DE202014004790U1 - Arrangement for measuring sound velocity distributions and variables derived therefrom in rooms using acoustic signals - Google Patents

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Abstract

Anordnung zum Vermessen von Schallgeschwindigkeitsverteilungen und daraus abgeleiteter Größen in Räumen unter Verwendung akustischer Signale, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Schallsender- und Schallempfängerkombinationen zum in kurzen zeitlichen Abständen wiederholten Aussenden und Empfangen von Schallsignalen bestimmter Signatur in dem Raum angeordnet sind, wobei die Schallsender- und Schallempfängerkombinationen mit einer Einheit zur Erzeugung von Schallimpulsen und zur Aufzeichnung und Analyse der empfangenen Signale verbunden sind.Arrangement for measuring the sound velocity distributions and variables derived therefrom in rooms using acoustic signals, characterized in that one or more sound transmitter and sound receiver combinations are arranged in the room for the repeated transmission and reception of sound signals of a specific signature at short time intervals, the sound transmitter and sound receiver combinations are connected to a unit for generating sound pulses and for recording and analyzing the received signals.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Vermessen von Schallgeschwindigkeitsverteilungen und daraus abgeleiteter Größen in Räumen und dem im Raum vorhandenen Medium unter Verwendung akustischer Signale. Derartige Fragestellungen treten in der Praxis häufig auf, etwa bei der Raumüberwachung im Zusammenhang mit der Ermittlung von das Raumklima betreffenden Parametern.The invention relates to an arrangement for measuring sound velocity distributions and variables derived therefrom in rooms and the medium present in the room using acoustic signals. Such questions often occur in practice, for example in the monitoring of space in connection with the determination of parameters relating to the indoor climate.

Für die Bestimmung von Räume charakterisierenden Größen, deren Veränderungen in Abhängigkeit vom Ort und über die Zeit sind eine Vielzahl von technischen Lösungen bekannt, die sich insbesondere den nachfolgend dargestellten technisch-physikalischen Prinzipien zuordnen lassen.For the determination of spaces characterizing variables whose changes are dependent on location and over time, a variety of technical solutions are known, which can be assigned in particular to the technical-physical principles presented below.

Bekannt sind Anordnungen unter Verwendung von Temperatursensoren an verschiedenen Positionen in einem Raum, an denen der zeitliche Verlauf der Temperaturänderung erfasst und aus deren Anordnung auf die räumliche Verteilung der Temperatur geschlossen werden kann. Angewendet werden akustische Thermometer ( DE 4222625 A1 ), auch auf Ultraschallbasis ( DE 2735908 A1 ), die aus der Schallgeschwindigkeitsmessung auf einer bekannten Strecke die Temperatur bestimmen.Arrangements are known using temperature sensors at different positions in a room, where the time course of the temperature change detected and can be concluded from their arrangement on the spatial distribution of the temperature. Applied are acoustic thermometers ( DE 4222625 A1 ), also on ultrasound basis ( DE 2735908 A1 ), which determine the temperature from the sound velocity measurement on a known route.

Auf dem Ausmessen von Schallgeschwindigkeitsfeldern beruhen tomografische akustische Verfahren ( US 7,181,981 B2 , DE 10 2008 020 765 B4 ), bei denen sich Schallsender und Schallempfänger in einer definierten Entfernung gegenüberstehen.The measurement of sound velocity fields is based on tomographic acoustic methods ( US Pat. No. 7,181,981 B2 . DE 10 2008 020 765 B4 ), in which the sound transmitter and sound receiver face each other at a defined distance.

Die nachfolgend aufgeführten Verfahren gehen von der Annahme aus, dass die Schallgeschwindigkeit im den Schall transportierenden Medium konstant bzw. bekannt ist und damit aus der Schalllaufzeit auf die Entfernung zu den Hindernissen geschlossen werden kann.The following methods are based on the assumption that the speed of sound in the medium transporting the sound is constant or known, and thus that the sound propagation time can be deduced from the distance to the obstacles.

Zur Bestimmung von Schalldämpfungsgrößen ( DE 2553341 A1 ) bzw. zur Einschätzung der Klangqualität eines Raumes sind Einrichtungen bekannt, die Verfahren zum Vermessen des akustischen Nachhalls und der Schallpegeländerungen eines ausgesendeten Schallsignals benutzen.For the determination of sound attenuation quantities ( DE 2553341 A1 ) or for assessing the sound quality of a room, facilities are known which use methods for measuring the acoustic reverberation and the sound level changes of a transmitted sound signal.

Es sind Anordnungen unter Verwendung des Echolotverfahrens bekannt, die Entfernungen zu Hindernissen über die Schalllaufzeit des Echos bestimmen ( DE 2547759 C3 ) und solche, bei denen die räumliche Änderung der Schallgeschwindigkeit Berücksichtigung findet, um die wahre Entfernung zum den Schall reflektierenden Hindernis zu bestimmen ( DE 3020508 A1 ). Vergleichbare Abstandsbestimmungsverfahren werden z. B. ausgenutzt in den Einparkhilfesystemen für Kraftfahrzeuge ( DE 10 2009 029 770 A1 ).Arrangements using the sonar method are known which determine distances to obstacles over the sound propagation time of the echo ( DE 2547759 C3 ) and those in which the spatial change of the speed of sound is taken into account in order to determine the true distance to the sound-reflecting obstacle ( DE 3020508 A1 ). Comparable distance determination methods are e.g. B. used in the parking assistance systems for motor vehicles ( DE 10 2009 029 770 A1 ).

Nach dem Sonarprinzip arbeiten Verfahren (u. a. US 5412617 A ), die eine Schall-Abbildung der Umgebung zum Ziel haben, d. h. die Entfernung der den Schall reflektierenden Hindernisse als ein Bild darstellen.According to the sonar principle work procedures (ua US 5412617 A ), which have a sound image of the environment as the goal, ie the distance of the sound-reflecting obstacles as an image.

Weiterhin sind SODAR-Verfahren bekannt, die bei Aufzeichnung der in einem Luftvolumen zum Sender zurückgestreuten Schallleistung unter Berücksichtigung des Dopplereffektes die Frequenzverschiebung des rückgestreuten Schalls als Bewegung des schallstreuenden Mediums (Luft) interpretieren ( DD 264354 A3 , DE 2815500 A1 ), wobei feste Reflexionsflächen das Messverfahren stören ( DD 237383 A1 ).Furthermore, SODAR methods are known which interpret the frequency shift of the backscattered sound as movement of the sound-scattering medium (air) when recording the sound power backscattered in an air volume to the transmitter taking into account the Doppler effect ( DD 264354 A3 . DE 2815500 A1 ), with fixed reflection surfaces interfering with the measurement process ( DD 237383 A1 ).

Zum zerstörungsfreien Prüfen von Materialien sind Verfahren auf Basis der Ultraschallwellen bekannt (u. a. DE 1005758 A , AT 279214 B ).For non-destructive testing of materials, methods based on ultrasonic waves are known (ia DE 1005758 A . AT 279214 B ).

Es sind Durchflussmessverfahren bekannt, die in ein strömendes Medium über eine die Strömung begrenzende Wand Schallsignale einleiten und an gegenüberliegenden Punkten empfangen. Über die registrierte Laufzeitbeeinflussung wird u. a. das Strömungsprofil in Rohrleitungen ermittelt ( DE 4430223 A1 , US 5531124 A ).Flow measuring methods are known which introduce sound signals into a flowing medium via a wall bounding the flow and receive them at opposite points. The registered runtime influence is used to determine the flow profile in pipelines ( DE 4430223 A1 . US 5531124 A ).

Schließlich sind Verfahren bekannt, die eine Veränderung der Schallfeldstruktur auf die Änderung der Lagebeziehung zwischen den im Raum angeordneten Gegenständen zurückführt, was einer Überwachung der Raumstruktur gleich kommt (Impuls-Echo-Verfahren: DE 3906627 A1 , Ultraschall-Raumüberwachung in einem Kraftfahrzeug: EP 473835 A1 ).Finally, methods are known which attribute a change in the sound field structure to the change in the positional relationship between the objects arranged in space, which is equivalent to monitoring the spatial structure (pulse-echo method: DE 3906627 A1 , Ultrasonic space monitoring in a motor vehicle: EP 473835 A1 ).

Die vorstehend beschriebenen bekannten Anordnungen und Verfahren sind mit dem Nachteil verbunden, dass zur Ermittlung einer räumlichen und zeitlich variablen Temperaturverteilung normalerweise mehrere Sensoren erforderlich sind, die unter Umständen allein durch ihre Größe bzw. Anwesenheit im Messgebiet die Struktur des auszumessenden Feldes stören. Verbunden damit ist ein erheblicher Messaufwand, da sich das Anbringen der Sensoren im Raum und die Bestimmung deren Positionen häufig als schwierig erweisen, da die Zugänglichkeit der benötigten Messstellen nicht immer gewährleistet ist.The known arrangements and methods described above are associated with the disadvantage that to determine a spatially and temporally variable temperature distribution usually several sensors are required, which may interfere with the structure of the field to be measured only by their size or presence in the measurement area. Associated with this is a considerable measurement effort, since the installation of the sensors in the room and the determination of their positions often prove difficult, since the accessibility of the required measuring points is not always guaranteed.

Die Genauigkeit der Entfernungsmessungen bei Anwendung akustischer Verfahren zwischen den Schallsendern und Schallempfängern und die daraus abgeleiteten Angaben basieren auf der Annahme, dass sich die Schallgeschwindigkeit in dem den Schall transportierenden Medium nicht ändert (räumlich und zeitlich).The accuracy of the distance measurements using acoustic methods between the sound transmitters and sound receivers and the information derived from them are based on the assumption that the speed of sound in the medium carrying the sound does not change (spatially and temporally).

Wird die Temperaturverteilung bzw. das Strömungsfeld in einem Volumen mit Hilfe akustischer tomographischer Verfahren bestimmt, dann müssen sich mehrere Sender und Empfänger an definierten Positionen gegenüberstehen. Diese Positionen sind im Raum sehr genau zu bestimmen, eine freie Sichtlinie zwischen Sender und Empfänger muss gegeben sein. Es sind abhängig von der gewünschten Auflösung im auszumessenden Volumen viele solche Sender-Empfänger-Paare zu installieren. Werden akustische Verfahren zur Bestimmung der Klangqualität von Räumen angewendet (Ausmessen des Nachhalls), dann sind Änderungen der Schallgeschwindigkeit im Raum störend. Deren Interpretation als Temperaturänderung ist dann nicht das Ziel.If the temperature distribution or the flow field in a volume determined by means of acoustic tomographic method, then must several transmitters and receivers face each other at defined positions. These positions are to be determined very precisely in the room, a clear line of sight between sender and receiver must be given. Depending on the desired resolution, many such transmitter-receiver pairs must be installed in the volume to be measured. If acoustic methods are used to determine the sound quality of rooms (measuring the reverberation), then changes in the speed of sound in the room are disturbing. Their interpretation as a temperature change is then not the goal.

Die durch die Erfindung zu lösende Problemstellung besteht darin, eine Anordnung vorzuschlagen, mit der der Messaufwand und die Beeinflussung des Messobjektes durch die Anordnung deutlich reduziert wird, indem die Messungen auf eine bzw. wenige Messstellen zurückgeführt werden, deren Positionsbestimmung im Raum nur eine untergeordnete Rolle spielt.The problem to be solved by the invention is to propose an arrangement with which the measurement effort and the influence of the measurement object is significantly reduced by the arrangement by the measurements are attributed to one or a few measuring points, their position determination in space only a minor role plays.

Erfindungsgemäß wird die Problemstellung durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst, die in den Unteransprüchen weiter vorteilhaft ausgestaltet werden.According to the invention, the problem is solved by the features listed in claim 1, which are further advantageously designed in the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist mit einer Reihe von Vorteilen verbunden. Die sonst als störend empfundenen Schallreflexionen werden zur Informationsgewinnung über das Medium selbst verwendet, durch das sich die von dem Sender der Anordnung ausgesandten und vom Empfänger aufgenommenen Schallsignale ausbreiten. Dadurch reduziert sich der Messaufwand erheblich. Es sind von einer (oder wenigen) Messstellen ausgehend Informationen über die räumliche und zeitliche Veränderung des Schallgeschwindigkeitsfeldes im Raum bzw. in einem in dem Raum enthaltenen Medium darstellbar. Daraus lassen sich unterschiedliche Aussagen über den Raum und dessen Inhalt gewinnen. Beispiele sind nachfolgend dargestellt. Die mittels der Anordnung in den Raum gesendeten und wieder empfangenen Signale lassen Aussagen über die Temperaturverteilung im Raum zu. Es ist möglich, auf die thermische Homogenität einer Luft- oder Gasströmung zu schließen, was zur Bestimmung von Mischungszuständen Verwendung findet. Die Klimatisierung von Räumen wird ausgehend von wenigen Messstellen aus kontrollierbar. Die Lagebeziehung der Gegenstände im Raum ist überwachbar.The arrangement according to the invention is associated with a number of advantages. The otherwise perceived as disturbing sound reflections are used to obtain information about the medium itself, through which propagate the emitted from the transmitter of the device and recorded by the receiver sound signals. This considerably reduces the measuring effort. From one (or a few) measurement points, information about the spatial and temporal change of the sound velocity field in the room or in a medium contained in the room can be displayed. From this it is possible to obtain different statements about the space and its content. Examples are shown below. The signals sent into the room by means of the arrangement and received again allow statements about the temperature distribution in the room. It is possible to deduce the thermal homogeneity of an air or gas flow, which is used to determine mixture states. The air conditioning of rooms can be controlled from a few measuring points. The positional relationship of the objects in the room can be monitored.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist in der schematisch dargestellt und besteht aus einer oder mehreren Schallsender- und Schallempfängerkombinationen (11,12), die im Raum angeordnet sind. In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Schallsender und Schallempfänger identische Sensoren. Die Schallsender senden ein Signal aus, das von dem Empfänger, der in der hier beschriebenen Form möglichst nahe am Sender installiert ist, wieder empfangen wird. Der Schall wird im Raum an allen möglichen Flächen, so Wänden (2) und Hindernissen (4), reflektiert und erreicht wieder die Position der Sender- und Empfängerkombination (3 1, 3 2). Aufgezeichnet wird also das Raumecho, z. B. auf einem Computer (5), der gleichzeitig die Sendesignale erzeugt und an die Sender weitergibt sowie die Empfangssignale aufzeichnet. Aus der Laufzeit der Schallsignale (6) und einer geometrischen Verortung im Raum wird das Gebiet identifiziert, das von den einzelnen im Nachhall identifizierbaren Reflexen durchlaufen worden ist. Die vom Computer aufgezeichneten Signale werden einer Analyse (7) zugeführt, um so an einer Position die verschiedenen Reflexe auszuwerten, die für sich genommen unterschiedliche Raumbereiche durchlaufen haben. Trifft der Schall auf seinen unterschiedlichen Wegen auf veränderliche Temperaturbedingungen, dann wird sich die Struktur des Nachhalls und die Eintreffzeiten der identifizierten Reflexe verändern. Diese Veränderung wird ausgewertet und in eine räumliche Veränderung des Temperaturfeldes und weiterer daraus ableitbarer Größen (z. B. der Turbulenzzustand aus der Variabilität des aufgezeichneten Schallpegels) umgerechnet. Die Schallreflexionsflächen dürfen sich während der Beobachtungszeit nicht verschieben. Verschieben sich die Reflexionsflächen während der Messzeit, so ist die Überwachung von deren Lagebeziehung möglich, da sich das in einer veränderlichen Struktur der Schallaufzeichnung äußert.The inventive arrangement is in the shown schematically and consists of one or more sound transmitter and sound receiver combinations (11,12), which are arranged in space. In an advantageous embodiment, sound transmitter and sound receiver are identical sensors. The sound transmitters emit a signal which is received again by the receiver, which is installed as close as possible to the transmitter in the form described here. The sound is in space on all possible surfaces, so walls ( 2 ) and obstacles ( 4 ), and once again reaches the position of the transmitter and receiver combination ( 3 1 , 3 2 ). Recorded is therefore the room echo, z. On a computer ( 5 ), which simultaneously generates the transmission signals and passes them on to the transmitters and records the received signals. From the duration of the sound signals ( 6 ) and a geometric location in space, the area is identified, which has been traversed by the individual in the reverberation identifiable reflections. The signals recorded by the computer are analyzed ( 7 ) so as to evaluate at one position the various reflections that have taken in themselves different areas of space. If the sound hits variable temperature conditions in its different ways, then the structure of the reverberation and the arrival times of the identified reflexes will change. This change is evaluated and converted into a spatial change of the temperature field and other quantities derived therefrom (eg the turbulence state from the variability of the recorded sound level). The sound reflection surfaces must not shift during the observation time. If the reflection surfaces shift during the measuring time, the monitoring of their positional relationship is possible, since this manifests itself in a variable structure of the sound recording.

Die Schallfrequenz des Nutzschalls liegt in einem Frequenzfenster, in dem keine Hintergrundgeräusche die Nutzschallmessung stören. So haben sich in einem mit einer Klimaanlage ausgestatteten Raum Frequenzen in einem Frequenzbereich zwischen 12 und 14 kHz als vorteilhaft erwiesen. Dabei werden definierte Impulsfolgen bzw. Rauschfolgen ausgesendet, die dadurch am Empfangsort zweifelsfrei durch Korrelationstechniken identifizierbar sind.The sound frequency of the useful sound lies in a frequency window in which no background noise disturbs the useful sound measurement. Thus, frequencies in a frequency range between 12 and 14 kHz have proved to be advantageous in a room equipped with an air-conditioning system. In this case, defined pulse sequences or noise sequences are transmitted, which are thereby unambiguously identifiable by correlation techniques at the receiving location.

Befinden sich Sender und Empfänger an identischer Stelle im Raum, dann lässt sich aus den Reflexionsaufzeichnungen nur auf die Laplacesche Schalltemperatur schließen, da sich Bewegungseinflüsse auf dem Schallweg hin zum Reflektor und zurück zum Empfänger herausmitteln.If the emitter and receiver are located in the same place in the room, then only the Laplacean sound temperature can be deduced from the reflection recordings, since movement influences on the sound path point out towards the reflector and back to the receiver.

Befinden sich Sender und Empfänger nicht an identischer Stelle im Raum, dann sind in den Schalllaufzeiten zusätzlich zur Schalltemperatur Aussagen über Bewegungen im durchschallten Medium enthalten.If the sender and receiver are not located in the same place in the room, then sound propagation times in addition to the sound temperature contain information about movements in the sound medium.

Für die Anwendung der Anordnung und des damit anwendbaren Messverfahrens ist es nur wichtig, dass es in einem Raum und dessen auszumessenden Medium Schallreflexionsflächen gibt, so dass die ausgesendeten Schallsignale als Echo ihren Ausgangspunkt oder einen Empfangspunkt wieder erreichen und die Schallreflexionsflächen ihre Positionen während des Messvorgangs nicht verändern.For the application of the arrangement and thus applicable measurement method, it is only important that there are sound reflection surfaces in a room and its medium to be measured, so that the emitted sound signals echo their Reach the starting point or a receiving point again and the sound reflection surfaces do not change their positions during the measurement process.

Die Anordnung lässt sich vorteilhaft einsetzen, um die geometrische Struktur des Raumes und die Änderung der Lage der Schallreflexionsflächen zu überwachen.The arrangement can be advantageously used to monitor the geometric structure of the room and the change in the position of the sound reflection surfaces.

Die Räume, in denen die Anordnung eingebracht ist, können mit jedem schallleitenden Medium gefüllt sein. Die Messvorrichtung erzeugt dann Daten, die Auskunft geben über eine räumliche und zeitliche Veränderung der Schallausbreitungsgeschwindigkeit in dem mit einem schallleitenden Medium ausgefüllten Raum. Werden mehrere Schallsender- und Schallempfängerkombinationen im Raum betrieben, dann führen die identifizierten Schallreflexe zu einer volumenüberdeckenden Aussage über die Raumlufttemperatur. Es wird also der Nachhall oder das Echo des Schallsignals im Raum analysiert und zwar dahingehend, dass aus den Schallsignallaufzeiten die Schallgeschwindigkeiten und damit u. a. die Laplacesche Schalltemperaturverteilungen bestimmt werden.The spaces in which the arrangement is placed can be filled with any sound-conducting medium. The measuring device then generates data that provide information about a spatial and temporal change in the sound propagation speed in the space filled with a sound-conducting medium. If several sound transmitter and sound receiver combinations are operated in the room, then the identified sound reflexes lead to a volume-covering statement about the room air temperature. It is thus analyzed the reverberation or the echo of the sound signal in the room and to the effect that from the sound signal propagation times the sound velocities and thus u. a. the Laplacean sound temperature distributions are determined.

Erfolgt die Aussendung der Schallsignale schnell hintereinander, so kann aus der zeitveränderlichen Struktur der empfangenen Signale auf die zeitveränderliche Struktur des Temperaturfeldes im Raum geschlossen werden, was als Bewegungen im Medium interpretiert wird.If the emission of the sound signals occurs rapidly one after the other, the time-variable structure of the received signals can be used to deduce the time-variable structure of the temperature field in space, which is interpreted as movements in the medium.

Die Struktur der ausgesendeten Schallsignale ist so, dass diese an den Empfängern identifizierbar sind. Sender und Empfänger arbeiten mindestens mit einer solchen digitalen Zeitbasis, so dass aus einer Laufzeitänderung beispielsweise die Temperaturänderung auf der vom Schallsignal durchlaufenen Strecke ermittelbar ist. Dabei sendet die Schallquelle entweder ungerichtete oder gerichtete Schallsignale aus. Die am Empfänger registrierten Schallreflexe werden anschließend entweder gleichzeitig oder in zeitlicher Abfolge analysiert. Eine Trennung der Reflexe erfolgt durch eine Signatur der Schallsignale oder durch unterschiedliche geometrische Entfernungen der Reflektoren.The structure of the emitted sound signals is such that they can be identified at the receivers. Transmitter and receiver operate at least with such a digital time base, so that, for example, the change in temperature can be determined on the track traversed by the sound signal from a change in transit time. The sound source emits either undirected or directed sound signals. The sound reflexes registered at the receiver are then analyzed either simultaneously or in chronological order. A separation of the reflections is effected by a signature of the sound signals or by different geometric distances of the reflectors.

Ändert sich die Lufttemperatur zwischen zwei Messungen um 1 K auf einer Strecke, bei der der Schallreflektor 0,5 m entfernt ist, so erzeugt das im Signal einen Laufzeitunterschied von 5 μs. Soll eine solche Empfindlichkeit der Messung erreicht werden, dann sind die Schallsignale mit einer Genauigkeit von mindestens 200 kHz zur digitalisieren und einer Bearbeitung zuzuführen.If the air temperature changes between two measurements by 1 K on a distance at which the sound reflector is 0.5 m away, this produces a transit time difference of 5 μs in the signal. If such a sensitivity of the measurement is to be achieved, then the sound signals with an accuracy of at least 200 kHz are to be digitized and fed to a processing.

Über die Laufzeit tLZ auf dieser Strecke D (Entfernung zum Schallreflektor) wird die Laplacesche Schallgeschwindigkeit ermittelt: CL = 2·D·t –1 / LZ , was wiederum die Berechnung der akustischen virtuellen Lufttemperatur ermöglicht: Tav = (γ·R)–1·c 2 / L . Für Luft beträgt das Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten bei konstantem Druck und bei konstantem Volumen γ = 1,4 und die spezifische Gaskonstante R = 287,05 J/(kg K). Für andere chemische Zusammensetzung des den Raum ausfüllenden Mediums werden die dafür gültigen physikalischen Konstanten verwendet.Over the transit time t LZ on this distance D (distance to the sound reflector), the Laplacean speed of sound is determined: C L = 2 · D · t -1 / LZ , which in turn allows the calculation of the acoustic virtual air temperature: T av = (γ · R) -1 · c 2 / L , For air, the ratio of specific heat capacities at constant pressure and at constant volume is γ = 1.4 and the specific gas constant R = 287.05 J / (kg K). For other chemical composition of the medium filling the room, the valid physical constants are used.

Das im Raum eingeschlossene Medium muss nicht ausschließlich Luft sein. Das Medium, in dem sich die schallreflektierenden Flächen befinden, muss nur schallleitend sein (flüssig, fest). Die Anordnung ist also überall dort anwendbar, wo ein Medium von Schallreflexionsflächen umgeben ist, in dem Schallquelle und Schallsensor platziert werden können. In dem von Schallreflexionsflächen gebildeten Raum können weitere Schallreflexionsflächen angeordnet sein.The medium enclosed in the room does not have to be exclusively air. The medium in which the sound-reflecting surfaces are located must only be sound conducting (liquid, solid). The arrangement is thus applicable everywhere where a medium is surrounded by sound reflection surfaces, can be placed in the sound source and sound sensor. In the space formed by sound reflection surfaces further sound reflection surfaces can be arranged.

Die Anordnung registriert aus von einer Schallquelle gesendeten Schallsignale, die das Medium in verschiedenen Richtungen durchlaufen und an Hindernissen reflektierten werden, eine räumlich und zeitlich veränderliche Schallgeschwindigkeit. Anders als bei dem bekannten Echolotverfahren sind dabei die Entfernungen zu den Hindernissen bekannt und während des Messvorgangs unveränderlich, so dass aus einer veränderlichen Eintreffzeit des Echos nicht auf eine veränderte Entfernung zum Hindernis, sondern auf eine Veränderung in dem den Schall transportierenden Medium selbst geschlossen werden kann.The arrangement registers sound signals transmitted by a sound source, which travel through the medium in different directions and are reflected by obstacles, a spatially and temporally variable speed of sound. Unlike in the known sounder method, the distances to the obstacles are known and invariable during the measurement process, so that from a variable arrival time of the echo can not be closed to a different distance to the obstacle, but to a change in the sound transporting medium itself ,

Die Erfindung kann auf die Dämpfung der auf den Strecken übertragenen Schallsignale ausgedehnt werden. Über die Dämpfungsbestimmungen sind Aussagen zur Turbulenz und zum Wasserdampfgehalt der Luft möglich. Die Kombination der Laufzeitmessungen mit Schallabsorptionsmessungen ermöglicht eine Darstellung des Luftfeuchtefeldes.The invention can be extended to the attenuation of the transmitted sound signals on the routes. About the attenuation determinations statements about the turbulence and the water vapor content of the air are possible. The combination of transit time measurements with sound absorption measurements enables a representation of the air humidity field.

Die chemische Zusammensetzung des strömenden Gases bedingt, dass die Schallgeschwindigkeit sich verändert, da sich die Konstanten γ und R ändern. Eine Verteilung von gasförmigen Zusätzen, die sich von der Grundzusammensetzung des strömenden Mediums unterscheiden, sind mit dem beschrieben Verfahren ebenfalls detektierbar. Das ermöglicht eine Kontrolle von Begasungsexperimenten.The chemical composition of the flowing gas causes the speed of sound to change as the constants γ and R change. A distribution of gaseous additives other than the basic composition of the flowing medium is also detectable by the described method. This allows control of fumigation experiments.

Denkbar ist auch eine Registrierung der Zusammensetzung des Stoffes, in dem sich der Schall ausbreitet, sofern sich dessen Zusammensetzung und damit die davon abhängige Schallgeschwindigkeit ändert.It is also conceivable registration of the composition of the substance in which the sound propagates, provided that its composition and thus the speed of sound dependent thereon changes.

Schließlich ist es mittels der Anordnung möglich, die gegenseitige Lage von reflektierenden Flächen zu überwachen, da sich eine Lageveränderung in einer Änderungen der aufgezeichneten Schallreflexionsmuster niederschlägt. Finally, it is possible by means of the arrangement to monitor the mutual position of reflective surfaces, since a change in position is reflected in a change in the recorded sound reflection pattern.

Ausführungsbeispielembodiment

Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Anordnung an einem Beispiel erläutert. Erhalten werden sollen Aussagen zum Belüftungsverhalten von Räumen. Dazu ist in dem quaderförmigen Raum eine Messstelle angeordnet ( ). Die sechs Seitenflächen des Raumes stellen Schallreflektoren dar. Die dann zu analysierenden sechs Echos von den Raumwänden enthalten Informationen über die mittlere Temperatur auf diesen Reflexionswegen. So ist von einem Punkt im Raum aus mindestens in sechs Bereichen des Raumes die Temperatur gleichzeitig zu kontrollieren. Damit sind u. a. Aussagen zum Belüftungsverhalten des Raumes möglich.The arrangement according to the invention will be explained below using an example. To be obtained statements about the ventilation behavior of rooms. For this purpose, a measuring point is arranged in the cuboid space ( ). The six side surfaces of the room represent sound reflectors. The then six echoes from the room walls to be analyzed contain information about the mean temperature on these reflection paths. Thus, from one point in the room, the temperature can be controlled simultaneously in at least six areas of the room. Thus, among other things statements about the ventilation behavior of the room are possible.

In wird das Ergebnis der Messung gezeigt, das nach Analyse der registrierten Echos als Folge von alle zwei Sekunden ausgesendeten Schallsignalen ermittelt wurde. In einem Zeitfenster werden die zeitveränderlichen Ankunftszeiten der Echos aufgezeichnet ( oben) und dann die Raumlufttemperatur auf dem dazu identifizierten Reflexionsweg berechnet ( Mitte). Damit wurden gleichzeitig in den sechs Raumrichtungen (hier 5 gezeigt) von einem Punkt aus die Lufttemperaturänderungen auf diesen Reflexionswegen kontrolliert. Die Veränderung der Raumlufttemperatur erfolgt durch Öffnen und Schließen eine Fensters bzw. dem Zu- bzw. Abschalten von Heizkörpern. Raumlufttemperaturänderungen von 1/10 K sind so nachweisbar.In the result of the measurement, which was determined after analysis of the registered echoes as a consequence of sound signals emitted every two seconds, is shown. In a time window, the time-varying arrival times of the echoes are recorded ( above) and then calculate the room air temperature on the reflection path identified for this purpose ( Center). At the same time, the air temperature changes on these reflection paths were simultaneously checked in the six spatial directions (shown here) from a single point. The change in the room air temperature is done by opening and closing a window or the switching on or off of radiators. Room air temperature changes of 1/10 K are detectable.

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Claims (8)

Anordnung zum Vermessen von Schallgeschwindigkeitsverteilungen und daraus abgeleiteter Größen in Räumen unter Verwendung akustischer Signale, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Schallsender- und Schallempfängerkombinationen zum in kurzen zeitlichen Abständen wiederholten Aussenden und Empfangen von Schallsignalen bestimmter Signatur in dem Raum angeordnet sind, wobei die Schallsender- und Schallempfängerkombinationen mit einer Einheit zur Erzeugung von Schallimpulsen und zur Aufzeichnung und Analyse der empfangenen Signale verbunden sind.Arrangement for measuring sound velocity distributions and variables derived therefrom in rooms using acoustic signals, characterized in that one or more sound transmitter and sound receiver combinations are arranged for transmitting and receiving sound signals of a specific signature in the room at short time intervals, the sound transmitter and sound receiver combinations are connected to a unit for generating sound pulses and for recording and analyzing the received signals. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallsender definierte Schallsignalmuster aussendet, die am Schallempfänger identifiziert werden.Arrangement according to claim 1, characterized in that the sound transmitter emits defined sound signal pattern, which are identified at the sound receiver. Anordnung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Schallsender Schallsignalmuster aussendet, die in einen Frequenzbereich fallen, der durch Hintergrund- und Umgebungsgeräusche nicht oder nur geringfügig beeinflusst wird.Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that the sound transmitter emits sound signal pattern that fall within a frequency range that is not or only slightly influenced by background and ambient noise. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallsender Schallimpulse mit einer Frequenz aussendet, die sich abhängig von der zu bemessenden Raumgröße zwischen Hörschallbereich und Ultraschall (bis 100 kHz), vorzugsweise zwischen 12 und 14 kHz, liegen.Arrangement according to claim 1 to 3, characterized in that the sound transmitter emits sound pulses at a frequency which are dependent on the room size to be measured between Hörschallbereich and ultrasound (up to 100 kHz), preferably between 12 and 14 kHz. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallempfänger die Schallsignallaufzeit und den Pegel der Schallsignale erfasst.Arrangement according to claim 1 to 4, characterized in that the sound receiver detects the sound signal propagation time and the level of the sound signals. Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallempfänger die von dem Schallsender ausgesendeten Schallsignale nach der Reflexion an den im Raum befindlichen Gegenständen empfängt.Arrangement according to claim 1 to 5, characterized in that the sound receiver receives the sound emitted by the sound transmitter sound signals after reflection on the objects in space. Anordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Schallsender und Schallempfänger am gleichen Ort zur Bestimmung der Laufzeit der Schallsignale angeordnet sind.Arrangement according to claim 1 to 6, characterized in that sound transmitter and sound receiver are arranged at the same location for determining the duration of the sound signals. Anordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallsender- und Schallempfängerkombination an einem Punkt im Raum angeordnet ist, der sich an einer dezentralen Stelle befindet, so dass alle Schallreflexionsflächen sich in einem unterschiedlichen Abstand von der Schallsender- und Schallempfängerkombination befinden.Arrangement according to claim 1 to 7, characterized in that the sound transmitter and sound receiver combination is arranged at a point in the room, which is located at a decentralized location, so that all sound reflection surfaces are located at a different distance from the sound transmitter and sound receiver combination.
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