DE2608347B2

DE2608347B2 - Elektrische Einrichtung zum Erfassen und Speichern von periodischen Maschinengeräuschen

Info

Publication number: DE2608347B2
Application number: DE19762608347
Authority: DE
Inventors: Alessandro Di Berardino; Umberto Fazio; Antonio Mennella
Original assignee: Contraves Italiana SpA
Current assignee: Contraves Italiana SpA
Priority date: 1975-03-04
Filing date: 1976-03-01
Publication date: 1980-01-10
Also published as: CH607200A5; DE2608347A1; GB1548993A; NL7601984A; IT1033400B; BE839051A; JPS51112102A

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Einrichtung zum Erfassen und Speichern von periodischen Maschinengeräuschen, die ein Aufnahmegerät speichert sowie eine Wiedergabeeinheit aufweist, die gegebenenfalls eine beliebig wiederholbare Wiedergabe gestattet.

Bekannte Einrichtungen der eingangs erwähnten Art verwenden z. B. Magnetbandwiedergabegeräte oder elektronische Synthesizer, die kontinuierlich in Zeitabschnitten arbeiten; beide sind schwierig zu bedienen und haben eine begrenzte Leistungsfähigkeit, wie nachfolgend dargelegt wird.

Sowohl die üblichen als auch die mit Endlosband arbeitenden Magnetbandsimulatoren sind in der Wiedergabezeitdauer des Geräusches begrenzt; darüber hinaus benötigt die Auswahl der gewünschten Bestandteile in dem Falle, wo die meisten der Töne sich voneinander unterscheiden, eine bestimmte Zeit, so daß die Qualität und die Wiedergabe der Simulation verschlechtert ist; ein Rückspulen kann zwar durch Verwendung von Mehr-Spur-Bändern reduziert, jedoch nicht vermieden werden. Schließlich ist die Zuverlässigkeit dieser Einrichtungen gering und die benötigte Wartung und Instandsetzung sind notwendigerweise häufig und aufwendig, weil bewegte

·"· mechanische Teile und Baugruppen wie z. B. Tonköpfe, Band, einer dauernden Abnützung unterworfen sind. Elektronische Simulatoren, die auf der künstlichen Erzeugung von Tönen basieren und kontinuierlich in einem Zeitabschnitt arbeiten, traben andererseits eine starke Qualitätsbegrenzung der simulierten Töne, insbesondere, wenn es sich um einen komplexen und nur wenig harmonischen Ton handelt wie z. B. bei einem Motorgeräusch. Dann ist die Erzeugung in dem Frequenzbereich nahezu unmöglich

ι: und das erzeugte Ausgangsgeräusch ist daher notwendigerweise unbefriedigend.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Einrichtungdereingangs erwähnten Art zu schaffen, welche die vorerwähnten Nachteile der bereits bekannten

.'(ι Einrichtungen weitgehend vermeidet, wobei sie insbesondere unterbrechungslos, wirklichkeitsgetreu sowie zuverlässig periodische Geräusche, die einen begrenzten Frequenzumfang haben, wiedergeben kann und wobei diese Einrichtung voll elektronisch aufge-

.'■> baut ist. Beispielsweise soll eine Aufnahme, das Abspeichern sowie das Wiedergeben von Motorengeräuschen unter gleichbleibenden Bedingungen, z. B. bei konstantem Lauf möglich sein, wobei zwischen dem Zeitpunkt der Abfrage des gespeicherten Geräusches

jo und dem Zeitpunkt der Wiedergabe praktisch keine Zeitverzögerung auftritt, unabhängig davon, um was für ein gewünschtes Geräusch es sich auch handelt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung ge-

Γ) kennzeichnet durch:

a) die Verwendung von Analog-Digital-Analog-Datenverarbeitung unter Einsatz von Festwertspeichern;

b) die Abtastung einer Periode des Maschinenge-4(i räusches mit einer Frequenz, die dem bekannten

Nyquist-Prinzip entspricht;

c) durch wiederholendes, immer in einer gleichen Reihenfolge ablaufendes Abfragen der Festwertspeicher.

■»-ι Mittels dieser elektronischen Einrichtung kann ein Geräusch aufgenommen und gespeichert werden, wobei für eine praktisch endlose, unterbrechungsfreie Wiedergabe nur eine F'eriode des jeweiligen Geräusches aufgenommen und gespeichert werden muß. ,(ι Neben einer schnellen Zugriffmöglichkeit der abgespeicherten Geräusche weist die erfindungsgemäße Einrichtung auch eine vergleichsweise geringe notv. endige Speicherkapazität auf.

Durch die CH-PS 463808 ist es zwar bereits ber > kannt, z. B. Geräusche zu digitalisieren und zum Zwecke des Erkennens mit einem vorhandenen Signal zu vergleichen. Dabei werden jedoch komplizierte Berechnungen und Vei arbeitungen von den kodierten Zeichenfolgen durchgeführt, um statistische Merk-Mi male von besonderen Folgen verschiedener Länge zu bestimmen. Während der Erkennungsphase wird dann versucht, die aufgenommene Folge in einer Klasse unter den vielen vorhandenen Klassen einzusetzen. Im Gegensatz dazu braucht bei der erfin_h-, dungsgemäßen Einrichtung nach dem Kodieren der eingegebenen Information über die Amplitude in viele (z. B. hunderte) Werte keine Berechnung durchgeführt werden, insbesondere auch nicht bei der Wie-

dergabe. Ferner werden keine statistischen Merkmale bestimmt, sondern es wird gemäß einem Prinzip größter Ähnlichkeit, das sich auf genaue Gesetze und nicht auf statistische Daten stützt, gearbeitet. Auch wird hier das Eingangssignal nicht aufgenommen, um zu erkennen, ob es einem anderen ähnlich ist oder nicht, sondern um es praktisch identisch wiederzugeben. Die bei der CH-PS 463 808 vorgesehenen, komplizierten Berechnungen werden bei der erfindungsgemäßen Einrichtung durch einfache und angenäherte Mittel ersetzt, um eine Information über das Frequenzband des Geräusches und dessen Zeitverlauf zu bilden, ohne die Frequenzen des Geräusches zu tabulieren.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch das Merkmal des Anspruches 2 ist dabei eine kontinuierliche Wiedergabe des gespeicherten Geräusches z. B. für eine konstante Maschinendrehzahl möglich. Dagegen besteht gemäß des Merkmals des Anspruches 3 die Möglichkeit, ein abgespeichertes Geräusch sich verändernd wiederzugeben, wie dies beispielsweise beim An- oder Auslaufen einer Maschine gegeben ist. Dies kann bei der erfindungsgemäßen Einrichtung insbesondere mittels dev in Anspruch 4 wiedergegebenen Ausführung erreicht werden. Durch die Ausgestaltung gemäß Anspruch 5 ist das Eliminieren von Verzerrungen, die aus der Digital-Analog-Umwandlung herrühren, möglich. Gemäß Anspruch 6 sind die wesentlichen, zu einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung gehörenden Baugruppen aufgeführt.

Nachstehend ist die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand der Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigt

Fig. I eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufes des wirklichen Signals eines periodischen, zu simulierenden Geräusches (z. B. das Geräusch eines unter gleichbleibenden Bedingungen arbeitenden Motors),

Fig. 2 eine Veranschaulichung der Impulsabtastung des Signals,

Fig. 3 eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufes des simulierten Signals, wie ej nach dem Lesen des Speichers erscheint,

Fig. 4 eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufes des simulierten Signals am Ausgang,

Fig. 5 ein Blockdiagramm der Signa.labtastung und der Anordnung zur Speicherprogrammierung, und

Fig. 6 ein Blockdiagramm der elektrischen Einrichtung zur Tonsimulation.

In Fig. 1 ist dargestellt, wie ein periodisches Signal mit einer Periodendauer T aussehen kann, welches hier das Geräusch eines unter gleichmäßigen (Lauf-) Bedingungen arbeitenden Motors in einem Zeitabschnitt wiedergibt.

In Fig. 2 ist der Abtastvorgang dieses Signals gezeigt, der mit einer Frequenz arbeitet, die höher oder gleich dem doppelten der maximalen durch dieses Signal gegebenen Frequenz entspricht (Nyquist-Prinzip). Dieser Prozeß wird nur einmal, bezogen auf die Lunge des nicht überflüssigen Signals durchlaufen und wird bei dem Aufzeichnungsschritt der erfindungsgemäßen Einrichtung benötigt, um die Speicher ein für allemal zu laden. Wenn die Speicher in einer geeigneten Reihenfolge gelesen werden, erhallt man ein wiederholbares Signal (Fig. 3) mit der Periode T, das nach geeigneter Filterung zum Eliminieren der Oberwellen (Frequenz- unu Amplitudenverzerrung), das Originalsignal genau wiedergibt, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Erwähnt sei, daß die vorgenannten Oberwellen aus dem »getrennten, sprunghaften« Erzeugung;: prozeß stammen.

Das Blockdiagramm gemäß Fig. 5 enthält hintereinander geschaltet ein Bandgerät 1, das eingangsseitig das zu simulierende jeweilige Geräusch S aufnimmt, einen Block 2, der eine Meßvorrichtung darstellt, die anschließend beschrieben wird, eine Abtastvorrichtung 3, einen Analog-Digital-Wandler 4 eine logische Adressiereinrichtung S und einen Festwertspeicher 6, der programmierbar ist (PROM).

Wenn der Speicher mit einem periodischen Geräusch programmiert werden soll, wird zunächst dieses Geräusch S mit dem Bandgerät 1 aufgezeichnet. Mittels einer Spektral- und Zeitanalyse (Block 2) des aufgezeichneten Signals erhält man sowohl die maximale Signalfrequenz F und die Periodendauer T als auch die Anzahl .V der Nyquist-Abtastschritte des Signals. In dem Block 2 wird die Abtastperiode T = 'Λ F errechnet. Das von dem Band stan .aende elektrische Signal (Block 3) wird dann abgetastet jnd die einzelnen Abtastungen einer Signalperiode werden dann mit Hilfe des Konverters 4 in eine digitale Form umgewandelt.

Dur~h die Adressierlogik fi wird die Kette der digitalen Abtastungen entsprechend einer vorbestimmten Folge in einem Festwertspeicherblock des Speichers 6 gespeichert. Dieser Vorgang kann für verschiedene periodische Geräusche wiederholt wurden, indem jedesmal ein anderer Speicherblock benützt wird.

Fig. 6 zeigt die insgesamt einen Geräuschsimulator bildende elektrische Einrichtung mit dem Speicher 6, der in verschiedenen Blöcken der digitaler, Abtastungen der Periode verschiedener Signale beinhaltet. Ein Signalgenerator 7 ist mit einem Ausgang mit einem spannungsgesteuerlen Oszillator 8 verbunden, dessen Ausgang unter Zwischenschaltung eines Zählers 9 mit dem Speicher 6 verbunden ist. Der Ausgang dv', Speichers 6 ist mit einem Digital-Analog-Wandler 10 verbunden, dem nacheinander ein (Glättungs-) Filter 11, eir. Regelverstärker 12, eine Torstufe 13. ein Leistungsverstärker 14 und ein Lautsprecher 15 nachgeschaltet sind. Ein Steuerwerk 16 kann über externe Befehlssignale CE angesteuert werden und hat vier Ausgänge, die jeweils mit dem Signalgenerator 7, dem Zähler 9, dem Speicher 6 und mit der Torstufe 13 verbunden ist. Ein zweiter Ausgang des Signalgenerators 7 ist mit dem Regelverstärker 12 verbunden.

ι Die elektronischen Schaltkreise, die in Blockform in Fig. 6 gezeigt sind, sind in der einschlägigen, sich mit elektronischen Systemen befassenden Fachwelt bekannt und werden deshalb hier im Detail nicht beschn-.ben. Es werden jedoch nachfolgend die Funk-

; tionen derjenigen Schritte im einzelnen erläutert, die Teil des Geräusch simulators sind und diiekt mit diesem zusammenarbeiten.

Steuerwerk 16: Abhängig von den von außerhalb des Simulators kommenden Eingangsbefehlen (z. B.

) Motorstart, gleichbleibender Lauf, Anhalten des Motors, Simulieren von Störungen usw.) wählt er denjenigen Speicherblock an, der das gewünschte Geräusch beinhaltet und bereitet die elektronischen Schaltkreise des Geräuschsimulators vor zur Erzeugung ei-, ner korrekten Synchronisation und der Steuerfrequenzen, die in den übrigen Schaltkreisen benützt werden. Zwischen der Befehlseingabe und der Ausgabe des simulierten Geräusches vergeht etwa eine

Zeit in der Größenordnung von einer Millisekunde, die deshalb für die Simulation vernachlässigbar ist.

Signalgenerator 7: Er erzeugt das Zeitsignal für die Verstärkungsregelung des Vorverstärkers 12 und steuert den spannungsgesteuerten Oszillator 8 an, der die passende Frequenz zum Abfragen der gespeicherten Abtastimpulse erzeugt.

Spannungsgesteuerter Oszillator 8: Er erzeugt die Ansteuerimpulse (clocks) zum Abfragen der gespeicherten Abtastimpulse. In dem vorbeschriebenen Aiisfiihrungsbeispiel ist die Frequenz dieser Ansteucrinipulsc konstant und entspricht der Abtastfrequenz, wenn das zu simulierende Geräusch von einem gleichmäßig laufenden Motor herrührt und dauert ebenso lange wie der Abschnitt des gleichbleibenden Motorenlaufes. Dagegen nimmt diese Frequenz zu oder ab, je nachdem ob der Motor bis zur gleichmäßigen Drehzahl zunimmt oder ausläuft.

Zähler 9: Fr setzt die vorerwähnte impulsfolge in eine digitale Zahlenfolge um, die die Adressen der jeweiligen Speicherplätze kennzeichnet, die immer gelesen werden muß, um das Geräusch laufend zu erzeugen. Nur als erklärendes Beispiel sei angenommen, daß das Geräusch mit der Länge T, wie in Fig. 1 gezeigt, der Reihe nach in tausend Abtastschritten abgespeichert wird; wenn nun das Kommando zur Erzeugung eines Geräusches eines gleichmäßig laufenden Motors gegeben wird, wird der Zähler die folgende ununterbrochene Zahlenfolge erzeugen: 1, 2, 3, 4, ... 999, 1000, 1. 2, 3, 4, ... 999, 1000, 1, 2, 3, 4, usw.

Speicher 6: Er gehört zu dem vorerwähnten programmierbaren Festwertspeicher für die bereits dargelegten Funktionen; es sind dabei genauso viele Speicherbits vorhanden, wie sie der Anzahl der gespeicherten Abtastschritte, multipliziert mit der Bitzahl, durch die jeder Abtastimpuls in digitaler Form dargestellt ist, entspricht.

Digital-Analog-Wandler 10: Er setzt die Speicherausgangssignale von der digitalen in die analoge Signalform um; so daß sich die Wellenform wie in Fig. 3 gezeigt, ergibt.

Glättungs- oder Ausgleichsfilter 11: Es filtert die bekannten Frequenz- und Amplitudenverzerrungen weg,die von dem vorbeschriebenen (Fig. 3) Lesevorgang der Abtastimpulse herrühren und schafft somit ein Ausgangssignal wie in Fig. 4 gezeigt.

Regelverstärker 12: Seine Aufgabe ist es, die geeignete Ausgangsleistung zu erzeugen, die der des zu erzeugenden Geräusches entspricht.

Torstufe 13: Sie läßt das Signal nur in passenden Zeitintervallen durch und eliminiert unter anderem Ein- und Ausschaltgeräusche (Ein- und Ausschwingvorgänge) des Simulators.

Leistungsverstärker 14: Er steuert den Lautsprecher 15 am Ausgang an.

Kurz zusammengefaßt wird mittels der elektrischen Einrichtung folgendes durchgeführt: Die Abtastung eines zu simulierenden Geräusches, das Abspeichern der so erhaltenen Kette vor Abtastungen, das Lesen der Kette der gespeicherten digitalen Abtastungen, so daß sich eine digitale, periodische Wiedergabe de* Geräusches ergibt, das Umsetzen dieser digitaler Wiedergabe in eine analoge Form, das Eliminieren von Frequenz- und Amplitudenverzerrungen aus dem analogen Signal und Verwendung dieses analogen Signals in einem Wiedergabesystem zur Simulation de* Geräusches.

insgesamt eniiögüciii liei Gciäu!>Cn:>iiiiiiiäiui uic Durchführung eines Verfahrens, welches zum einen auf einer Impuls-Zeit-Abtastung des notwendigen, nicht überflüssigen (nicht redundanten) Teiles der zu simulierenden, ursprünglich vorliegenden Geräuschinformation beruht, auf dem systematischen Abspeichern der so erhaltenen Abtastungen in Festwertspeichern und auf dem systematischen (Aus-)Lesen diesei gespeicherten Abtastungen, wenn eine Wiedergabe (Simulation) des ursprünglichen Geräusches benötigi wird. Der benötigte Teil der Original-Geräuschin formation, ζ. Β. das Geräusch eines gleichmäßig laufenden Motors, entspricht dabei einer Umdrehung de< Motors, (in der restlichen Zeit ist das Geräusch eir genaues Abbild dieses Geräuschintervalles); entsprechend diesem Beispiel geschieht das Lesen der gespeicherten Abtastungen dauernd und unterbrechungslo* für jede Phase des gleichmäßigen Laufes des Motors Auf dem gleichen Prinzip der Nicht-Uberflüssigkeii der Geräuschinformation beruhend, bzw. das Beschränken auf einen notwendigen Zeitabschnitt (eine Periode) des Geräusches, kann die erfindungsgemäßc Einrichtung auch die Geräusche typischer Einschwingvorgänge wie z. B. das Anfahren oder Aus laufen von Turbinen oder Motoren erzeugen. In diesen Fällen wird das vorgenannte Lesen der gespeicherten Abtastungen bezüglich der Geräusche dei gleichlaufenden Turbine oder des Motors mit eine: jeweils ansteigenden oder abfallenden Frequenz vor genommen bzw. in der Zeit, die der Grundschwingunj des besagten physikalischen Phänomens entspricht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Einrichtung zum Erfassen und Speichern von periodischen Maschinengeräuschen, die ein Aufnahmegerät speichert, sowie eine Wiedergabeeinheit aufweist, die gegebenenfalls eine beliebig wiederholbare Wiedergabe gestattet, gekennzeichnet durch

b) die Abtastung einer Periode des Maschinengeräusches mit einer Frequenz, die dem bekannten Nyquist-Prinzip entspricht;

c) durch wiederholendes immer in einer gleichen Reihenfolge ablaufendes Abfragen der Festwertspeicher.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kette der gespeicherten digitalen Abiastimpulse wiederholend mit einer festen, vorbestimmten Frequenz gelesen wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kette der gespeicherten digitalen Abtastimpulse wiederholend mit einer Frequenz gelesen wird, die vorbestimmbar variabel ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Signalgenerator (7) aufweist, der mit einem spannungsgesteuerten Oszillator (8) verbunden ist, der einen Zähler (9) ansteuert.

5. Einrichtung narh Ansp-uch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Digital-Analog-Wandler ein Glättungs- und Ausgle-' rhsfilter (11) nachgeschaitet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerwerk (16) mit einem Speicher (6), einem Zähler (9), einem Signalgenerator (7) sowie mit einer einem Regelverstärker (12) nachgeschalteten Torstufe (13) verbunden ist.