DE19732005A1 - Verfahren und Vorrichtung der Korrelationsmeßtechnik unter Verwendung maximalperiodischer Rauschfolgen in der Akustik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung der Korrelationsmeßtechnik, insbesondere zur Untersuchung von Impulsantworten oder Übertragungsfunktionen akustischer Systeme, welches in verschiedenen Bereichen der Akustik Anwendung finden kann. Korrelationsmeßtechniken haben in den letzten Jahren verstärkt Einzug in die akustische Meßtechnik erhalten [1]. Dabei steht neben dem wachsenden Störabstand besonders die Unempfindlichkeit gegen unkorrelierte Störungen bzw. Rauschen im Vordergrund. Daher sind diese Meßtechniken beispielsweise in der Raum- und Bauakustik bei Untersuchung der Übertragungseigenschaften zwischen Räumen, zur akustischen Vermessung innerhalb von Räumen und bei Fassadenmessungen bewährt, aber auch im Bereich der Elektroakustik zur Kalibrierung von Mikrophonen oder zur Lautsprechervermessung und im Ultraschallbereich werden Korrelationsmeßtechniken herangezogen.

Ein bewährtes Verfahren der Korrelationsmeßtechnik stellt die Messung mit maximalperiodischen Rauschfolgen, den sogenannten Maximalfolgen, als Meßsignale dar, die im Vergleich zu herkömmlichen Meßtechniken eine deutliche Verbesserung des Signal zu Rauschverhältnis mit sich bringt. In einer Reihe von Arbeiten [1, 2, 3, 4, 5] werden die Möglichkeiten aufgezeigt, die sich bei Gebrauch von Korrelationsmeßtechniken und im speziellen bei Verwendung von maximalperiodischen Rauschfolgen als Anregung ergeben, wenn ein Meßsystem wie in Abb. 1 schematisch dargestellt Verwendung findet. In Abb. 2 sei in vereinfachter Form die Bestimmung der diskreten Impulsantwort h(kT) mit dem Korrelationsverfahren mit maximalperiodischer Rauschanregung beschrieben. Dabei wird ein akustisches Meßsignal m(kT), d. h. eine maximalperiodische Rauschfolge der Ordnung n und der Länge N = 2ⁿ - 1, von einer Sendeeinrichtung in das zu untersuchende akustische System abgestrahlt. Anschließend wird die Antwort des Systems auf diese Anregung m(kT)*h(kT) empfangen und digitalisiert. Durch Anwendung eines Korrelationsauswertealgorithmus (im Falle der Anregung mit maximalperiodischem Rauschen die schnelle Hadamard-Transformation (FHT)) wird die diskrete Impulsantwort h(kT) des Systems abgeleitet (T = 1/f_ab : Dauer einer Abtastperiode).

Bezüglich weiterer Ausführungen hinsichtlich des Meßprinzips und der Eigenschaften von maximalperiodischen Rauschfolgen wird auf die Literatur verwiesen [1, 2, 3, 4, 5].

Der in den Patentansprüchen beschriebenen Erfindung liegt das Problem zu Grunde, daß die Anwendung einer Korrelationsmeßtechnik die Bedingung der Linearität und der Zeitinvarianz (LTI) an das zu untersuchende System stellt. Während die Bedingung der Linearität in den meisten akustischen Systemen erfüllt ist, stellt das Auftreten von Zeitvarianzen während der Messung ein Problem dar. Diese Zeitvarianzen führen mitunter zu amplitudenmäßigen und zeitlichen Verschiebungen, die bis zur Dauer einer Abtastperiode oder gar darüber anwachsen können. Allgemein müssen intra- und interperiodische Zeitvarianzen unterschieden werden. Während sich letztere vorwiegend bei der Mittelung mehrerer Messungen auswirken, kann dabei während der einzelnen Meßperioden weitgehend von einem zeitinvarianten System ausgegangen werden [6]. Intraperiodische Zeitvarianzen dagegen verursachen Verzerrungen innerhalb einer Meßperiode, die durch den Vorgang der anschließenden Korrelation zu starken Beeinflussungen führen. Damit ist die Korrelationsmeßtechnik unter Verwendung eines inaxialperiodischen Anregungssignals sehr empfindlich gegen intraperiodische Veränderungen des zur Untersuchung stehenden akustischen Systems [4]. Zeitvarianzen der akustischen Übertragungsstrecke wirken sich durch amplitudenmäßige Schwankungen und Verschiebungen der Abtastphasen gegenüber dem unverzerrt übertragenen Meßsignal aus. Letztere bilden sich in einem Übertragungssystem aus, in dem eine Veränderung der Systemlaufzeiten auftritt. Damit ist eine wichtige Bedingung der Maximalfolgen-Meßmethode oder anderer Korrelationsmeßtechniken, die Synchronisation der empfangenen Meßsignale mit der Abtastung des Empfangssystems, nicht mehr erfüllt. Zur Verdeutlichung zeigt Abb. 3 die Auswirkung einer Zeitvarianz auf die Abtastung eines reinen Sinussignales. In der Praxis entstehen Zeitvarianzen beispielsweise bei Freifeldmessungen unter Einfluß von Wind oder durch leichte Bewegungen der Meßanordnung, in der zerstörungsfreien Materialprüfung mit Ultraschall führt ein veränderlicher Anpreßdruck oder schwankende Anpaßbedingungen der Ultraschallwandler zu einer ähnlichen Verzerrung der Meßergebnisse. Zusätzlich zu den Schwankungen in der Abtastphase führen bereits kleine Veränderungen in der Übertragungsamplitude zu einer deutlichen Verschlechterung des Verhältnis von Signal zu Rauschen und damit zu einer verringerten Meßdynamik. Wird beispielsweise eine maxalperiodische Rauschfolge der Ordnung n = 18 derart verzerrt, daß die Hälfte der Abtastwerte eine um 1% gesenkte Amplitude aufweisen, führt dies zu einer Senkung des Störabstandes um 16dB. Wegen der Bedeutung der Maximalfolgenmeßtechnik in praktischen Anwendungen ist der Nachweis und die Kompensation derartiger Verzerrungen unerläßlich.

Diese Probleme werden durch die in den Patentansprüchen aufgeführten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß ein Meßverfahren vorgeschlagen wird, das die Detektion von Zeitvarianzen nach Amplitude und Phase ermöglicht, ohne dabei auf die Vorteile der Meßtechnik mit einer maximalperiodischen Anregung verzichten zu müssen (d. h. den enormen Gewinn in der Meßdynamik und die hohe Geschwindigkeit der schnellen Hadamard-Transformation). Aus diesem Grunde wird eine vorverzerrte maximalperiodische Rauschfolge [3] von einem reinen Sinuston überlagert. Dieser Pilotton gibt Informationen über Verzerrungen im akustischen Übertragungssystem, damit unter bestimmten Bedingungen die Zeitvarianzen vor einer weiteren Verarbeitung der Meßdaten kompensiert werden können. Im Gegensatz zu Messungen mit einem reinen maximalperiodischen Rauschsignal als Anregung, was keine Detektion von Zeitvarianzen während der Messung erlaubt, ermöglicht die Anwendung eines monofequenten Meßsignals die Bestimmung von zeitlichen Verzerrungen im Meßsystem nach Amplitude und Phase.

Wenn eine maximalperiodische Rauschfolge und ein Sinussignal als Pilotton überlagert werden, lassen sich die Vorteile der Maximalfolgenmeßtechnik mit der Möglichkeit kombinieren, Zeitvarianzen während einer Messung aufzuspüren und gegebenenfalls auszugleichen. Dies setzt voraus, daß das empfangene Signal nach der eigentlichen Messung in seine beiden Komponenten aufgespalten werden kann. Diese Aufteilung des Meßsignals ist mit Hilfe einer Bandpaßfilterung in einem analogen oder digitalen Filter möglich, wenn die Frequenzbereiche der einzelnen Signalanteile nicht überlappen. Daher wird vorteilhafterweise die Komponente des Meßsignals mit dem Korrelationssignal tiefpaßbegrenzt gewählt, die maximalperiodische Rauschfolge wird vorverzerrt [3]. Dazu wird die maximalperiodische Rauschfolge auf eine bestimmte Grenzfrequenz tiefpaßbegrenzt, die leicht unterhalb der Nyquist-Frequenz des Abtastsystems liegt, während die Frequenz des Pilottones zwischen dieser Grenzfrequenz der Rauschfolge und der Nyquistrate gewählt wird. Dieses Meßsignal wird, wie in Abb. 1 gezeigt ist, in das betrachtete akustische Meßsystem eingeschallt. Nach Empfang der Systemantwort auf das Korrelationssignal wird die Komponente des maximalperiodischen Rauschens mit Hilfe einer Tiefpaßfilterung (TP) vom gesamten gemessenen Signal getrennt, wogegen der Pilotton durch eine Hochpaßfilterung (HP) extrahiert werden kann. Es sind verschiedene Auswertungen möglich, um Informationen über eine Zeitvarianz des Übertragungssystems zu erhalten. Offensichtlich führen Verzerrungen in der Amplitude genauso wie Verschiebungen der Phasenlagen zu einer Veränderung der Abtastwerte des digitalisierten Pilottons (Abb. 3). Wird in der Ausführung des in den Patentansprüchen beschriebenen Verfahrens die Frequenz des Pilottons genau zur Nyquistfrequenz gewählt wird, führt die Auswertung der Abtastamplituden des Pilottons durch eine Veränderung in den Abtastwerten direkt zu einer Detektion von Zeitvarianzen. Dieser Phasendetektor verdeutlicht recht einfach jede Änderung im Übertragungssystem. Eine derartige Aufdeckung von Zeitvarianzen in einem Übertragungssystem kann selbst für den Fall angewendet werden, daß eine große Anzahl verschieden reflektierter Anteile in der Impulsantwort durch unterschiedliche Zeitvarianzen verzerrt werden.

Eine genauere Bestimmung einer Zeitvarianz erfordert eine aufwendigere Ausführung der Meßvorrichtung. Wenn der Frequenzabstand zwischen der Frequenz des Pilottons und der Nyquistrate ausreichend groß ist, kann der Pilotton p(t) nach Amplitude und Phase exakt bestimmt werden. Damit ist die Zeitvarianz ebenso nach Amplitude und Phase ermittelbar. Wird die Impulsantwort des zur Untersuchung stehenden akustischen Systems von einer einzelnen Komponente beherrscht und treten keine weiteren störenden Reflexionen auf, wie beispielsweise bei der Untersuchung des Direktschalls unter Freifeldbedingungen, können Zeitvarianzen nach Betrag und Phase korrigiert werden. Nach der Kompensation der Verzerrung in der Meßsignalskomponente des Korrelationssignals wird die schnelle Hadamard-Transformation durchgeführt, die zur Impulsantwort des zur Untersuchung stehenden akustischen Systems führt. Ein Blockschaltbild des in der Erfindung bezeichneten Verfahrens zur Korrelationsmeßtechnik bzw. der entsprechenden Meßvorrichtung wird in Abb. 4 dargelegt.

Der Pilotton erlaubt die Detektion von Zeitvarianzen. Um überdies genauere Informationen über die Veränderung des Übertragungsverhaltens zu erhalten, ist eine aufwendigere Verarbeitung der Pilottonsignale notwendig. Nach Gebrauch der Hilbert-Transformierten [7] des Pilottonsignals liegt dieses nach Betrag und Phase vor, was den direkten Rückschluß auf die Zeitvarianz erlaubt. Diese Information über die Zeitvarianz kann für eine Kompensation derselben herangezogen werden. Bei der in der Erfindung bezeichneten Vorrichtung der Korrelationsmeßtechnik wird dieser Ausgleich von Zeitvarianzen mit Hilfe einer Amplitudenkorrektur und einer gleitenden Abtastratenwandlung durchgeführt [5]. Aber auch, wenn keine Berichtigung dieser Verzerrungen in den Meßdaten durchgeführt werden soll, kann mit Hilfe des vorgeschlagenen Meßverfahrens entschieden werden, ob die die maximalperiodische Rauschfolge enthaltende Komponente des Meßsignals einer weiteren sinnvollen Verarbeitung über die schnelle Hadamard-Transformation zugeführt oder eine Neumessung veranlaßt wird.

Um die Leistungsfähigkeit des Meßverfahrens aufzuzeigen, wurden zunächst einige elektrische Messungen an einer programmierbaren Verzögerungsleitung (AKG TDU7000) anstelle eines akustischen Systems durchgeführt, um definierte zeitliche Varianzen der Übertragungsstrecke vorgeben zu können.

In der beschriebenen Ausführung fand ein PC-gestütztes Meßsystem mit einer Analog/Digital- und einer Digital/Analog-Umsetzung bei einer Abtastrate von 32kHz Verwendung. Die Frequenz der Pilottonanregung wurde genau zu der halben Abtastrate gewählt, wogegen die obere Frequenzgrenze des Meßbereichs der maximalperiodischen Rauschfolge bei 14kHz lag. Bei einer Ordnung von n = 18 bestand die vorverzerrte maximalperiodische Rauschfolge aus 262143 Abtastwerten. Mit Hilfe der programmierbaren Verzögerungsschaltung kann das Laufzeitverhalten der Meßstrecke auf verschiedenartige Weise verzerrt werden, wobei die Amplituden und die zeitlichen Verläufe der Zeitvarianzen beliebig gewählt werden können.

Abb. 5 gibt die empfangenen und digitalisierten Daten nach der Messung wieder. Während im Fall a) keinerlei zeitliche Verzerrungen aufgetreten sind, ist in b) deutlich der Einfluß einer Zeitvarianz zu erkennen. Einen Vergleich von drei experimentell ermittelten Impulsantworten des gleichen Übertragungssystems, der programmierbaren Zeitverzögerungsschaltung, zeigt Abb. 6.1 nach der Durchführung der schnellen Hadamard-Transformation. In a) war die Bedingung der Zeitinvarianz erfüllt, wogegen im Fall b) die Signallaufzeit der Übertragungsstrecke sinusförmig mit einer Frequenz von 5Hz und einer Störungsamplitude von 15 µs, der halben Abtastperiode T=1/f_s, verzerrt wurde. In weiteren Experimenten wurde, wie in der Impulsantwort c) dargestellt, die zeitliche Veränderung der Laufzeit der Übertragungsstrecke innerhalb einer Meßperiode vergrößert bis zur Dauer einer Abtastperiode T (31 µs). Die Kurven in Abb. 6.2 demonstrieren die Veränderung in den Abtastwerten der Pilottonkomponente für die verschieden starken Zeitvarianzen a) bis c). Die Auswertung des Verlaufs der Abtastwerte der Pilottonkomponente erlaubt die Detektion der Zeitvarianz. Zur Verdeutlichung des Einfluß von Zeitvarianzen auf die gemessene Übertragungsfunktion im Frequenzbereich stellt Abb. 7 zwei gemessene Übertragungsfunktionen dar, in den Kurven a) und b) entsprechen die Verzerrungen denen in Abb. 6 a) und b). Tritt eine Zeitvarianz in einem zu untersuchenden akustischen System auf, verschlechtert sich bei Gebrauch von Korrelationsmeßtechniken das Verhältnis von Signal zu Rauschen deutlich. Zusätzlich zur sinkenden Meßdynamik werden bei der Messung der Übertragungsfunktion im Frequenzbereich die Meßergebnisse stark verzerrt.

Soll bei akustischen Messungen unter Benutzung einer Korrelationsmeßtechnik verläßliche und reproduzierbare Ergebnisse erhalten werden, ist die Aufdeckung und gegebenenfalls die Korrektur von Zeitvarianzen der Übertragungsstrecke unerläßlich.

Literatur

[1] Vorländer, M.: Anwendungen der Maximalfolgentechnik in der Akustik, Fortschritte der Akustik - DAGA 94, Bad Honnef (1994), S. 83-102
[2] Alrutz, H., Schroeder, M.R., A fast Hadamard Transform method for the evaluation of measurements using pseudo-random test signals, in: Proceedings of the 1 lth International Conference on Acoustics, (1983), S. 235-8
[3] Mommertz, E., Müller, S., Measuring impulse responses with digitally pre-emphasized pseudorandom noise derived from maximum-length sequences, Applied Acoustics 44/3, (1995), S. 195-214
[4] Niederdränk, T., Maximum length sequences in non destructive material testing - application of piezoelectric transducers and effects of time variances, angenommen zur Veröffentlichung in Ultrasonics
[5] Lüke, H.D., Korrelationssignale, Springer Verlag, Berlin, 1992
[6] Vorländer, M., Kob, M., Practical aspects in MLS measurements in building acoustics, submitted for publication in Applied Acoustics
[7] Lüke, H.D., Signalübertragung, Springer Verlag, Berlin, 1992

Claims (5)

1. Verfahren der Korrelationsmeßtechnik in der Akustik, das beispielsweise in der Raum- und Bauakustik oder im Bereich des Ultraschalls zur Ermittlung von Impulsantworten oder der Übertragungsfunktion von akustischen Systemen Verwendung finden kann, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßsignal, zusammengesetzt aus einem maximal­ periodischen Rauschsignal und einem sinusförmigen Pilotton zur Messung der Impulsantwort beziehungsweise der Übertragungsfunktion herangezogen wird, um eventuell auftretende intraperiodische Zeitvarianzen der Übertragungsstrecke detektieren und gegebenenfalls korrigieren zu können.

2. Verfahren der Korrelationsmeßtechnik in der Akustik nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine vorverzerrte maximalperiodische Rauschfolge als eine Komponente des Meßsignals Verwendung findet.

3. Verfahren der Korrelationsmeßtechnik in der Akustik nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem eigentlichen Meßprozeß die empfangenen Daten zunächst durch ein digitales oder analoges Filter in die beiden Komponenten des Meßsignals, d. h. in die Anteile des Pilottons und der maximalperiodischen Rauschfolge, zerlegt werden.

4. Verfahren der Korrelationsmeßtechnik in der Akustik nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Auswertung des empfangenen Pilotsignals über dessen Phasen- und Amplitudenverhalten innerhalb einer Messung auftretende Zeitvarianzen detektiert und beschrieben werden können. Damit kann die Komponente des Meßsignals mit der maximalperiodischen Rauschfolge gegebenenfalls korrigiert werden, bevor diese einer weiteren Verarbeitung zugeführt wird.

5. Vorrichtung der Korrelationsmeßtechnik in der Akustik, dadurch gekennzeichnet, daß über das in den Patentansprüchen 1 bis 4 beschriebene Verfahren die Bestimmung von Impulsantworten beziehungsweise Übertragungsfunktionen im Bereich des Hörschalls ermöglicht wird, wobei Verzerrungen des Meßsignals durch Zeitvarianzen der Übertragungsstrecke erkannt und gegebenenfalls korrigiert werden können.