DE2358085A1

DE2358085A1 - Verfahren und vorrichtung zum ermitteln der azimutalen lage einer schallquelle

Info

Publication number: DE2358085A1
Application number: DE19732358085
Authority: DE
Inventors: Daniel Audoynaud; Bernard Escudie; Alain Hellion
Original assignee: ERAP
Current assignee: ERAP
Priority date: 1972-11-22
Filing date: 1973-11-21
Publication date: 1974-05-30
Also published as: FR2207282A1; NL7316008A; FR2207282B1; LU68793A1; GB1430051A; IT1016025B; JPS4997651A; BE807214A

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln der azimutalen • Lage einer Schallquelle - .,·

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln der azimutalen Lage einer Schallquelle.

Die bekannten akustischen Meßverfahren gestatten die Bestimmung der an einer bestimmten Stelle erreichten Schalldruckhöhe. Sie lassen jedoch weder die Kenntnis des Ursprungs dieses Drucks zu, d.ho des Azimuts der Richtung der Lärmquelle oder der Lärmquellen noch der entsprechenden Anteile am Gesamtlärm verschiedener Schallquellen oder verschiedener Teile der Schallquellen, falls es sich um eine ausgedehnte Schallquelle handelt.

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Nun ist aber die Kenntnis dieser Faktoren wesentlich bei den Voruntersuchungen bei der Standortswahl eines Industriekomplexes oder einer Wohneinheit und bei der Lärmbekämpfung.

Eines der Ziele der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung dieser Beschränkungen durch das Ermitteln des Azimuts der Lärmquelle oder der Lärmquellen und der Winkelverteilung der an einer Stelle empfangenen Schallenergie.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Ermitteln der azimutalen Lage einer Schallquelle von beliebiger Frequenzbandbreite dadurch gekennzeichnet, daß der Azimut der Schallquelle gegenüber der Richtung einer feststehenden Basis ermittelt wird durch Bilden einer feststehenden Meßbasis mit zwei in einem bestimmten gegenseitigen Abstand angeordneten akustischen Empfängern, durch Messen der Länge der durch den Abstand zwischen den Empfängern gebildeten Basis und deren Ausrichtung gegenüber festen Markierungen, durch Messen der entsprechenden Autokorrelationsfunktionen auf unmittelbare Weise oder nach einer Zwischenaufzeichnung und der Interkorrelationsfunktion der gleichzeitig durch die beiden Empfänger gelieferten Signale, und durch Messen der zeitlichen Verschiebung der Signale, aus der der Azimut abgeleitet wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Signale der akustischen Empfänger in der Weise gefiltert, daß sie auf eine bestimmte Frequenzbandbreite begrenzt werden, und wird eine zu der durch die Filter übertragene Bandbreite umgekehrt proportionale Basislänge gewählt, wodurch eine konstante Richtungsauflösung in allen Frequenzbereichen erhalten wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird das Amplitudenverhältnis der Maxima zweier Korrelationsfunktionen gemessen, was die Bestimmung des Anteils der in der angepeilten Richtung gelegenen Schallquelle an der gesamten auf-

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genommenen Schallenergie gestattet.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Herstellung einer Vorrichtung zum Ermitteln der azimutalen Lage einer Schallquelle, die insbesondere zur Durchführung des genannten Verfahrens be- . stimmt ist.

Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zum Ermitteln der azimutalen Lage einer Schallquelle zum Inbetriebsetzen des genannten Verfahrens gekennzeichnet durch zwei akustische Empfänger, die fest mit einer feststehenden Basis Verbunden und gegeneinander in einem bestimmten Abstand angeordnet sind, durch eine Einrichtung zum Filtern der entsprechenden von den Empfängern ausge- *■ sandten Signale in einem vorgegebenen Durchläßbereich, durch eine Einrichtung zum Verstärken der auf diese Weise gefilterten Signale, durch eine Einrichtung zum automatischen Berechnen der Autokorrelationsfunktionen der verstärkten Signale und der Interkorrelationsfunktionen dieser Signale, und durch eine Einrichtung zum analogen Darstellen dieser Funktionen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung enthält die Einrichtung zum analogen Darstellung der genannten Funktionen einen gesteuerten Zeichentische

Die Verwendung dieser Vorrichtungen gestattet das leichte Bestimmen der Werte der genannten Funktionen, die bei der Berechnung des Azimuts der Schallquelle teilnehmen.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Darin zeigt;

Fig. 1 ein Schema einer bei dem erfindung"sgemäßen Verfahren verwendeten Meßbasis;

Figο 2 eine schematische Darstellung der Verschiebung zwischen

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den SchallmesserSignalen der Basis der Fig. 1;

Fig. 3 ein theoretisches Diagramm der Auto- und Interkorrelationsfunktionen der Meßgerätsignale;

Fig. 4 ein Beispiel für Autokorrelationsfunktionen; Fig. 5 die entsprechende Interkorrelationsfunktion;

Fig. 6 eine schematische Darstellung der grafischen Standortsbestimmung der Schallquelle;

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine Meßbasis mit zwei ähnlichen akustischen Empfängern 1, die durch einen durch die Länge der Basis gebildeten Abstand d getrennt sind. Zwei Schallquellen 2 und 3 strahlen Schall mit einer großen Frequenzbandbreite aus. Pfeile f stellen eine Reihe von Schallquellen dar, die einen Schall mit gleichförmiger räumlicher Verteilung erzeugen, der sich dem von den Schallquellen 2 und 3 ausgestrahlten Schall überlagert.

Die Empfänger können Schallmesser oder Mikrophone von dem Fachmann wohlbekannter Art sein, wobei jeder von ihnen mit einem selbst in gleicher Weise bekannten Korrelator 4 verbunden sind, der automatisch die Auto- und Interkorrelationsfunktionen der von den Schallmessern oder den Mikrophonen 1 gelieferten Signalen liefern kann. Nicht gezeigte Bandfilter sind zwischen jedem Empfänger und dem Korrelator eingeschaltet, um die Signale auf eine Frequenzbandbreite 2B zu begrenzen, die z.B. gleich einer Oktav oder dem Bruchteil einer Oktav ist.

Man kann selbstverständlich zuerst die Signale der Schallmesser 1 z.B. auf Magnetband aufzeichnen, um sie dann auf den Korrelator 4 zu übertragen.

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Die Frequenzbandbreite 2B kann nach einer vorherigen Aufzeichnung und einer Analyse des am Ort der Basis aufgenommenen Schalls gewählt werden. Man kann z.B. das Signal eines einzigen Empfängers aufzeichnen und seine Autokorrelationsfunktion berechnen sovie die Fourieranalyse (Spektraldichte) dieser Funktion ausführen, ' die unmittelbar die Bandbreite 2B liefert.

Fig. 2 zeigt die Basis mit einer Länge d und die bei jedem Schallmesser 1 ankommenden Strahlungen 5 und 6, die von einer in einer Richtung 7 gelegenen Schallquelle.stammen. Diese Richtung schließt mit der Normalen 8 zur Basis einen Winkel a ein. Es ist unmittelbar zu sehen, daß die Laufdifferenz zwischen den bei den Schallmessern ankommenden akustischen Signalen gleich 1 = d sin a ist, dem eine Verzögerung t_ = l/v entspricht, wobei ν die Schallgeschwindigkeit in Luft ist.

Die Auto- und Interkorrelationsfunktionen A bzw. I haben eine für das Frequenzband 2B praktisch, konstante Spektraldichte und sind in Fig. 3 dargestellt, wo auf der Abszisse der zeitliche Korrelationsabstand c aufgetragen ist. Bekanntlich ist für derartige Signale die Autokorrelationsfunktion gegeben durch den Ausdruck A = P sin (2¹W Bc)/TTc/ in dem P die dem Signal entsprechende mittlere quadratische Energie ist. Die Interkorrelationsfunktion I der von den beiden Schallmessern aufgenommenen Signale hat den gleichen Verlauf wie A, ist jedoch gegenüber dieser um das Zeitintervall t verschoben. Die beiden Funktionen A und I haben ein Maximum mit einer Breite m = l/B.

Die Laufdifferenz 1 zwischen den bei den beiden Schallmessern ankommenden akustischen Signalen ist sehr gering, wobei die von den beiden Schallmessern gelieferten Autokorrelationsfunktionen A der beiden Signale praktisch identisch sind.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Situation erhält man zwei den beiden -keoi&a- Schallquellen 2 und 3 entsprechende Korrelationsfunktionen A und I, die im allgemeinen in unterschiedlichen Frequenzbändern liegen und folglich leicht getrennt werden können.

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Wenn die Schallquellen 2 und 3 im gleichen Frequenzband ausstrahlen, erhält man eine Autokorrelationsfunktion A, deren Amplitude zu Beginn die durch die beiden Schallquellen bedingte mittlere Energie darstellt, die am Ort der Meßbasis aufgenommen wird. Für diesen Fall hat die Interkorrelationsfunktion ι zwei Maxima, die gegenüber dem Maximum der Autokorrelationsfunktion

um Intervalle t und t¹ verschoben sind, die entsprechend den oo

Richtungen den beiden Schallquellen entsprechen.

Die von den Mehrfachschallquellen f erzeugten Signalen, erzeugen einen allseits gerichteten Schall und haben untereinander zufällige Phasenbeziehungen. Ihr Beitrag zur Interkorrelationsfunktion I äußert sich durch sehr zahlreiche Maxima mit sehr geringer Amplitude, die entlang der Abszisse zufällig verteilt sind. Daraus ergibt sich eine Verschiebung h der Funktion I parallel zur Ordinate.

Die Schallquellen f tragen andererseits zur Vergrößerung der Amplitude des Maximums der Autokorrelationsfunktion A bei.

Es ist zu sehen, daß die zeitliche Verschiebung t zwischen den Maxima der Korrelationsfunktionen A und I gemessen und daraus unmittelbar die Laufdifferenz i und der Winkel a abgeleitet wird.

Die Schätzung und die statistische Genauigkeit der Schätzung des Intervalls t hängen offensichtlich von der Breite m der Maxima der Korrelationsfunktionen ab. Diese Maxima sind umso ausgedehnter, -je geringer ihre Bandbreite B ist. Um eine zufriedenstellende Richtungsauflösung zu erhalten, sieht die Erfindung die Verwendung einer Meßbasis vor, deren Länge d umso größer ist, je schmäler die Frequenzbandbreite B ist. Die Längenzunahme der Basis für ein schmales Frequenzband gleicht die Unbestimmtheit bei der Messung von t aus, die sich aus der Ausdehnung der Maxima der Korrelatioasfunktionen A und I ergibt.

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Andererseits stellt die Amplitude des Maximums der Interkorre-

lationsfunktion als Folge des Anteils des diffusen Schalls die

mittlere quadratische Energie dar/ die in Richtung der Basis von

der Schallquelle ausgestrahlt wird *" deren Richtung der Lage dieses Maximums entspricht_o

Der Anteil des zufälligen Schalls kann leicht beseitigt werden durch Ziehen einer Achse (Fig. 3), die durch die aufeinanderfolgenden Wendepunkte der Funktion T geht, und durch Messen der Amplitude des Maximums dieser Funktion gegenüber dieser Achse 9. Wenn man ebenfalls die Amplitude des Maximums dieser Funktion A gegenüber dieser" gleichen Achse 9 mißt und wenn man das Verhältnis dieser Amplituden dieser beiden Maxima herstellt, erhält man ein Maß für den Anteil der in der Richtung- a gelegenen Schallquelle am Gesamtschall, der von allen kohärenten Schallquellen, etwa 2 und 3, stammt»

Man kann ebenfalls die Amplitude des Maximums der Funktion A gegenüber der Koordinatenachse, 11 messen und erhält dann den Anteil der in der Richtung a gelegenen Schallquelle am Gesamtschall, der an der Basis empfangen wurde und ebenso von den inkohärenten Schallquellen f wie von den kohärenten Schallquellen 2 und 3 stammt.

Eine erfindungsgemäße und in Fig. 7 schematisch dargestellte Vorrichtung enthält zwei genau identische akustische Empfänger 5Ϊ und 52, die um den die Länge der Basis darstellenden Abstand d voneinander getrennt sind. Die Empfänger 51 und 52 können Schallmesser oder Mikrophone bekannter Bauart sein. Der Empfänger 51 ist mit einem Bandfilter 53 verbunden, das seinerseits mit einem Verstärker 55 verbunden ist. Der Empfänger 52 ist ebenso mit.einem Filter 54 und mit einem Verstärker 56 verbunden. Die Ausgänge der Verstärker 55 und 56 sind an einen Korrelator 57 angeschlossen, dessen Ausgang parallel mit einem Oszillographen 58 und einem gesteuerten Zeichentisch 59 verbunden ist. . -

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Im Betrieb liefert der Empfänger 51 Signale X, während der Empfänger 52 Signale Y liefert, wobei diese Signale von den genannten Kreisen verarbeitet werden.

Falls man die Signale nicht an Ort umd Stelle zu verarbeiten wünscht, ist ein Anschluß der Schallsesser 51 und 52 an ein stereophonisches Magnetophon 61 vorgesehen, dessen Aufzeichnung später im Labor verarbeitet wird.

Mit der oben beschriebenen Vorrichtung wurden Versuche durchgeführt. Bei dem im folgenden beschriebenen Versuch betrug die Meßbasis d 5 m und war bezogen auf den magnetischen Nordpol auf den untersuchten Ort ausgerichtet. Hie Bandbreite 2B der untersuchten Signale entsprach der auf 5QO Hz eingemifctelten Oktav und betrug daher 354 Hz.

Auf dem gesteuerten Zeichentisch. 59 wurden die Äutokorrelationskurven 21 und 22 (Fig. 4) und die Irtterkorrelationskurve 23 (Fig. 5) der von den Schallmesserra 51 und 52 empfangenen Signale aufgetragen·

An der Kurve 23 wurde die zeitliche Verschiebung t von 11,5 Millisekunden gemessen, die einem Winkel a entspricht, der

und. etwa 51° beträgt.

Diese Angabe kann verwendet werden entweder durch unmittelbare Beobachtung am Theodoliten oder im Hinblick auf die Richtung auf der Karte des Orts (Fig. 6} . Man bestimmt somit den Azimut der Schallquelle 61, die im genannten Band aussendet- Der aus dieser Richtung stammende Anteil der Scüialleiiergie an der empfangenen gesamten Schallenergie wird gebildet durch das Verhältnis des Amplitudenmaximums der Interkorrelationsfunkfcion bei der betrachteten Verzögerung t und des geometrischen Mittels der von den Autokorrelationsfunktionen stammenden Amplituden. Dieses Verhältnis beträgt 8,2 bis 64 _r was einen Anteil von 13 % für

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die in einer Richtung von 51° angepeilte Schallquelle ergibt. Dieser Wert für den Anteil gestattet die Bestimmung durch dem Fachmann bekannte Berechnungsmethoden der akustischen Druckhöhen aufgrund der einzigen angepeilten Schallquelle bzw. des Grundschalls in der Schallquelle ausgehend von der Höhe des Gesamtdrucks. ■ _·'""

Es ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren die räumliche Anpeilung der Schallquellen für einen an einer gegebenen Stelle empfangenen Schall und die Bestimmung des Anteils an S'chaHenefgie jeder angepeilter Schallquelle gestattet. Die erzielte Genauigkeit liegt in der Größenordnung des Grads für _ die Richtung und beträgt einige Prozent für den Anteil am Gesamtschall, wobei diese Werte vom Band B abhängen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt eine verhältnismäßig leichte und wenig Platz einnehmende Meßstation dar, die leicht an den Standort transportiert werden und unmittelbar das gesuchte Ergebnis geben kann. Man kann auch nur akustische Empfänger und ein magnetisches Aufzeichengerät transportieren und dann die Auswertung im Labor durchführen.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Ermitteln der azimutalen Lage einer Schallquelle von beliebiger Frequenzbandbreite, dadurch gekennzeichnet, daß der Azimut der Schallquelle gegenüber der Richtung einer feststehenden Basis ermittelt wird durch Bilden einer feststehenden Meßbasis mit zwei in einem bestimmten gegenseitigen Abstand angeordneten akustischen Empfängern, durch Messen der Länge der durch den Abstand zwischen den Empfängern gebildeten Basis und deren Ausrichtung gegenüber festen Markierungen, durch Messen der entsprechenden Autokorrelationsfunktionen auf unmittelbare Weise oder nach einer Zwischenaufzeichnung und der Interkorrelationsfunktion der gleichzeitig durch die beiden Empfänger gelieferten Signale, und durch Messen der zeitlichen Verschiebung der Signale, aus der der Azimut abgeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das auswählende Aufsuchen der Schallquelle der Richtung nach durch Filtern der von den Empfängern ausgesandten Signale in der Weise geschieht, daß diese Signale auf ein Frequenzband bestimmter Breite begrenzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Richtungsauflösungsvermögen konstant gehalten wird durch Wahl einer Basislänge, die umgekehrt proportional der Frequenzbandbreite und/oder der durch die Filter übertragenen mittleren Frequenz ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der untersuchten, Schallquelle an der gesamten empfangenen Energie gemessen wird durch Messung des Verhältnisses der maximalen Amplitude der Interkorrelationsfunktion zum geometrischen Mittel der von den Autokorrelationsfunktionen stammenden Amplituden.

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5. Vorrichtung zum Ermitteln der azimutalen Lage einer Sehall« quelle zum Inbetriebsetzen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch zwei akustische Empfänger, die fest mit einer feststehenden Basis verbunden und gegeneinander in einem bestimmten Abstand angeordnet sind, durqh eine Einrichtung zum Filtern der entsprechenden von den Empfängern ausgesandten Signale in einem vorgegebenen Durchlaßbereich, durch eine Einrichtung zum Verstärken der auf diese Weise gefilterten Signale, durch eine Einrichtung zum automatischen Berechnen der Autokorrelationsfunktionen der verstärkten Signale und der Interkorrelationsfunktionen dieser Signale, und durch eine Einrichtung zum analogen Dar^ stellen dieser Funktionen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die akustischen Empfänger Sehallmesser sind,
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die akustischen Empfänger Mikrophone sind,
8.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekenn** zeichnet, daß die Vorrichtung zum analogen Darstellen der Funktionen einen Kathodenstrahloszillographen enthält.

9, Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum analogen Darstellen der Funktionen einen gesteuerten Zeichentisch enthält.

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