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein zweidimensionales oder ein dreidimensionales Mikrofonarray sein. Die geschilderten Vorteile stellen sich unabhängig von der Dimensionalität des Mikrofonarrays ein.
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Die Mikrofone des Mikrofonarrays können bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung insbesondere an Gelenken zwischen Hebeln des Hoberman-Mechanismus angeordnet sein, und zwar so, dass sie ihre Ausrichtung zum Zentrum des Hoberman-Mechanismus bei Änderungen des Durchmessers des Hoberman-Mechanismus nicht verändern.
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Typischerweise ist der größte maximale Abstand der Mikrofone in dem Mikrofonarray nicht mehr als 10 mal so groß wie der kleinste maximale Abstand der Mikrofone in dem Mikrofonarray, so dass sich die maximalen Abstände der Mikrofone in dem Mikrofonarray zwischen ihren nutzbaren Relativpositionen um einen Faktor im Bereich von 1,5 bis 10 unterscheiden. Vorzugsweise liegt der Bereich dieses Faktors zwischen 2 und 5.
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In absoluten Werten können die maximalen Abstände der Mikrofone in dem Mikrofonarray in einem Bereich von 25 bis 250 cm oder genauer von 35 cm bis 200 cm liegen.
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Zusätzlich zu den maximalen Abständen der Mikrofone können sich auch minimale Abstände der Mikrofone in dem Mikrofonarray unterscheiden.
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In absoluten Maßen können die minimalen Abstände der Mikrofone in dem Mikrofonarray in einem Bereich von 1 cm bis 15 cm oder genauer von 1,5 cm bis 10 cm liegen.
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Da die Anordnungen der Mikrofone des Mikrofonarrays mit den sich unterscheidenden maximalen Abständen gleiche Symmetrien aufweisen, resultieren typischerweise auch gleiche Symmetrien bei den Punktspreizfunktionen in den akustischen Quellkarten die durch Beamforming aus den mit den Mikrofonen des Mikrofonarrays registrierten Schalldrücken erstellt werden. Die Punktspreizfunktionen sind jedoch aufgrund der unterschiedlichen Abstände der Mikrofone unterschiedlich. So lassen sich die Effekte der Punktspreizfunktionen mit begrenztem Aufwand herausrechnen, auch wenn die einzelnen Quellkarten sehr starke Auswirkungen der jeweiligen Punktspreizfunktionen aufweisen.
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Bei einer erfindungsgemäßen Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Orten einer Schallquelle, bei dem mit den Mikrofonen des Mikrofonarrays Schalldrücke eines von der Schallquelle ausgehenden Schalls zeitlich aufgelöst registriert werden, werden die Schalldrücke des von der Schallquelle ausgehenden Schalls nacheinander bei sich um einen Faktor von mindestens 1,5 unterscheidenden maximalen Abständen der Mikrofone in dem Mikrofonarray registriert und werden die zu den sich unterscheidenden maximalen Abständen der Mikrofone registrierten Schalldrücke hinsichtlich des Orts der Schallquelle ausgewertet. Mit anderen Worten arbeitet die erfindungsgemäße Vewendung gezielt mit mindestens zwei unterschiedlichen Aperturen des Mikrofonarrays. Diese unterschiedlichen Aperturen ersetzen zum einen eine aufwändige Optimierung der Apertur des Mikrofonarrays. Zum anderen sind die Relativpositionen der Mikrofone in einer festen begrenzten Anzahl der maximalen Abstände der Mikrofone leicht soweit zu erfassen, dass sie für das Auswerten der registrierten Schalldrücke ausreichend genau bekannt sind.
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Dass die Schalldrücke des von der Schallquelle ausgehenden Schalls nacheinander bei sich um einen Faktor von mindestens 1,5 unterscheidenden maximalen Abständen der Mikrofone in dem Mikrofonarray registriert werden, bedeutet, dass es zumindest zwei unterschiedliche maximale Abstände der Mikrofone gibt, mit denen die Schalldrücke registriert werden, und dass dabei der größte maximale Abstand der Mikrofone um mindestens 1,5 mal so groß ist wie der kleinste maximale Abstand der Mikrofone. Dazwischen können noch weitere maximale Abstände der Mikrofone eingestellt werden und auch mit diesen die Schalldrücke des von der Schallquelle ausgehenden Schalls registriert werden.
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Wie schon angesprochen wurde, können die registrierten Schalldrücke bei der erfindungsgemäßen Verwendung insbesondere durch Beamforming hinsichtlich des Orts der zu ortenden Schallquelle ausgewertet werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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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.
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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.
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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 einer Schallquelle die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau eine Schallquelle, zwei Schallquellen oder mehr Schallquellen vorhanden sind. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die das jeweilige Verfahren oder Erzeugnis aufweist.
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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.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
- 1 ist eine schematische Darstellung eines Mikrofonarrays einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem die Mikrofone an einem ringförmigen Hoberman-Mechanismus angeordnet sind.
- 2 zeigt das Mikrofonarray gemäß 1 mit vergrößertem maximalem Abstand der Mikrofone.
- 3 zeigt die Punktspreizfunktion des Mikrofonarrays mit den Relativpositionen seiner Mikrofone gemäß 1 für Schall mit einer Frequenz von 500 Hz.
- 4 zeigt die Punktspreizfunktion des Mikrofonarrays mit der Relativanordnung seiner Mikrofone gemäß 2 für den Schall mit der Frequenz von 500 Hz.
- 5 zeigt die Punktspreizfunktionen des Mikrofonarrays mit der Anordnung seiner Mikrofone gemäß 1 für Schall mit einer Frequenz von 5000 Hz und
- 6 zeigt die Punktspreizfunktion des Mikrofonarrays mit der Anordnung seiner Mikrofone gemäß 2 für den Schall mit der Frequenz von 5000 Hz.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Die Mikrofone 1 des in den 1 und 2 dargestellten Mikrofonarrays 2 sind an einem ringförmigen Hoberman-Mechanismus 3 als Tragstruktur 12 angeordnet. Der ringförmige Hoberman-Mechanismus besteht aus Hebeln 4. Die Hebel 4 sind paarweise zu Scheren 5 gelenkig miteinander verbunden. Weiterhin sind die freien Enden der Scheren 5 gelenkig miteinander verbunden. Der in den 1 und 2 dargestellte Hoberman-Mechanismus 3 weist 52 Hebel 4 und entsprechend 26 Scheren 5 auf. An dem Hoberman-Mechanismus 3 sind insgesamt 39 Mikrofone 1 in 13-facher Rotationssymmetrie um den Mittelpunkt des Mikrofonarrays 2 angeordnet. Dabei sind jeweils Gruppen von drei Mikrofonen 1 gebildet, von denen ein Mikrofon 1 an einem Gelenk 6 einer Schere 5 und zwei Mikrofone 11 an mit der benachbarten Schere 5 gelenkig verbundenen freien Enden 7 und 8 dieser Schere 5 befestigt sind, wobei beide freien Enden 7 und 8 von dem Gelenk 6 aus in derselben Richtung längs des Umfangs des Hoberman-Mechanismus 3 liegen. Als Führungsparameter R, der die Relativpositionen der Mikrofone 11 an dieser Tragstruktur 12 vorgibt, kann eine dimensionslose Beschreibung des Öffnungszustands der Scheren 4 wie folgt definiert werden. R=0,00 steht für das vollständige Öffnen der Scheren 5 und R=1,00 für das vollständige Schließen der Scheren 5. Da aber das vollständige Öffnen oder Schließen der Scheren 5 gegenüber einem fast vollständigen Öffnen oder Schließen der Scheren 5 keine größere Veränderung des Mikrofonarrays 2 bewirkt und diese beiden Zustände auch technisch schwer zu erreichen sein können, wird im Folgenden der Führungsparameter R zwischen 0,05 und 0,95 betrachtet.
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Die 1 und 2 geben den Hoberman-Mechanismus 3 in auf eine Länge L seiner Hebel 4 normierten Längeneinheiten wieder. 1 zeigt den Hoberman-Mechanismus 3 bei R = 0,05, d. h. mit weit geöffneten Scheren 5 und dadurch kleinem Durchmesser. 2 zeigt den Hoberman-Mechanismus 3 bei R = 0,95, d. h. mit fast geschlossenen Scheren und entsprechend großem Durchmesser. Dabei ändert sich zwischen 1 und 2 ein maximaler Abstand 13 der Mikrofone um etwa einen Faktor 3,5. Ein minimaler Abstand der Mikrofone wird beim Expandieren des Hoberman-Mechanismus 3 zunächst etwas größer, was die in 1 innenliegenden Mikrofone anbelangt. Dann bleiben die minimalen Abstände der Mikrofone weitgehend konstant, bis sie sich beim Annähern an den maximalen Radius des Hoberman-Mechanismus 3 gemäß 2 wieder verringern, wenn sich die freien Enden 7 und 8 der Scheren 5 aufeinander zubewegen.
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Durch die unterschiedlichen Relativpositionen der Mikrofone 1 bei den unterschiedlichen Expansionszuständen des Hoberman-Mechanismus 3 gemäß den 1 und 2 ergeben sich abhängig von der Frequenz des von einer Schallquelle ausgehenden Schalls, dessen Schalldrücke mit den Mikrofonen 1 registriert werden, unterschiedliche Punktspreizfunktionen beim Beamforming, das heißt unterschiedliche akustische Quellkarten für eine einzelne punktförmige Schallquelle. In den 3 und 4 sind die Punktspreizfunktionen für Schall mit einer Frequenz von 500 Hz aufgetragen, wobei die Darstellung wieder auf die Länge L der Hebel 4 des Hoberman-Mechanismus 3 gemäß den 1 und 2 normiert ist. Die Punktspreizfunktionen des Mikrofonarrays 2, in dem die Mikrofone 1 gemäß 1 dicht beieinander angeordnet sind, so dass eine Apertur des Mikrofonarrays 2, die gleich dem maximalen Abstand 13 seiner Mikrofone 1 ist, klein ist im Vergleich zur Wellenlänge des Schalls, ist breit verschmiert. Dies entspricht einer schlechten räumlichen Auflösung beim Orten der Schallquelle. Dem gegenüber ist die Punktspreizfunktion gemäß 4, die den Relativpositionen der Mikrofone 1 gemäß 2 entspricht für Schall derselben Frequenz sehr viel stärker lokalisiert. Sie besteht aus einem zentralen Hauptmaximum 9 und einem ringförmigen Nebenmaximum 10, das deutlich schwächer ist als das Hauptmaximum 9. Diese deutliche höhere räumliche Auflösung ist der größeren Apertur, das heißt dem größeren maximalen Abstand 13 der Mikrofone 1 gemäß 2 geschuldet. Die meisten Informationen erhält man bei Auswertung von akustischen Quellkarten mit beiden Punktspreizfunktionen gemäß den 3 und 4, weil die Punktspreizfunktion 3 kein Nebenmaximum 10 zeigt, während die Punktspreizfunktion gemäß 4 ein stärker lokalisiertes Hauptmaximum 9 aufweist.
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Die beiden in den 5 und 6 dargestellten Punktspreizfunktionen sind diejenigen für Schall mit einer Frequenz von 5000 Hz, wobei die Darstellung hier ebenfalls auf die Länge L der Hebel 4 des Hoberman-Mechanismus 3 gemäß den 1 und 2 normiert ist. Die zugrundeliegenden Relativpositionen der Mikrofone 1 sind dieselben wie bei 3 und 4. 5 zeigt <eine Punktspreizfunktion mit einem ausgeprägten Hauptmaximum 9 und sternenförmig darum herum angeordneten Nebenmaxima 11 deutlich geringerer Stärke. Demgegenüber weist die Punktspreizfunktion gemäß 6 ein sehr stark lokalisiertes aber von seiner Stärke nicht besonders ausgeprägtes Hauptmaximum 9 auf, das nicht nur von einem ringförmigen Nebenmaximum 10, sondern einer großflächigen sternenförmigen Anordnung weiterer Nebenmaxima 11 von zum Teil erheblicher Stärke umgeben ist. Diese Nebenmaxima 11 mit größerer Stärke sind die sogenannten Geisterquellen. Die Punktspreizfunktionen gemäß den 4 bis 6 spiegeln deutlich die 13-fache Rotationssymmetrie der Anordnung der Mikrofone 1 des Mikrofonarrays wider. Bei Auswertung von Quellkarten mit beiden Punktspreizfunktionen gemäß 5 und 6 ist es jedoch möglich, die aufgrund der unterschiedlichen Relativpositionen der Mikrofone 1 unterschiedlichen Punktspreizfunktionen so herauszurechnen, dass eine aufbereitete akustische Quellkarte erzeugt werden kann, die nur die tatsächliche Schallquelle anzeigt.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 1
- Mikrofon
- 2
- Mikrofonarray
- 3
- Hoberman-Mechanismus
- 4
- Hebel
- 5
- Schere
- 6
- Gelenk
- 7
- freies Ende
- 8
- freies Ende
- 9
- Hauptmaximum
- 10
- ringförmiges Nebenmaximum
- 11
- Nebenmaximum
- 12
- Tragstruktur
- 13
- maximaler Abstand
