DE19549527C2

DE19549527C2 - Method and device for receiving sound signals, in particular short sound pulses

Info

Publication number: DE19549527C2
Application number: DE19549527A
Authority: DE
Inventors: Sergei Tretiakov
Original assignee: Peus Systems GmbH
Current assignee: AVL Emission Test Systems GmbH
Priority date: 1995-12-29
Filing date: 1995-12-29
Publication date: 1999-10-21
Anticipated expiration: 2015-12-30
Also published as: DE19548882A1; DE19548882C2; DE19549527A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Empfang von Schallsignalen, insbesondere von kurzen Schallpulsen, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und 6.The invention relates to a method and a device for reception of sound signals, in particular of short sound pulses, according to the The preamble of claims 1 and 6.

Zur Erzeugung von Schall werden bekanntermaßen Lautsprecher systeme verwendet, die entweder elektromagnetisch, z. B. in Form einer durch einen Elektromagneten betätigten Membran, oder aber durch die Längenausdehnung von piezoelektrischen Werkstoffen im elektrischen Feld betrieben werden.As is known, loudspeakers are used to generate sound systems used, either electromagnetic, e.g. B. in the form of a by a solenoid operated membrane, or by Linear expansion of piezoelectric materials in electrical Field operated.

Diese Systeme haben den Nachteil, daß sie aufgrund der Masse ihrer Schallgeber, d. h. der Membran, bzw. des piezoelektrischen Materials, eine gewisse Trägheit aufweisen, die dazu führt, daß insbesondere kurze, peakförmige Schallpulse nicht oder nur mit sehr hohen Qualitätseinbußen übertragen werden. Wird beispielsweise ein elektrischer Puls sehr kurzer Pulsweite auf den Eingang eines herkömmlichen piezoelektrischen Lautsprechersystems gegeben, so längt sich das piezoelektrische Material des Tonerzeugers beim Anstieg der elektrischen Spannung (ansteigende Flanke des Pulses) mit einer gewissen Verzögerung aus, um sich anschließend beim Abfall der Spannung (abfallende Flanke des Pulses) erneut mit einer gewissen Verzögerung wieder zusammenzuziehen. Da es sich bei dem piezoelektrischen Tonerzeuger um ein Feder-Masse-System mit einer durch die Masse und die innermolekularen Kräfte des Materials festgelegten Eigenfrequenz handelt, schwingt der Tonerzeuger auch nach dem Abfall des elektrischen Spannungspulses auf null mit seiner Eigenfrequenz weiter. Ein kurzer elektrischer Puls mit einer im Verhältnis zur Periodendauer der Eigenschwingung des Tonerzeugers kleinen Pulsweite wird daher stets nicht als peakförmiger Schallpuls, sondern als eine verzögerte Folge von Schwingungen mit der Eigenfrequenz des Systems wiedergegeben. Die Erzeugung eines einzelnen sehr kurzen Pulses mit einer Pulsbreite von beispielsweise 200 ns ist demnach mit den zuvor beschriebenen Schallerzeugern nicht möglich.These systems have the disadvantage that due to the mass of their Sound generator, d. H. the membrane or the piezoelectric material, have a certain inertia, which leads in particular to short, peak-shaped sound pulses not or only with very high ones Losses in quality are transferred. For example, a electrical pulse very short pulse width on the input of a given conventional piezoelectric speaker system, so the piezoelectric material of the tone generator stretches as it rises the electrical voltage (rising edge of the pulse) with a certain delay, to then go to waste the voltage (falling edge of the pulse) again with a certain Delay contract again. Since it is Piezoelectric tone generator around a spring-mass system with one through the mass and the internal molecular forces of the material set natural frequency, the tone generator also vibrates after the drop in the electrical voltage pulse to zero with his Natural frequency continues. A short electrical pulse with an im Relationship to the period of the natural vibration of the tone generator small pulse width is therefore not always a peak-shaped sound pulse, but as a delayed sequence of vibrations with the Natural frequency of the system reproduced. The generation of a individual very short pulses with a pulse width of, for example, 200 ns is therefore not with the previously described sound generators possible.

Als Schallempfänger werden heutzutage bekanntermaßen Mikrofone verwendet, die eine schwingende Membran und einen von der Membran betätigten elektromechanischen Signalerzeuger aufweisen, der die durch eine einfallende Schallwelle hervorgerufenen Auslenkungen der Membran in ein entsprechendes elektrisches Signal verwandelt. Aufgrund der Masse der Membran und des Signalerzeugers und der dadurch bedingten Trägheit des Systems führt eine Erregung des Schallempfängers mit einem sehr kurzen Schallpuls zu einer verzögerten Auslenkung der Membran und einem anschließenden Nachschwingen derselben mit der Eigenfreqenz des Systems. Ein Schallpuls mit einer gegenüber der Periondendauer der Eigenschwingung sehr kurzen Pulsweite führt daher nicht zur Erzeugung eines entsprechenden elektrischen Pulses sondern zu einer verzögerten Folge von Schwingungen des Systems, die als entsprechendes elektrisches Signal wiedergegeben werden.Microphones are known to be used today as sound receivers uses a vibrating membrane and one from the membrane actuated electromechanical signal generator, which by an incident sound wave caused deflections of the Membrane converted into a corresponding electrical signal. Because of the mass of the membrane and the signal generator and the resulting inertia of the system leads to excitement of the Sound receiver with a very short sound pulse to one delayed deflection of the membrane and a subsequent Resonance of the same with the natural frequency of the system. A Sound pulse with a compared to the period duration of the Self-oscillation of very short pulse width therefore does not lead to Generation of a corresponding electrical pulse but to one delayed sequence of system vibrations that are considered corresponding electrical signal are reproduced.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen der Empfang von sehr kurzen Schallpulsen möglich ist. The object of the invention is to achieve a method and to create a device with which the reception of very short Sound pulses are possible.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale von Anspruch 1 und 6 gelöst. Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.This object is achieved according to the invention by the features of Claims 1 and 6 solved. Further features of the invention are in the Subclaims included.

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen an hand bevorzugter Ausführungsformen als Beispiele beschrieben.The invention will now be described with reference to the drawings hand of preferred embodiments described as examples.

In den Zeichnungen zeigenShow in the drawings

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Schallerzeugers, Fig. 1 is a schematic illustration of a sound generator,

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Array von Schallerzeugern, Fig. 2 is a plan view of an array of sound generators,

Fig. 3 eine schematische Querschnitts-Ansicht eines erfindungsgemäßen Schallempfängers. Fig. 3 is a schematic cross-sectional view of a sound receiver according to the invention.

Sound transmitter

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Erzeugung von Schallsignalen, insbesondere von kurzen Schallpulsen, besteht aus einem elektrischen Signalgenerator 2, der ein elektrisches Signal mit einer niedrigen elektrischen Spannung erzeugt. Der Signalgenerator 2 kann vorzugsweise unterschiedliche elektrische Signale erzeugen, z. B. Delta-Pulse, Rechteckpulse, Sinusschwingungen etc. mit einer einstellbaren Pulsweite im Bereich zwischen beispielsweise 10 µs und 10 ns, und kann ferner durch einen nicht dargestellten Leitrechner gesteuert werden. Der Signalgenerator 2 ist elektrisch mit einem Hochspannungserzeuger 4 verbunden, der die Signale des Signalgenerators 2 verstärkt. Die verstärkten Signale werden einer durch zwei Elektroden 8a, 8b gebildeten Funkenstrecke 6 zugeführt, die unmittelbar im Schall-Ausbreitungsmedium angeordnet ist. Der Hochspannungserzeuger 4 transformiert die Signale des Signal generators 2 auf eine derart hohe Spannung, daß diese zwischen den Elektroden 8a, 8b der Funkenstrecke 6 zu einem Funkenüberschlag oder einer Funkenentladung führen. Durch den Funkenüberschlag wird eine entsprechende Erwärmung sowie eine dadurch herbeigeführte Expansion und anschließende Kompression des sich zwischen den Elektroden 8a, 8b befindenden Schall-Ausbreitungsmediums, z. B. Luft, Stickstoff oder ein anderes Gas, hervorgerufen, die sich als Schallwelle 14 im Schall- Ausbreitungs medium fortpflanzt. Die Hochspannungsverstärkung ist vorzugsweise einstellbar und so gewählt, daß der Funkenüberschlag bereits bei einem im Vergleich zur gesamten Signalhöhe geringen Spannungswert einsetzt und nicht erst dann beginnt, wenn das Hochspannungssignal schon nahezu seinen Maximalwert erreicht hat.The device 1 according to the invention, shown schematically in FIG. 1, for generating sound signals, in particular short sound pulses, consists of an electrical signal generator 2 which generates an electrical signal with a low electrical voltage. The signal generator 2 can preferably generate different electrical signals, e.g. B. delta pulses, rectangular pulses, sine waves etc. with an adjustable pulse width in the range between, for example, 10 microseconds and 10 ns, and can also be controlled by a host computer, not shown. The signal generator 2 is electrically connected to a high voltage generator 4 , which amplifies the signals of the signal generator 2 . The amplified signals are fed to a spark gap 6 formed by two electrodes 8 a, 8 b, which is arranged directly in the sound propagation medium. The high voltage generator 4 transforms the signals of the signal generator 2 to such a high voltage that they lead to a sparkover or spark discharge between the electrodes 8 a, 8 b of the spark gap 6 . Through the sparkover, a corresponding heating and a resulting expansion and subsequent compression of the sound propagation medium located between the electrodes 8 a, 8 b, for. B. air, nitrogen or another gas, which propagates as sound wave 14 in the sound propagation medium. The high-voltage amplification is preferably adjustable and selected so that the sparkover starts at a low voltage value in comparison to the total signal level and does not begin until the high-voltage signal has almost reached its maximum value.

Die durch die Funkenentladung erzeugten Schallsignale bestehen aus einem ersten sehr kurzen deltapeakförmigen positiven Puls mit einer Pulsbreite von beispielsweise 200 ns, welcher durch die Expansion des Schallausbreitungsmedium hervorgerufen wird, sowie einem sich an diesen anschließenden negativen Puls mit einer Pulsweite von ca. 2 µs, welcher einer der Expansion folgenden Kompression des Schallausbreitungsmedlums entspricht. Der Schallerzeuger 1 besitzt somit keine lineare Übertragungskennlinie für die Umwandlung der elektrischen Signale in Schallsignale sondern erzeugt beim Überschreiten des Spannungsschwellenwertes für den Funken überschlag, d. h. beim Überspringen eines Funken einen sehr kurzen und nur wenig steuerbaren deltapeakförmigen Schallpuls mit vergleichs weise großer Amplitude. Ein erfindungsgemäßer Schallpuls wird demnach immer nur dann erzeugt, wenn ein Funkenüberschlag stattfindet.The sound signals generated by the spark discharge consist of a first very short delta-peak-shaped positive pulse with a pulse width of, for example, 200 ns, which is caused by the expansion of the sound propagation medium, and a subsequent negative pulse with a pulse width of approx. 2 μs, which corresponds to a compression of the sound propagation medium following expansion. The sound generator 1 thus does not have a linear transmission characteristic for converting the electrical signals into sound signals but generates a flashover when the voltage threshold value for the spark is exceeded, ie when a spark is skipped, a very short and only slightly controllable delta-peaked sound pulse with a comparatively large amplitude. A sound pulse according to the invention is therefore only ever generated when a sparkover occurs.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt das dem Hochspannungserzeuger 4 zugeführte elektrische Signal eines solche Form, daß die den Elektroden 8a, 8b zugeführte Hochspannung nach dem Einsetzen der Funkenentladung sofort wieder abfällt, bzw. im wesentlichen konstant gehalten wird, so daß die Funkenentladung nicht in einen Lichtbogen übergeht, der zu einer Beschädigung der Elektroden 8a, 8b oder von sonstigen Bauteilen des Schallerzeugers 1 führen kann. In the preferred embodiment of the invention, the electrical signal supplied to the high-voltage generator 4 has such a form that the high voltage supplied to the electrodes 8 a, 8 b drops immediately after the spark discharge begins, or is kept essentially constant, so that the spark discharge does not change into an arc, which can damage the electrodes 8 a, 8 b or other components of the sound generator 1 .

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Elektroden 8a, 8b von einem vorzugsweise konstanten Gasstrom umspült, der den Elektroden über Leitungen 10 von einer Gasquelle 12 zugeführt wird. Durch das Spülen der Elektroden 8a, 8b werden bei Gasgemischen mit oxidativen Bestandteilen der Elektrodenabbrand sowie Ablagerungen auf den Elektroden 8a, 8b reduziert, und es wird sichergestellt, daß die Funkenentladung unter im wesentlichen konstanten äußeren Bedingungen erfolgt, so daß Schwankungen der Schallamplituden infolge einer sich ändernden Gaszusammensetzung vermindert werden. Das Spülgas kann der Funkenstrecke 6, wie z. B. in Fig. 1 gezeigt, mittels einer oder mehrerer unmittelbar in den Elektrodenraum einmündender Düsen zugeführt werden. Die Zufuhr des Spülgases kann bei einer nicht dargestellten Ausführungsform jedoch auch dadurch erfolgen, daß jede der Elektroden 8a, 8b im Zentrum eines vorzugsweise düsenförmigen Endes einer Spülgas zuleitung angeordnet ist.In a preferred embodiment of the invention, the electrodes 8 a, 8 b are flushed with a preferably constant gas stream which is fed to the electrodes via lines 10 from a gas source 12 . By rinsing the electrodes 8 a, 8 b are reduced in gas mixtures with oxidative components of the electrode erosion and deposits on the electrodes 8 a, 8 b, and it is ensured that the spark discharge takes place under essentially constant external conditions, so that fluctuations in Sound amplitudes due to a changing gas composition can be reduced. The purge gas can spark gap 6 , such as. B. shown in Fig. 1, by means of one or more nozzles which open directly into the electrode space. In an embodiment, not shown, the flushing gas can also be supplied in that each of the electrodes 8 a, 8 b is arranged in the center of a preferably nozzle-shaped end of a flushing gas feed line.

Als Spülgas kann entweder ein inertes Gas, z. B. Wasserstoff, Stickstoff etc. oder aber das Schallausbreitungsmedium selbst verwendet werden, sofern sich letzteres hierfür hinsichtlich seiner Zusammensetzung eignet. Weiterhin ist es möglich, daß Spülgas im Bereich der Funkenstrecke 6 abzusaugen, aufzubereiten und wiederzuverwenden.Either an inert gas, e.g. B. hydrogen, nitrogen etc. or the sound propagation medium itself can be used, provided the latter is suitable for this in terms of its composition. Furthermore, it is possible for the purge gas to be sucked off, processed and reused in the area of the spark gap 6 .

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden eine größere Anzahl von Schallerzeugern 1 matrixförmig in nebeneinanderliegenden Reihen angeordnet, so daß diese ein in Fig. 2 gezeigtes Schallerzeuger- Array 20 bilden. Die einzelnen Schallerzeuger 1 des Arrays 20 sind auf einer ebenen Platte 22 aus Isolatormaterial befestigt und werden über in Fig. 2 nicht dargestellte Leiterbahnen gleichzeitig im Parallelbetrieb von vorzugsweise nur einem elektrischen Hochspannungserzeuger 4 gespeist.In a further embodiment of the invention, a larger number of sound generators 1 are arranged in a matrix in adjacent rows, so that they form a sound generator array 20 shown in FIG. 2. The individual sound generators 1 of the array 20 are fastened on a flat plate 22 made of insulator material and are simultaneously fed in parallel operation by preferably only one electrical high-voltage generator 4 via conductor tracks (not shown in FIG. 2).

Die Platte 22 ist vorzugsweise aus einem Material gefertigt, das der thermischen Belastung sowie der Einwirkung der in der Funkenentladung erzeugten Elektronen und Ionen, bzw. des Plasmas, standhält und sich nicht zersetzt. Die Elektroden 8a, 8b bestehen vorzugsweise aus einem Material, z. B. Kupfer, welches sich durch die Einwirkung der Elektronen, Ionen, bzw. des entstehenden Plasmas ebenfalls nicht zersetzt und welches darüber hinaus bei einer Oxidation seine elektrische Leitfähigkeit beibehält, d. h. welches im oxidierten Zustand nicht hochohmig wird.The plate 22 is preferably made of a material that withstands the thermal load and the action of the electrons and ions or the plasma generated in the spark discharge and does not decompose. The electrodes 8 a, 8 b are preferably made of a material such. B. copper, which also does not decompose due to the action of electrons, ions or the resulting plasma and which also maintains its electrical conductivity during oxidation, ie which does not become highly resistive in the oxidized state.

Der mittlere Abstand zwischen zwei benachbarten Schallerzeugern 1 des Arrays 20 kann beispielsweise zwischen 0,5 und 5 mm betragen. Die Kantenlänge des in Fig. 2 gezeigten quadratischen Arrays 20 mit 96 einzelnen Schallerzeugern 1 beträgt beispielsweise 20 mm. Durch die Verwendung einer größeren Zahl von Schallerzeugern 1 in einem Array 20 wird eine im wesentlichen ebene Schallwellenfront mit einer großen Schallamplitude erhalten. Weiterhin werden Unstabilitäten in den Funkenentladungen einzelner Schallerzeuger 1, die z. B. durch Strömungswirbel, lokale Schwankungen der Dichte und/oder der Zusammensetzung des Schallausbreitungsmedlums oder durch Elektodenabbrand hervorgerufen werden, in hohem Maße reduziert, so daß sie insgesamt nicht mehr störend sind. Aus darstellungstechnischen Gründen wurden bei den Schallerzeugern 1 in Fig. 2 die Spülgasleitungen, Peripheriegeräte und elektrischen Leitungen der Schallerzeuger nicht mit eingezeichnet.The average distance between two adjacent sound generators 1 of the array 20 can be, for example, between 0.5 and 5 mm. The edge length of the square array 20 shown in FIG. 2 with 96 individual sound generators 1 is, for example, 20 mm. By using a larger number of sound generators 1 in an array 20 , an essentially flat sound wave front with a large sound amplitude is obtained. Furthermore, instabilities in the spark discharges of individual sound generators 1 , the z. B. caused by eddies, local fluctuations in density and / or the composition of the sound propagation medium or by electrode erosion, reduced to a great extent, so that they are no longer annoying overall. For reasons of illustration technology, the purge gas lines, peripheral devices and electrical lines of the sound generators were not shown in the sound generators 1 in FIG. 2.

Die Anordnung der Schallerzeuger 1 in einem Array 20 hat insbesondere den Vorteil, daß die Effizienz der Schallerzeugung, die bei einer Erhöhung der dem Schallerzeuger 1 zugeführten elektrischen Leistung stark abnimmt, gesteigert wird.The arrangement of the sound generator 1 in an array 20 has the particular advantage that the efficiency of sound generation, which decreases sharply with an increase in the electrical power supplied to the sound generator 1 , is increased.

Sound receiver

Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung 50 zum Empfang von Schall signalen, insbesondere von kurzen Schallpulsen mit einer Pulsweite von z. B. 200 ns, besteht aus einer im Schallausbreitungsmedium angeordneten Kathode 52 und einer Anode 54, die über elektrische Leitungen sowie einen elektrischen Arbeitswiderstand 58 an eine Gleichstromquelle 56 angeschlossen sind. Die vorzugsweise einstellbare elektrische Gleichspannung der Gleichstromquelle 56 ist derart gewählt, daß zwischen der Kathode 52 und der Anode 54 eine elektrische Glimmentladung mit einem im wesentlichen konstanten Ruhestrom von beispielsweise 1 mA erzeugt wird. Die zwischen der Kathode 52 und der Anode 54 anliegende Spannung kann bei einem Abstand zwischen Anode und Kathode von beispielsweise 1,5 mm in Luft im Bereich von 700 V liegen. Die Kathode 52 und Anode 54 sind weiterhin mit einer Einrichtung 60 zur Abnahme und Umsetzung der zwischen ihnen anliegenden Spannung verbunden, die aus der Spannung und/oder den zeitlichen Spannungsänderungen zwischen Kathode 52 und Anode 54 ein entsprechendes elektrisches Signal zur Weiterverarbeitung erzeugt.The device 50 shown in Fig. 3 for receiving sound signals, in particular short sound pulses with a pulse width of z. B. 200 ns, consists of a arranged in the sound propagation medium cathode 52 and an anode 54 , which are connected via electrical lines and an electrical load resistor 58 to a DC power source 56 . The preferably adjustable electrical DC voltage of the DC power source 56 is selected such that an electrical glow discharge with an essentially constant quiescent current of, for example, 1 mA is generated between the cathode 52 and the anode 54 . The voltage applied between the cathode 52 and the anode 54 can be in the range of 700 V with a distance between the anode and cathode of, for example, 1.5 mm in air. The cathode 52 and anode 54 are also connected to a device 60 for taking off and converting the voltage between them, which generates a corresponding electrical signal for further processing from the voltage and / or the voltage changes over time between cathode 52 and anode 54 .

Die Kathode 52 und die Anode 54 können beispielsweise durch zwei aus einem Grundkörper herausstehende abgewinkelte Drähte mit einander gegenüberliegenden punktförmigen Spitzen gebildet sein.The cathode 52 and the anode 54 can be formed, for example, by two angled wires protruding from a base body with opposite point-shaped tips.

In diesem Falle besitzt der erfindungsgemäße Schallempfänger eine vergleichsweise lineare Übertragungskennlinie.In this case, the sound receiver according to the invention has a comparatively linear transmission characteristic.

Um ein besonders vorteilhaftes Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten, kann der erfindungsgemäße Schallempfänger jedoch ebenfalls eine solche geometrische Form besitzen, daß die Übertragungskennlinie stark nichtlinear wird. Hierdurch ergibt sich insbesondere beim Empfang von sehr kurzen, beispielsweise von mit einem erfindungsgemäßen Schallsender 1 erzeugten deltapeakförmigen Schallpulsen 14 eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber eingestreuten akustischen Störsignalen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß die zuvor beschriebenen punkförmigen Spitzen durch einander gegenüberliegende rechteckige, ovale und/oder kreisförmige Flächen ersetzt werden.In order to obtain a particularly advantageous signal-to-noise ratio, however, the sound receiver according to the invention can also have such a geometric shape that the transmission characteristic becomes strongly non-linear. This results in a high insensitivity to interfering acoustic interference signals, in particular when receiving very short, for example delta-peak-shaped sound pulses 14 generated with a sound transmitter 1 according to the invention. This can be achieved, for example, by replacing the punctiform tips described above with opposing rectangular, oval and / or circular surfaces.

Die Kathode 52 und die Anode 54 können jedoch ebenfalls als eine ebene Ringkathode sowie eine im Zentrum der Ringkathode gelegene kreisförmige Anode ausgebildet sein, die vorzugsweise in einen Grundkörper eingelassen sind, so daß die Elektrodenflächen innerhalb einer Ebene auf der Oberfläche des Grundkörpers liegen. Die Glimmentladung verläuft in diesem Falle entlang der Oberfläche des Grundkörpers. However, the cathode 52 and the anode 54 can also be designed as a flat ring cathode and a circular anode located in the center of the ring cathode, which are preferably embedded in a base body, so that the electrode surfaces lie within one plane on the surface of the base body. In this case, the glow discharge runs along the surface of the base body.

In gleicher Weise können sich die ebene kreisringförmige Kathode sowie die ebene kreisförmige Anode aus der Oberfläche der Isolatorplatte herauserstrecken und zusammen eine Elektrodenanordnung bilden, die die Form eines Koaxialleiterabschnitts besitzt.In the same way, the flat circular cathode as well the flat circular anode from the surface of the insulator plate stretch out and together form an electrode arrangement that has the shape of a coaxial conductor section.

Schallwellen 61, die über das Schallausbreitungsmedium auf den Schallempfänger 50 auftreffen, führen im Bereich der Glimm entladungsstrecke 53 zwischen der Kathode 52 und der Anode 54 zu lokalen Druckschwankungen. Die Druckschwankungen erzeugen infolge des starken Anstiegs des Glimmentladungsstromes bei einer Zunahme des Drucks, d. h. aufgrund der Abhängigkeit des Glimmentladungs stromes vom Umgebungsdruck, eine entsprechende Änderung der zwischen der Kathode 52 und der Anode 54 anliegenden, bzw. über dem Arbeitswiderstand 58 abfallenden Spannung, welche von der Einrichtung 60 abgenommen und z. B. einem in Fig. 3 nicht dargestellten Leitrechner zugeführt wird.Sound waves 61 , which strike the sound receiver 50 via the sound propagation medium, lead to local pressure fluctuations in the area of the glow discharge path 53 between the cathode 52 and the anode 54 . The pressure fluctuations produce a corresponding change in the voltage applied between the cathode 52 and the anode 54 or across the load resistor 58 , which is due to the sharp rise in the glow discharge current with an increase in pressure, that is to say due to the dependence of the glow discharge current on the ambient pressure the device 60 removed and z. B. is supplied to a host computer, not shown in FIG. 3.

In gleicher Weise wie die Spannung über dem Arbeitswiderstand 58 kann bei einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung der Glimmentladungsstrom direkt zur Weiterverarbeitung durch eine entsprechend angepaßte Einrichtung 60 verwendet werden.In the same way as the voltage across the load resistor 58 , the glow discharge current can be used directly for further processing by a correspondingly adapted device 60 in a modified embodiment of the invention.

Bei der in Fig. 3 dargestellten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schallempfängers 50 ist die Kathode als konusförmige Hohlkathode 52 und die Anode 54 als eine im wesentlichen kegelförmige Spitze ausgebildet, welch letztere sich bis an den oberen Rand der konusförmigen Kathodenvertiefung heran- oder sich sogar bis in diese hineinerstrecken kann. Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist ferner um die Anode 54 herum eine zur Glimmentladungsstrecke 53 hin trichterförmig zulaufende Schall-Leiteinrichtung 62 vorgesehen, die für eine Konzentration der einfallenden Schallwellen 61 im Bereich der Glimmentladungsstrecke 53 sorgt. Die Schall-Leiteinrichtung 62 ist vorzugsweise aus elektrisch isolierendem temperaturbeständigen und gegen die erzeugten Elektronen und Ionen resistenten Material gebildet und trägt über nicht dargestellte Halteelemente die kegelförmige Anode 54.In the illustrated in Fig. 3 the preferred embodiment of a sound receiver according to the invention 50, the cathode is formed as a cone-shaped hollow cathode 52 and the anode 54 as a substantially conical tip, the latter up to the upper edge of the cone-shaped cathode cavity zoom in or even up to can stretch them in. In the embodiment of the invention shown in FIG. 3, a sound guiding device 62 tapering towards the glow discharge path 53 is provided around the anode 54 and ensures a concentration of the incident sound waves 61 in the region of the glow discharge path 53 . The sound guide device 62 is preferably formed from electrically insulating, temperature-resistant material that is resistant to the generated electrons and ions, and carries the conical anode 54 via holding elements, not shown.

Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schall empfängers 50 wird das einfallende Schallsignal 61 dadurch in ein entsprechendes elektrisches Signal überführt, daß das von der Glimmentladung emittierte Licht einer Umwandlungseinrichtung 64 zugeführt wird, die daraus ein der Lichtintensität und/oder den zeitlichen Änderungen der Lichtintensität entsprechendes elektrisches Signal zur Weiterverarbeitung erzeugt. Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform ist hierzu in der Kathode 52 eine Bohrung vorgesehen, durch welche hindurch ein optischer Lichtleiter, z. B. eine Glasfaser 66, bis an die Glimmentladungsstrecke 53 herangeführt ist, der das Licht der Glimmentladung einem Fotodetektor 64, z. B. einer Fotozelle, einem CCD-Wandler oder einem Photomultiplier zur Weiterverarbeitung zuführt.In a further embodiment of the sound receiver 50 according to the invention, the incident sound signal 61 is converted into a corresponding electrical signal in that the light emitted by the glow discharge is fed to a conversion device 64 , which converts an electrical signal corresponding to the light intensity and / or the temporal changes in the light intensity Signal for further processing generated. In the embodiment shown in FIG. 3, a bore is provided in the cathode 52 through which an optical light guide, e.g. B. a glass fiber 66 , is brought up to the glow discharge path 53 , the light of the glow discharge a photodetector 64 , z. B. a photocell, a CCD converter or a photomultiplier for further processing.

Weiterhin kann die Erzeugung eines entsprechenden elektrischen Signals zur Weiterverarbeitung ebenfalls durch eine Kombination aus optischer Detektion der Glimmentladung und der Messung und Umwandlung der zwischen Kathode 52 und Anode 54 anliegenden, bzw. über dem Arbeitswiderstand 58 abfallenden Spannung bzw. des Glimmentladungsstromes erfolgen.Furthermore, the generation of a corresponding electrical signal for further processing can also be carried out by a combination of optical detection of the glow discharge and the measurement and conversion of the voltage or the glow discharge current present between cathode 52 and anode 54 or falling across the load resistor 58 .

In gleicher Weise wie beim erfindungsgemäßen Schallerzeuger 1 kann auch beim Schallempfänger 50 eine Spülung der Kathode 52 und/oder Anode 54 durch ein Spülgas, wie z. B. Stickstoff, Wasserstoff, Edelgas etc. oder das Schallausbreitungsmedium selbst erfolgen, welches der Glimmentladungsstrecke 53 über in Fig. 3 gezeigte Spülkanäle 68 von einer Gasquelle 70 zugeführt wird. In the same manner as in the inventive sound generator 1, a flushing of the cathode 52 and / or the anode 54 may also in the sound receiver 50 through a purge gas, such. B. nitrogen, hydrogen, noble gas, etc. or the sound propagation medium itself, which is supplied to the glow discharge path 53 via flushing channels 68 shown in FIG. 3 from a gas source 70 .

Zur Erhöhung der Empfindlichkeit können eine größere Anzahl von Schallempfängern 50 in gleicher Weise wie die Schallsender 1 matrix förmig in nebeneinanderliegenden Reihen zu einem Array zusammen gefaßt werden.To increase the sensitivity, a larger number of sound receivers 50 can be combined in the same way as the sound transmitter 1 in a matrix in adjacent rows to form an array.

Weiterhin können der Schallsender 1 und der Schallempfänger 50 gleichzeitig in einer einzigen Vorrichtung vereint sein. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß bei einem in Fig. 3 dargestellten Schallempfänger 50 für eine gewisse Zeitdauer die zwischen der Anode 54 und der Kathode 52 anliegende Spannung sprunghaft erhöht wird, so daß die Glimmentladung in eine Funkenentladung überführt wird. Es ist jedoch ebenfalls möglich, die Glimmentladung durch Herunterfahren der Spannung zwischen Kathode 52 und Anode 54 zuerst zum Erlöschen zu bringen, um dann anschließend durch sprunghaftes Erhöhen der Spannung eine Funkenentladung zu erzeugen.Furthermore, the sound transmitter 1 and the sound receiver 50 can be combined at the same time in a single device. This can be done, for example, in that in a sound receiver 50 shown in FIG. 3, the voltage present between the anode 54 and the cathode 52 is increased suddenly for a certain period of time, so that the glow discharge is converted into a spark discharge. However, it is also possible to first extinguish the glow discharge by shutting down the voltage between cathode 52 and anode 54 , and then subsequently to produce a spark discharge by suddenly increasing the voltage.

Die erfindungsgemäßen Schallsender 1 und Schallempfänger 50 eignen sich insbesondere für den Einsatz und die Verwendung in einer Vorrichtung und einem Verfahren zur zeitlich hochauflösenden Messung des Volumenstromes eines flüssigen oder gasförmigen Mediums in einem von diesem Medium durchströmten Rohr. Hierin werden der Schallsender 1 und der Schallempfänger 60 paarweise einander gegenüberliegend in einer Richtung im Winkel zu dem zu untersuchenden Gasstrom, beispielsweise dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors, angeordnet und die Laufzeit der vom ersten Sender zum zugeordneten ersten Empfänger in einer ersten Richtung sowie die zugehörige Laufzeit von einem neben dem ersten Empfänger angeordneten zweiten Sender in im wesentlichen entgegengesetzter Richtung zurück zu einem zweiten, neben dem ersten Sender angeordneten Empfänger gemessen. Aus den Laufzeitdifferenzen, dem Winkel und den Abständen zwischen Sender und Empfänger wird anschließend die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Volumenstromes und daraus bei bekanntem Durchmesser des Stromes, z. B. dem Durchmesser eines durchströmten Rohres, der Volumenstrom pro Zeiteinheit bestimmt. The sound transmitter 1 and sound receiver 50 according to the invention are particularly suitable for use in a device and a method for temporally high-resolution measurement of the volume flow of a liquid or gaseous medium in a pipe through which this medium flows. Herein, the sound transmitter 1 and the sound receiver 60 are arranged in pairs opposite to each other in a direction at an angle to the gas flow to be examined, for example the exhaust gas flow of an internal combustion engine, and the running time of the from the first transmitter to the assigned first receiver in a first direction and the associated running time of measured a second transmitter arranged next to the first receiver in essentially the opposite direction back to a second receiver arranged next to the first transmitter. From the transit time differences, the angle and the distances between the transmitter and the receiver, the mean flow rate of the volume flow and then with a known diameter of the flow, z. B. the diameter of a flowed tube, the volume flow determines per unit time.

Eine derartige Vorrichtung und ein zugehöriges Verfahren sind in der Diplomarbeit von Herrn Andreas Hess, Langstr. 18, 7526 Weiher, Deutschland, mit dem Thema "Sensor zur dynamischen Volumenstrom bestimmung im verdünnten Autoabgas", in Zusammenarbeit mit der Fachhochschule für Technik Mannheim, Fachbereich Nachrich tentechnik, aus dem Jahre 1993 beschrieben.Such a device and an associated method are in the Diploma thesis by Mr. Andreas Hess, Langstr. 18, 7526 Weiher, Germany, with the topic "Sensor for dynamic volume flow determination in the diluted car exhaust ", in cooperation with the University of Applied Sciences Mannheim, Department of Communication tentechnik, described from 1993.

Der Inhalt der Diplomarbeit, insbesondere das darin auf den Seiten 9 bis 15 beschriebene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung zur Volumenstrommessung, wird an dieser Stelle ausdrücklich als externer Stand der Technik eingeführt und zu einem Bestandteil dieser Beschreibung gemacht.The content of the diploma thesis, especially that on pages 9 to 15 described method and the associated device for Volume flow measurement is explicitly used here as an external State of the art introduced and part of this Description made.

Als besonders vorteilhaft hat es sich bei der Verwendung der zuvor be schriebenen erfindungsgemäßen Schallsender 1 und Schallempfänger 50 anstelle der herkömmlichen piezoelektrischen Schallsender und Schallempfänger in der Vorrichtung und dem Verfahren nach der Diplomarbeit erwiesen, wenn deltapeakförmige Signale mit einer Breite von beispielsweise 200 ns verwendet werden. Hierdurch kann die Auflösung der Volumenstrommessung erheblich verbessert werden.It has proven to be particularly advantageous when using the previously described inventive sound transmitter 1 and sound receiver 50 instead of the conventional piezoelectric sound transmitter and sound receiver in the device and the method according to the diploma thesis if delta-peak-shaped signals with a width of, for example, 200 ns are used. This can significantly improve the resolution of the volume flow measurement.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, die nebeneinander angeordneten Schallsender und Schallempfänger bei der Verwendung in einer Vorrichtung zur Volumenstrommessung, wie zuvor beschrieben, als kombinierte Sender-Empfänger-Einheit auszubilden, und zur Erzeugung einer großen Schallamplitude und einer erhöhten Effizienz der Schallerzeugung Arrays von Schallsendern und/oder Empfängern zu verwenden, wobei Empfänger und Sender mit unterschiedlichen Elektrodenformen auch gemischt in einem Array enthalten sein können.Furthermore, it can be advantageous to arrange them side by side Sound transmitter and sound receiver when used in one Device for volume flow measurement, as previously described, as train combined transmitter-receiver unit, and for Generation of a large sound amplitude and increased efficiency arrays of sound transmitters and / or receivers use, receiver and transmitter with different Electrode shapes can also be mixed in an array.

Alle Kombinationen von in der Diplomarbeit beschriebenen Merkmalen mit den zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren zur Erzeugung und zum Empfang von Schallsignalen, bzw. deren Merkmalen, sind als erfindungswesentlich anzusehen.All combinations of features described in the thesis with the devices according to the invention described above and Method for generating and receiving sound signals, or their characteristics are to be regarded as essential to the invention.

Claims

1. A method for receiving sound signals propagating in a sound propagation medium, in particular short sound pulses, characterized in that an electrical glow discharge with a substantially constant electrical quiescent current is generated in the sound propagation medium between two electrodes and the sound signals as a change over time between the Electrodes of the glow discharge path applied electrical voltage and / or the current can be removed

2. Method of receiving yourself in a sound propagation medium propagating sound signals, especially short ones Sound pulses, characterized in that one in the sound propagation medium between two electrodes electrical glow discharge with a substantially constant electric current is generated and the temporal brightness changes in glow discharge caused by a photo element in a corresponding electrical voltage can be transferred.

3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the electrodes of the glow discharge path from the acoustic Spreading medium and / or a further flushing medium, preferably an inert gas.

4. The method according to claim 3, characterized in that aspirated the flushing medium in the area of the electrodes and is reused.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that multiple glow discharge lines in an array are summarized and operated electrically in parallel become.

6. A device for carrying out the method according to any one of the preceding claims, characterized by a DC electric source (56) and connected to said DC power source (56) disposed in the acoustic propagation medium, at least one cathode (52) and an anode having glow discharge path (54) ( 53 ) and by means ( 58 , 60 ) electrically connected to the cathode ( 52 ) and the anode ( 54 ) of the glow discharge path ( 53 ) for converting the electrical voltage present between the cathode ( 52 ) and the anode ( 54 ).

7. Apparatus for carrying out the method according to any one of claims 2 to 5, characterized by an electric DC power source (56) and connected to said DC power source (56) disposed in the acoustic propagation medium, at least one cathode (52) and an anode (54) having Glow discharge path ( 53 ) and by means ( 64 , 66 ) for measuring and converting the light emitted from the glow discharge path ( 53 ) into a processable electrical voltage.

8. Device according to one of claims 6 or 7, characterized in that the cathode ( 52 ) of the glow discharge path ( 53 ) is designed as a conical hollow cathode.

9. Device according to one of claims 6 to 8, characterized in that the cathode ( 52 ) is annular and the anode ( 54 ) is formed as a flat circle lying within the circular ring.

10. Device according to one of claims 6 to 9, characterized in that the cathode ( 52 ) and / or the anode ( 54 ) of the glow discharge path ( 53 ) from the sound propagation medium and / or a further flushing medium, preferably an inert gas, flow around.

11. The device according to claim 10, characterized in that the flushing medium in the region of the cathode ( 52 ) and / or anode ( 54 ) is suctioned off, processed and reused as a flushing medium.

12. Device according to one of claims 6 to 11, characterized in that a plurality of glow discharge paths ( 53 ) are combined to form an array and are operated electrically in parallel with one another.

13. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it is operated both as a sound transmitter ( 1 ) and as a sound receiver ( 50 ), the transmission and reception of sound signals being carried out in succession.

14. Use of the device according to one of claims 6 to 13 as a sound receiver in a device for temporally high resolution send measurement of the volume flow of a gaseous medium in a pipe through which this medium flows Determination of the speed of the medium from the difference the measured transit times of at an angle to the volume flow of a sound transmitter to a sound receiver running first Sound signals and one in the opposite direction via im essentially the same distance from another sound transmitter another sound receiver running second sound signals.

15. Use according to claim 14, characterized in that the sound signals are in the form of short, essentially deltapeak-shaped sound pulses with a length in the range of Own 200 ns.