DE3511248A1 - Verfahren zur feststellung von akustischen knallsignalen und anordnung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH PTL-UL/Wa/lh Theodor-Stern-Kai 1 UL 84/87a

D-6000 Frankfurt 70

Beschreibung

Verfahren zur Feststellung von akustischen Knallsignalen und Anordnung zur Durchfühi'ung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gattungsgemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der Detektion kurzer Schallsignale, z.B. zur Ortung der Mündungsknalle von Geschützen. Geschoßknalle oder Einschlagsknalle entsteht das Problem, daß neben diesen Knallsignalen auch Dichteschwankungen und Strömungen auftreten, die sich mit geringerer als Schallgeschwindigkeit fortpflanzen. Diese Störungen bzw. die durch sie hervorgerufenen Druckschwankungen rufen an Schallsensoren einen sogenannten "Pseudoschall" hervor. Ein typisches Beispiel sind Windgeräusche an Mikrofonen.

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Sie treten nicht stationär auf. Diese Luftbewegungen (einzelne Windböen und -Wirbel) erzeugen im Schallsensor Hörsignale, die ähnlich wie Knalle häufig recht kurz sind und deshalb auch von erfahrenen Schallauswertern nicht von echten Knallen unterschieden werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das erlaubt, in einfacher und zuverlässiger Weise Knallsignale aus Störsignalen mit niedriger Falschalarmrate herauszufinden.

Insbesondere soll zur Durchführung des Verfahrens verwendete Anordnung die Knallsignale mit hoher Detektionswahrscheinlichkeit erfassen und auswerten.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Verfahrensschritte und Merkmale der Ansprüche 1 und 2 in vorteilhafter Weise gelöst.
Weitere vorteilhafte Anordnungen und Weiterbildungen sind aus den Unteransprüchen entnehmbar.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert.

In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

FIG. 1 Prinzipielle Anordnung von akustischen Sensoren zur Detektion von Knallsignalen im Falle des Einsatzes von zwei Sensoren; 30

FIG. 2 Peilkreuzanordnung mit vier Mikrofonen.

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Die Erfassung und Auswertung von beispielsweise bei Verlassen der Mündung oder beim Einschlag eines Geschosses auftretenden akustischen Knallsignalen sind oft mit Hörgeräuschen insbesondere durch Windgeräusche, im weiteren "Pseudoschall-Signale" genannt, verfälscht.

Da Knallsignale auf Druckschwankungen beruhen, die sich infolge der Elastizität der Luft mit Schallgeschwindigkeit ausbreiten, kann ein akustischer Sensor, vorzugsweise ein Mikrofon_r diese Druckschwankungen in ein weitgehend gleichwertiges elektrisches Signal umwandeln.

"Pseudoschall-Signale" entstehen durch strömende Luft (Wind); die Ursache bewegt sich daher nicht mit Schallgeschwindigkeit, sondern wesentlich langsamer und der vom Mikrofon gewandelte Druckverlauf entsteht erst dadurch, daß das Mikrofon, das nicht materielos ist, sondern die Luftbewegung behindert ^ kurzlebige Windwirbel verursacht.

Typisch für "Pseudoschall" ist also, daß seine Ursache sich erheblich langsamer als mit Schallgeschwindigkeit ausbreitet und daß das Hindernis, das der Sensor selbst im bewegten Medium darstellt, zumindest teilweise für die Entstehung von "Pseudoschall" mitbestimmend ist.

Deshalb dient vorzugsweise als Unterscheidungskriterium-Knallsignal, "Pseudoschall-Signal" - der unterschiedliche Erfassungszeitpunkt des auftretenden Empfangssignals an den vorzugsweise in einem vorgegebenen Abstand zueinander stehenden akustischen Sensoren.

Damit die Entstehungsursache, d.h. ist es ein echtes Knallsignal oder ein "Pseudoschall-Signal", mit hoher Wahrscheinlichkeit erkannt werden kann, sind mindestens zwei Sensoren einzusetzen.

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Vorzugsweise wird ein echtes Knallsignal dadurch erkannt, daß beispielsweise zwei hochempfindliche Mikrofone mit nachgeschalteten Detektionseinheiten quasi gleichzeitig ein Signal erfassen. Das vorgegebene Zeitfenster Jt', innerhalb dessen zwei Erfassungen als "gleichzeitig" betrachtet werden, ergibt sich als Summe aus:

a) der Schall-Laufzeit zwischen den beiden Mikrofonen und

b) dem Zeittoleranzbereich at für eine Erfassung» Letzterer sollte vorzugsweise eine Halbwelle des Knallsignals, d.h. bei einer Knallgrundfrequenz beispielsweise von 10 Hz eine Zeit von 50 ms nicht unterschreiten.

Aus der letzten Angabe (50 ms) erhält man den zu wählenden Minimalabstand der Mikrofone:

Nimmt man eine Geschwindigkeit der Störung von 20 m/s und einen maximalen Einfallswinkel oc zur Mikrofonbasis mit cos oc = 0,1 an, so sollten 10 m nicht unterschritten werden, damit eine Windstörung nicht doch "gleichzeitig" beide Mikrofone erreicht.

Eine Abschätzung des Maximalabstandes erhält man aus der Häufigkeit von "Pseudoschall"; die Wahrscheinlichkeit, daß innerhalb des Zeitfensters 4t' ein weiteres Störsignal auftritt, soll vernachlässigbar sein. Geht man davon aus. was die Praxis zeigt, daß ein Störsignal ca. alle 15 s auftritt, so ergibt sich, daß in ca, 2% aller Fälle innerhalb eines Zeitfensters von 300 ms ein weiteres Störsignal auftritt ; dieses Zeitfenster entspricht einem Mikrofonabstand von 100 m.
Der Abstand der Mikrofone sollte also vorzugsweise zwisehen 10 und 100 m liegen.

Vorzugsweise ist die Anordnung der Sensoren (Mikrofone) so zu wählen, daß die Verbindungslinie der Sensoren nicht

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senkrecht zur Strömungsrichtung des bewegten Mediums liegt, damit die "Pseudoschall" erzeugende Störung nicht gleichzeitig die Sensoren erreicht.

FIG. 1 zeigt eine prinzipielle Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Zwei akustische Sensoren 1, 2, vorzugsweise akusto-elektrische Wandler (beispielsweise Mikrofone)j sind zur bekannten Windrichtung bevorzugt so angeordnet, daß die Verbindungslinie der Sensoren 1, 2 nicht senkrecht zur Strömungsrichtung 3 des bewegten Mediums liegt (also oc ^ 90°), sondern unter einem Einfallswinkel oc zur Mikrofon-Verbindungslinie von beispielsweise höchstens 85° liegt,

Damit in beiden Mikrofonen eine Windstörung möglichst selten "gleichzeitig", d.h. innerhalb des vorgegebenen Zeitfensters Jf auftritt, ist entsprechend der auftretenden maximalen Windgeschwindigkeiten, beispielsweise bei 20 m/sec ein Mindestabstand der Mikrofone von d = 10 m einzuhalten.

Vorzugsweise ist die Anordnung der Sensoren 1, 2 in der Art einer Wetterfahne zu wählen, da dadurch immer oc xr 0 ° ist; der Mikrofonabstand kann dadurch minimalisiert werden (bis ca. 1 m ),

Wenn nun ein akustisches Signal auftritt, so wird es entsprechend dem Abstand von Entstehungsort - Sensorort in dem zum Entstehungsort nächstliegenden Sensor 1 zuerst erfaßt, wenn ein vorgegebener vom Grundstörpegel abhängiger Schwellwert, beispielsweise ein Spannnungspegel in der nachgeschalteten Detektionseinheit 4 überschritten wird (Sensor 1 im Beispielsfall);

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zu diesem Zeitpunkt wird mit Hilfe des Ausgangssignals der Detektionseinheit des Sensors eine Torschaltung 6 beispielsweise aktiviert, die daraufhin ein Jf-langes Ausgangssignal liefert«

Wird nun im zweiten Sensor 2 ein Signal innerhalb der Zeit Jf detektiert, so sind diese detektierten Signalanteile des akustischen Signals als von einem echten Knallsignal herrührenden zu interpretieren, da von Windgeräusche verursachten Signale nicht innerhalb dieses Zeitfensters Jfin beiden Sensoren 1, 2 "gleichzeitig" auftreten können.

Wird in einem der Sensoren 1, 2 kein Eingangssignal während der Zeit Jf registriert, so war auch kein Knallsignal aufgetreten,
Die Auswertung kann beispielsweise in einfacher Weise mittels einer mit den Ausgängen der Detektoreinheiten k_f 5 verbundenen UND-Schaltung 7 durchgeführt werden- Wenn in allen Sensoren ein Empfangssignal während der Zeit Jf detektiert wird, liefert die UND-Schaltung 7 ein Ausgangssignal A, das gleichzeitig geeignet ist als Einschaltkriterium für eine Knallauswertungseinheit.

Mit Hilfe eines Mikrorechners, der die erzeugten Ausgangssignale aller Detektionseinheiten speichert und ihre dazugehörigen Erfassungszeitpunkte festhält, ist eine kontinuierliche Abfrage - ist innerhalb des momentan abgelaufenen Zeitfensters Jf in allen Detektionseinheiten k_t 5 ein schwellwertüberschreitendes Signal detektiert worden, d.h. ein Knallsignal aufgetreten - durchführbar.

Durch die Benutzung dreier nicht in einer Linie angeordneter Mikrofone, können in vorteilhafter Weise auch jene Windgeräusche erkannt werden, deren Ursache sich senkrecht zur Verbindungslinie zweier Mikrofone bewegt und deshalb beide zugleich erreicht.

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Im Falle einer Anordnung als gleichseitiges Dreieck kann die Mikrophonentfernung auf zwei Meter verkürzt werden, bei rechtwinkliger Anordnung auf 1,5 m.

Das rechtwinklige gleichseitige Dreieck ist zu bevorzugen; jedoch eine andere geometrische, beispielsweise eine den auftretenden Windrichtungen angepaßte Anordnung, in der ein echtes Knallsignal innerhalb &tf, "gleichzeitig" sozusagen, in allen Mikrofonen erfaßt wird und "Pseudoschall"-Signale zumindest bei einem Mikrofon (welches spielt keine Rolle) nicht innerhalb von &t! erfaßt werden j ist denkbar.

FIG, 2 zeigt eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, die gleichzeitig die automatische Ortung des Entstehungsortes des Knallsignals erlaubt.

Vorzugsweise sind dort vier identische Sensoren 10, 11, 12, 13, beispielsweise Mikrofone in Form eines Peilkreuzes angeordnet. Der Mikrofonabstand d ist entsprechend dem vorher Gesagten (100m < d > 10m) zu wählen.

In vorteilhafter Weise bietet sich hierbei eine 4-fache Erfassung in k Mikrofonkanälen an mit einem durch den maximal auftretenden Abstand zwischen zwei Mikrofonen vorgegebenen Zeitfenster Jtf.
In FIG, 2 sind die Mikrofone mit nachgeschalteten Verstärkern lk (wie in FIG, 1) ausgerüstet.

Die Verstärkerausgangssignale werden in den nachfolgenden vorzugsweise mit einer Schwelle ausgestatteten Detektionseinheiten 15, l6, 17, l8 detektiert. Wenn in einer Detektionseinheit, beispielsweise 15_; das Empfangssignal den Schwellwert überschritten hat, so liefert diese Detektionseinheit 15 ein Ausgangssignal A15-Aus den ermittelten Laufzeitunterschieden zwischen den in

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den Sensoren empfangenen Knallsignalanteilen des Knallsignals ist der Entstehungsort des Knallsignals, beispielsweise mittels eines Mikrorechners M bestimmbar. Es ist ein echtes Knallsignal, wenn alle Signalanteile innerhalb des vorgegebenen durch den Mikrofonabstand bestimmten Zeitfensters ZJt' in den Mikrofonen 10_; 11, 12, 13 eintreffen. Diese Abfrage kann beispielsweise mit Hilfe des Mikrorechners durchgeführt werden,
Vorzugsweise kann zur Unterstützung der Erfassung der Knallsignale und Unterscheidung der Knallsignale von "Pseudoschall-Signalen" parallel dazu ein DetektionsalgorithmuSj wie er in P Jk 27 010.8 beispielsweise vorgeschlagen ist. eingesetzt werden.

Natürlich ist es auch möglich, dieses Verfahren in Flüssigkeiten (beispielsweise unter Wasser) zur Erfassung und Ortung von auftretenden Knallsignalen und Unterscheidung der Knallsignalen von "Pseudoschall" einzusetzen.

Claims (8)

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH PTL-UL/Wa/lh Theodor-Stern-Kai 1 UL 84/87a D-6000 Frankfurt 70 Patentansprüche

1. Verfahren, mit welchem das Vorhandensein von von einem entfernten Körper abgegebenen akustischen Knallsignalen mittels akustischer Sensoren feststellbar ist, auch dann, wenn insbesondere durch Windgeräusche verursachte Störsignale vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein auftretendes Signal als Knallsignal interpretiert wird_? wenn dieses Signal gleichzeitig in allen vorhandenen, mindestens zwei akustischen Sensoren (l, 2) innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters £f& auftritt, daß die Größe des Zeitfensters /J(V durch die Summe (^f = at

+ At₀) der auftretenden maximal möglichen Schallaufzeitdifferenz at des Knallsignals zwischen den Sensoren und dem vorgegebenen Zeittoleranzbereich Ut₀ für die Erfassung des Knallsignals vorgegeben wird,
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daß der Abstand (d) zwischen zwei Sensoren (l, 2) mindestens so gewählt wird, daß die von der Einfallsrichtung (3) der Störung zur Sensoranordnung abhängige Laufzeitdifferenz UT des auftretenden Störsignals zwischen mindestens zwei Sensoren (1. 2) größer ist als das vorgegebene Zeitfenster

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, dadurch gekennzeichnet,

daß die akustischen Sensoren (1, 2) die empfangenen akustischen Signale in entsprechende elektrische Signale umsetzen.

daß den Sensoren Detektionseinheiten (4, 5) nachgeschaltet sind, die beim Auftreten eines einen vorgegebenen Schwellwert überschreitenden Signals in den akustischen Sensoren ein vorgegebenes Ausgangssignal liefern, daß j wenn innerhalb des vorgegebenen Zeitfensters ^f in allen akustischen Sensoren (l, 2) ein Schwellwert überschreitendes akustisches Signal auftritt, eine nachfolgende Auswerteschaltung (8 ) ein vorgegebenes Ausgangssignal (A) liefert,

daß die Lage und der Abstand (d) zumindest zwischen zwei Sensoren (1, 2) so gewählt ist, daß ein gegenüber dem Knallsignal langsamer sich ausbreitendes Störsignal zumindest bei einem Sensor (2) außerhalb des vorgegebenen Zeitfensters Zfc auftritt.

3- Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Knall- und Stöi-signale zwei akustische Sensoren (l, 2) dienen,

daß die Anordnung der akustischen Sensoren (1, 2) zur Einfallsrichtung (3) der Störung so gewählt ist, daß das

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erzeugte Störsignal zu verschiedenen Zeiten mit einer Laufzeitdifferenz von ZjT >fttS bei den Sensoren (1, 2) eintrifft.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Knall- und Störsignale drei akustische Sensoren dienen,

daß diese Sensoren in einer nichtlinearen Anordnung zueinander aufgebaut sind.

5· Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis k, dadurch gekennzeichnet.

daß zur automatischen Ortung des Entstehungsortes der Knallsignale vier akustische Sensoren (10, 11, 12, 13) in Form eines Peilkreuzes angeordnet sind und daß eine Auswerteschaltung (8) aus den Laufzeitunterschieden zwischen den in den Sensoren (10, 11, 12, 13) auftretenden Knallsignalanteilen des Knallsignals den Entstehungsort des Knallsignals ermittelt.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Maximalabstand der Sensoren untereinander so gewählt ist_; daß innerhalb des vorgegebenen Zeitfensters üft£ die Wahrscheinlichkeit eines weiteren auftretenden Störsignals gering ist.

7- Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Abmessungen der Sensoren (l_r 2, 10, 11, 12, 13) wesentlich kleiner sind als die auftretenden Wellenlängen der akustischen Knallsignale.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet₇ daß die akustischen Sensoren in Form von elektro-dynamischen Mikrofonen ausgebildet sind.