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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Ursprungsrichtung von Schallsignalen mittels einer Vielzahl von Mikrofonen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Demgemäß ist vorgesehen:
- - ein Verfahren zum Ermitteln einer Ursprungsrichtung von Schallsignalen mittels einer Vielzahl von Mikrofonen mit den folgenden Schritten: Bereitstellen von einer Vielzahl an Mikrofonen, die an einem Objekt, insbesondere an einem Fahrzeug, angebracht sind und jeweils in verschiedene Richtungen ausgerichtet sind; Gruppieren der Mikrofone, derart dass die Vielzahl der Mikrofone in wenigstens zwei Mikrofongruppen unterteilt ist, wobei die Mikrofone jeder Mikrofongruppe in einen Richtungsbereich ausgerichtet sind; Erfassen eines Schallsignals mittels Mikrofonen einer Mikrofongruppe und Ermitteln einer wahrscheinlichsten Ursprungsrichtung des Schallsignals, wobei die wahrscheinlichste Ursprungsrichtung in dem Richtungsbereich der Mikrofongruppe liegt; Wiederholen des Schrittes des Erfassens des Schallsignals und des Ermittelns der wahrscheinlichsten Ursprungsrichtung für jede Mikrofongruppe, derart dass dieser Schritt für jede Mikrofongruppe zumindest einmal durchgeführt wurde; Ermitteln einer tatsächlichen Ursprungsrichtung aus der wahrscheinlichsten Ursprungsrichtung der Mikrofongruppen, indem für jede wahrscheinlichste Ursprungsrichtung ein richtungsbezogener Pegel ermittelt wird und die richtungsbezogenen Pegel jeder wahrscheinlichsten Ursprungsrichtung verglichen werden.
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Ein Mikrofon oder Mikrophon ist ein Schallwandler, der Luftschall als Schallwechseldruckschwingungen in entsprechende elektrische Spannungsänderungen als Mikrofonsignal umwandelt. Ein Richtmikrofon nimmt primär den frontal eintreffenden Schall auf und weist dadurch eine Richtcharakteristik auf. Schall aus anderen Richtungen wird gedämpft aufgenommen. Der aufgenommene Schall wird in elektrische Signale umgesetzt.
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Ein (Richt-)Mikrophon ist in dieser Anmeldung in eine Richtung ausgerichtet, wenn das Mikrophon Schall aus verschiedenen Richtungen unterschiedlich erfasst. Dies kann beispielsweise durch bauliche Gegebenheiten, wie Abschattungen durch Gegenstände, oder durch eine Richtcharakteristik eines Richtmikrophons gegeben sein.
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Richtmikrophone sind typischerweise auf einen engen Richtungsbereich, der kleiner ist als der Richtungsbereich einer Mikrofongruppe, ausgerichtet.
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Mikrofongruppen umfassen Mikrofone die gedanklich gruppiert sind. Beispielsweise ist es denkbar, Mikrofone örtlich in vorne/hinten, rechts/links, oben/unten zu gruppieren. Ortsangaben beziehen sich dabei auf das Verhältnis des Mikrofons zum Objekt, an dem das Mikrofon angebracht ist. Der Richtungsbereich einer Mikrofongruppe entspricht einer Zusammenfassung aller Richtungsbereiche der Mikrofone, die in der Mikrofongruppe gruppiert sind.
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Der richtungsbezogene Pegel eines Schallsignals ist der Pegel in einer bestimmten Richtung, in dieser Anmeldung der wahrscheinlichsten Ursprungsrichtung.
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Beamforming ist ein Verfahren zur Positionsbestimmung von Quellen in Wellenfeldern, z.B. Schallfeldern. Entsprechende Vorrichtungen werden auch akustische Kamera, Mikrofonarray oder akustische Antenne genannt. Das Messprinzip beruht darauf, dass das Mikrofonarray auf die verschiedenen Messpunkte auf dem Messobjekt fokussiert wird. Dies erfolgt durch eine Zeitverschiebung der vom jeweiligen Mikrofon erfassten Schallsignale, die der Laufzeit vom Messpunkt zu diesem Mikrofon entspricht. Schall-Laufzeiten lassen sich durch Multiplikation mit der Schallgeschwindigkeit in Abstände umrechnen. Die zeitkorrigierten Signale aller Mikrofone werden summiert, wodurch sich ein dem jeweiligen Messpunkt zugeordnetes Zeitsignal, d.h. Signalverlauf über der Zeit, ergibt. Der Schall von Quellen an anderen Positionen wird dabei gedämpft, da deren Signale nicht mehr vollständig zeitkorrigiert sind und sich teilweise destruktiv überlagern; hingegen wird der vom jeweiligen Messpunkt abgestrahlte Schall verstärkt.
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Im Folgenden werden die Begriffe Beamformer und Beamforming-Algorithmus synonym verwendet.
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Ein SRP-PHAT Algorithmus kann als strahlformungsbasierter Ansatz interpretiert werden, der nach der Kandidatenposition sucht, die das Ergebnis eines gesteuerten Beamformers maximiert.
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Das Spektrum eines Signals ist eine Funktion der Frequenz. Das Cepstrum ist (als Spektrum einer Funktion im Frequenzbereich) die Funktion einer neuen Variablen, der Quefrequenz. Die Dimension der Quefrequenz ist identisch mit der Dimension der unabhängigen Variablen der betrachteten ursprünglichen Funktion, aus der das Spektrum gebildet wurde. Für ein zeitabhängiges Signal hat die Quefrenz also die Dimension Zeit. Exakt formuliert ist das Cepstrum die inverse Fourier-Transformierte des logarithmierten, durch Division mit einer Bezugsgröße G0 dimensionslos gemachten, einseitigen Autoleistungsspektrums. Die Besonderheit der Cepstrumfunktion gegenüber der ähnlichen Autokorrelationsfunktion ist die Logarithmierung im Frequenzbereich. Hierdurch gehen Multiplikationen (z.B. eines Spektrums mit einem Frequenzgang) in Additionen über. Hierdurch sind harmonische Anteile im Signal deutlich zu erkennen, auch wenn sie nur relativ kleine Amplituden aufweisen. Die Cepstrumanalyse eignet sich daher besonders zur Trennung der Auswirkungen von Quelle und Übertragungseigenschaften, so z.B. zum Auffinden von Echos und eventuell zur Unterdrückung der Echoauswirkungen durch Fensterung (als Ableitung von „Filtering“ mit „Liftering“ bezeichnet) des Cepstrums im nicht vom Echosignal beeinflussten Bereich.
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Die Bewegungsrichtung eines Objekts wird für fahrende Objekte auch Fahrtrichtung genannt.
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Der Begriff geschwindigkeitsabhängiges Filter bezieht sich auf die Geschwindigkeit des Objekts. Dementsprechend kann für hohe Geschwindigkeiten des Objekts ein bestimmtes Filter gewählt werden.
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Computerprogrammprodukte umfassen in der Regel eine Folge von Befehlen, durch die die Hardware bei geladenem Programm veranlasst wird, ein bestimmtes Verfahren durchzuführen, das zu einem bestimmten Ergebnis führt.
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Die grundlegende Idee der Erfindung ist es, Mikrofone, die jeweils in verschiedene Richtungen ausgerichtet sind, an einem Objekt anzuordnen. Dabei werden die Mikrofone gedanklich gruppiert, derart dass die Mikrofone in wenigstens zwei Mikrofongruppen unterteilt sind, wobei die Mikrofone jeder Mikrofongruppe in einem Richtungsbereich ausgerichtet sind.
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Die Erfindung sieht vor, mittels diesen Aufbaus eine Ursprungsrichtung eines Schallsignals zu ermitteln, indem für den Richtungsbereich einer ersten Mikrofongruppe eine wahrscheinlichste Ursprungsrichtung bestimmt wird. Im Folgenden wird auch für den Richtungsbereich der zweiten Mikrofongruppe eine wahrscheinlichste Ursprungsrichtung bestimmt.
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Die Erfindung geht davon aus, dass die tatsächliche Ursprungsrichtung des Schallsignals entweder die wahrscheinlichste Ursprungsrichtung, die für die erste Mikrofongruppe ermittelt wurde, oder die wahrscheinlichste Ursprungsrichtung, die für die zweite Mikrofongruppe ermittelt wurde, ist.
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Aus diesen möglichen Kandidaten der wahrscheinlichsten Ursprungsrichtungen für die tatsächliche Ursprungsrichtung wird diejenige wahrscheinlichste Ursprungsrichtung ausgewählt, für die der richtungsbezogener Pegel am höchsten ist.
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Wenngleich die Erfindung vorstehend sowie im Folgenden anhand von zwei Mikrofongruppen erläutert wurde, kann auch vorgesehen sein, dass die Mikrofone an dem Objekt in mehr als zwei Mikrofongruppen gruppiert werden. In diesem Fall werden auch mehr als zwei wahrscheinlichste Ursprungsrichtungen ermittelt und die tatsächliche Ursprungsrichtung wird aus mehr als zwei wahrscheinlichsten Ursprungsrichtungen ausgewählt.
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Der Begriff „wahrscheinlichste Ursprungsrichtung“ ist im Kontext des Patentanspruchs 1 zu verstehen. Dementsprechend werden mehrere wahrscheinlichste Ursprungsrichtungen ermittelt. Sofern der Begriff „wahrscheinlichste Ursprungsrichtung“ suggerieren sollte, dass es lediglich eine wahrscheinlichste Ursprungsrichtung gibt, ist dies nichtzutreffend.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
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Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Richtungsbereich der Mikrofongruppen 180° oder 90°, umfasst. Umfasst der Richtungsbereich 180° können die Mikrofone, beispielsweise in Mikrofone, die vorne bzw. hinten an dem Objekt angebracht sind, gruppiert werden. Alternativ ist auch eine Gruppierung in rechts oder links denkbar.
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Alternativ ist es auch denkbar, dass der Richtungsbereich der Mikrofongruppen 90° umfasst. Dementsprechend können die Mikrofone in vorne rechts, vorne links, hinten rechts und hinten links gruppiert sein.
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Dabei ist es zweckmäßig, die Mikrofone derart zu gruppieren, dass von Mikrofongruppen erfasste Schallsignale ähnliche Eigenschaften aufweisen.
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So sind die erfassten Schallsignale, die von Mikrofonen an einem Fahrzeug erfasst werden, im Wesentlichen symmetrisch bezüglich einer Anbringung rechts oder links am Fahrzeug. Dagegen unterscheiden sich an einer Fahrzeugfront erfasste Schallsignale aufgrund der aerodynamischen Eigenschaften eines Fahrzeugs systematisch von an einem Fahrzeugheck erfassten Schallsignalen. Dementsprechend scheint die Gruppierung von Fahrzeugmikrofonen in Mikrofone, die an einem Fahrzeugheck bzw. an einer Fahrzeugfront angebracht sind, sinnvoll.
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Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, die Mikrofone abhängig von der Umwelt, also in Echtzeit, zu gruppieren. Eine derartige umgebungsabhängige Gruppierung der Fahrzeugmikrofone könnte beispielsweise bei starkem Seitenwind oder bei der Fahrt auf einer (zweispurigen) Schnellstraße, wobei Schallemissionen von anderen Fahrzeugen ausschließlich von rechts oder von links kommen, sinnvoll sein. In diesen Fällen kann eine Gruppierung der Mikrofone in Mikrofone, die vorne links, vorne rechts, hinten links oder hinten rechts am Fahrzeug angebracht sind, sinnvoll sein.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird die wahrscheinlichste Ursprungsrichtung der Mikrofongruppen mittels eines SRP-PHAT Algorithmus oder mittels eines Beamforming-Algorithmus ermittelt.
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SRP-PHAT ermittelt eine Ursprungsrichtung eines Schallsignals aufgrund von Zeitverzögerungen einzelner Signalanteile an einem Mikrofon. Dabei werden ankommende Schallsignale hinsichtlich ihres Pegels normiert, d.h. SRP-PHAT berücksichtigt den Pegel nicht.
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Im Unterschied hierzu findet der Pegel eines Schallsignals bei einem Beamformer Berücksichtigung.
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SRP-PHAT ist ein besonders robuster Algorithmus zum Ermitteln einer Ursprungsrichtung. Dementsprechend lassen sich wahrscheinlichste Ursprungsrichtungen, also Kandidaten für eine tatsächliche Ursprungsrichtung, mit einer hohen Zuverlässigkeit mittels SRP-PHAT ermitteln.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden die richtungsbezogenen Pegel mittels eines Beamforming-Algorithmus ermittelt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der Schall, der von Mikrofonen, die in einer Bewegungsrichtung an einem beweglichen Objekt angebracht sind, erfasst wird, mittels eines geschwindigkeitsabhängigen Filters gefiltert. Somit lassen sich beispielsweise Windgeräusche, die vorwiegend an der Front (in der Bewegungsrichtung des Objekts gesehen) auftreten und den Pegel eines Schallsignals verfälschen können, herausgefiltert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird das erfasste Schallsignal hinsichtlich eines vorbestimmten Signals gefiltert.
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So kann das Verfahren beispielsweise darauf ausgelegt werden, die Ursprungsrichtung von bestimmten Sirenentönen zu ermitteln. Sirenentöne sind länderspezifisch und können dem Verfahren als bekanntes Zielsignal vorgegeben werden. Somit lässt sich ein erfasstes Schallsignal hinsichtlich eines vorbestimmten Signals filtern.
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Dabei ist es auch zweckmäßig, zu dem erfassten Schallsignal ein Cepstrum zu ermitteln. Harmonische Anteile eines Signals sind in einem Cepstrum deutlich zu erkennen, selbst dann, wenn dessen Amplituden relativ klein sind. Mittels einer Cepstrumanalyse lassen sich daher die Übertragungseigenschaften eines schallübertragenden Mediums gegenüber eines an einer Schallquelle erzeugten Schallsignals analysieren bzw. unterscheiden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird die wahrscheinlichste Ursprungsrichtung einer Mikrofongruppe über ein Zeitintervall gemittelt.
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Dabei ist es zweckmäßig, die Länge des Zeitintervalls hinsichtlich eines vorbestimmten Signals anzupassen.
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Beispielsweise zeigen Sirenen eines Martinshorns in Europa einen Frequenzsprung, der in der Regel alle 0,7 Sekunden stattfindet.
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Folglich ist es zur Ermittlung der Ursprungsrichtung eines Schallsignals, welches regelmäßige Frequenzsprünge nach vorbestimmten Zeitintervallen aufweist, vorteilhaft, die wahrscheinlichsten Ursprungsrichtungen über ein Zeitintervall zwischen zwei Frequenzsprüngen, also beispielsweise 0,7 Sekunden, zu mitteln.
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Es versteht sich, das ein Fahrzeug mit einem Mikrofonsystem zur Durchführung eines Verfahrens zum Ermitteln einer Ursprungsrichtung eines Schallsignals wie es vorstehend beschrieben wurde, welches eine Vielzahl an Mikrofonen, aufweist, wobei die Mikrofone an dem Fahrzeug angebracht sind und jeweils in verschiedene Richtungen ausgerichtet sind und die Mikrofone derart gruppiert sind, dass die Vielzahl der Mikrofone in wenigstens zwei Mikrofongruppen unterteilt ist, wobei die Mikrofone jeder Mikrofongruppe in einen Richtungsbereich ausgerichtet sind, vorteilhaft ist.
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Ein Computerprogrammprodukt gemäß einem Verfahren einer Ausführungsform der Erfindung führt die Schritte eines Verfahrens gemäß der vorangehenden Beschreibung aus, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer, insbesondere einem fahrzeuginternen Computer, läuft. Wenn das betreffende Programm auf einem Computer zum Einsatz kommt, ruft das Computerprogrammprodukt einen Effekt hervor, nämlich das Ermitteln einer Ursprungsrichtung von Schallwellen.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
- 1 ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung.
- 2 eine schematische Prinzipskizze eines Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
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In den Figuren der Zeichnungen sind gleiche, funktionsgleiche und gleichwirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nicht anders ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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Die 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Verfahrens zum Ermitteln einer Ursprungsrichtung von Schallsignalen mittels einer Vielzahl von Mikrofonen. In dem Schritt S1 wird eine Vielzahl an Mikrofonen, die an einem Objekt, insbesondere an einem Fahrzeug, angebracht sind und jeweils in verschiedene Richtungen ausgerichtet sind, bereitgestellt. In dem Schritt S2 werden die Mikrofone derart gruppiert, dass die Vielzahl der Mikrofone in wenigstens zwei Mikrofongruppen unterteilt ist, wobei die Mikrofone jeder Mikrofongruppe in einen Richtungsbereich ausgerichtet sind. In dem Schritt S3 wird ein Schallsignal mittels der Mikrofone einer Mikrofongruppe erfasst und es wird eine wahrscheinlichste Ursprungsrichtung des Schallsignals ermittelt, wobei die wahrscheinlichste Ursprungsrichtung in dem Richtungsbereich der Mikrofongruppe liegt.
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In dem Schritt S4 wird der Schritt des Erfassens des Schallsignals und des Ermittelns der wahrscheinlichsten Ursprungsrichtung für jede Mikrofongruppe wiederholt, sodass das Schallsignal von jeder Mikrofongruppe einmal erfasst wurde und die wahrscheinlichste Ursprungsrichtung eines Schallsignals für den Richtungsbereich einer jeden Mikrofongruppe ermittelt wurde.
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In dem Schritt S5 wird eine tatsächliche Ursprungsrichtung aus den wahrscheinlichsten Ursprungsrichtungen der Mikrofongruppen ermittelt, indem für jede wahrscheinlichste Ursprungsrichtung ein richtungsbezogener Pegel ermittelt wird und die Richtungsbezogenen Pegel jeder wahrscheinlichsten Ursprungsrichtung verglichen werden.
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2 zeigt ein Fahrzeug 1 mit einem Mikrofonsystem 10. Das Mikrofonsystem 10 umfasst 4 Mikrofone 11, 12, 13, 14. Die Mikrofone 11 und 12 sind an der Front des Fahrzeugs 1 angebracht und die Mikrofone 13, 14 sind am Heck des Fahrzeugs 1 angebracht. In 2 ist eine Schallquelle 15 schematisch dargestellt. Der Schall breitet sich anhand von Schallwellen 16 bzw. 17 aus. Die Schallwellen 17 hinter dem Fahrzeugheck sind von dem Fahrzeug abgeschattet und deshalb schemenhaft kleiner dargestellt als die Schallwellen 16. Die Schallwellen, die von der Schallquelle 15 emittiert werden, breiten sich von der Schallquelle 15 im Wesentlichen gleichförmig aus, obwohl auch an der Fahrzeugfront und an den Seitenflächen des Fahrzeugs Schallabschattungen, die von dem Fahrzeug hervorgerufen werden, beispielsweise aufgrund von Rückspiegeln, existieren.
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Sind die Mikrofone 11, 12, 13, 14 in zwei Mikrofongruppen, beispielsweise vorne und hinten unterteilt, ist vorgesehen, eine wahrscheinlichste Ursprungsrichtung des Schallsignals mittels der vorderen Mikrofone 11, 12 zu ermitteln sowie eine wahrscheinlichste Ursprungsrichtung mittels der hinteren Mikrofone 13, 14, zu ermitteln.
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Im Folgenden wird der richtungsbezogene Pegel des Schallsignals an der wahrscheinlichsten Ursprungsrichtung der vorderen Mikrofongruppe mit dem richtungsbezogenen Pegel der hinteren Mikrofongruppe verglichen. Wie in 2 dargestellt ist, ist der Pegel an der vorderen Mikrofongruppe höher als an der hinteren Mikrofongruppe, sodass das Verfahren die wahrscheinlichste Ursprungsrichtung der vorderen Mikrofongruppe als tatsächliche Ursprungsrichtung des Schallsignals ermitteln wird.
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Bezugszeichenliste
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- S 1-S5
- Verfahrensschritte
- 1
- Fahrzeug.
- 10
- Mikrofonsystem
- 11
- Mikrofon
- 12
- Mikrofon
- 13
- Mikrofon
- 14
- Mikrofon
- 15
- Schallquelle
- 16
- Schallwelle
- 17
- Schallwelle
