DE3511248C2 - Anordnung zur Feststellung von Schallsignalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Feststellung von Schalt­ signalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine sol­ che Anordnung ist aus DE 28 16 332 B2 bereits bekannt.

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 Schallgeschwindig­ keit fortpflanzen. Diese Störungen bzw. die durch sie hervorgerufenen Druckschwankungen rufen an Schallsensoren einen sogenannten "Pseudoschall" hervor. Ein typisches Beispiel sind Windgeräusche an Mikrofonen.

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.

Bekannt ist aus DE 28 16 332 eine Vorrichtung zur Identifizierung einer bewegten Schallquelle. Sie besteht aus zwei Mikrofonen, die jeweils auf Spektralfilter aufgeschaltet sind. Diese Spektralfilter bedämpfen dabei alle Spektren bis auf jene, deren Frequenzcharak­ teristik zusammenfällt mit dem Spektrum des von einer angepeilten Schallquelle ausgehenden Schalls. Die den Typ der angepeilten Schallquelle repräsentierenden Frequenzkomponenten werden dabei je­ weils den zwei Schallsignalen entnommen. Die herausgelösten Fre­ quenzkomponenten werden anschließend an einen Korrelator weiterge­ leitet. In ihm wird die Korrelationsfunktion berechnet. Zur Berech­ nung dieser Korrelationsfunktion werden die Frequenzkomponenten aus den Mikrofonen jeweils mit geeigneter Periode abgetastet. Über eine Produkt- und Summenbildung erhält man anschließend am Ausgang des Korrelators die jeweilige Korrelationsfunktion.

Aufgrund der Zwischenschaltung eines regelbaren Laufzeitgliedes zwi­ schen einem der Mikrofone und einem der Korrelatoreingänge ist es möglich, das Korrelationsergebnis außerhalb des Korrelators zu be­ einflussen. Hierdurch ergibt sich ein Zeitfenster, welches außerhalb des Korrelators zusätzlich geregelt werden kann.

Ferner sind aus DE 32 04 874 A1 ein passives Verfahren zur Gewinnung von Zieldaten von einer vorzugsweise bewegten Schallquelle, die z. B. Knallsignale abgibt, und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens bekannt. Diese Anordnung besteht aus drei Empfangskanälen, an deren Eingängen Geophone bzw. Mikrophone realisiert sind und an deren Ausgängen eine Frequenz f₀, die Zielent­ fernung R und die Zeilgeschwindigkeit V abgegriffen werden können.

Zur Ermittlung der Frequenz f₀ erfolgt im ersten Kanal eine Spek­ tralanalyse mit spektraler Auswertung der Empfangssignale. Zur Er­ mittlung der Zielentfernung R wird im zweiten Kanal eine Zeitbe­ reichsanalyse der Empfangssignale durchgeführt und im dritten Kanal erfolgt eine Mittelwertbetrachtung der Empfangssignalamplituden, bei der die jeweiligen Mittelwerte zueinander ins Verhältnis gesetzt werden, sodaß sich hieraus ein Peilwinkel ϕ ergibt. Aus diesem Peil­ winkel ϕ wird anschließend die Fahrzeuggeschwindigkeit V abgeleitet.

Im zweiten Kanal ist zur Bestimmung der Entfernung R ein Korrelator sowie ein Entfernungsrechner realisiert.

Der Entfernungsrechner setzt dabei eine Zeitdifferenz Δt zu Einstel­ lungsparametern C_i mit i∈{1, 2} ins Verhältnis. Als Einstellungspara­ meter dienen dabei z. B. die Ausbreitungsgeschwindigkeiten von Lon­ gitudinal- und Transversalwellen. Unter Δt ist die aufgrund der un­ terschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten entstehende Zeitdiffe­ renz zwischen den Empfangssignalen zu versehen, die der Korrelator ermittelt.

Der Einsatz von Schwellwertstufen, Torschaltungen uund Verzögerungsgliedern ist z. B. in Verbindung mit der Messung von Schallaufzeitdifferenzen in Bohr­ löchern gemäß US 30 71 203 bekannt. Als Laufzeitmaß dient dabei schließlich aber nicht ein Festwert, sondern die variable Amplitude einer sägezahnförmigen Spannung.

Die Aufgabe der Er­ findung besteht darin, eine Anordnung zu schaffen, die es erlaubt, in einfa­ cher und zuverlässiger Weise Knallsignale aus Störsignalen mit nied­ riger Falschalarmrate herauszufinden. Dabei soll diese Anordnung die Knallsignale mit hoher Detektionswahrscheinlichkeit erfassen und auswerten, wobei die Auswertung mittels einer einfacheren Auswerte­ schaltung erfolgen soll, als sie in dem Stand der Technik vorge­ schlagen wird.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben.

Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind aus den Unteransprüchen entnehmbar.

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

In der zugehörigen Zeichnung zeigt

Fig. 1 Prinzipielle Anordnung von aktustischen Sensoren zur Detektion von Knallsignalen im Falle des Einsatzes von zwei Sensoren.

Die Erfassung und Auswertung von beispielsweise bei Ver­ lassen der Mündung oder beim Einschlag eines Geschosses auftretenden akustischen Knallsignalen sind oft mit Hörge­ räuschen 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, diese Druckschwankungen in ein weitgehend gleichwertiges elektrisches Signal umwandeln.

"Pseudoschall-Signale" entstehen durch strömende Luft (Wind): die Ursache bewegt sich daher nicht mit Schallge­ schwindigkeit, 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 als Unterscheidungskriterium- Knallsignal, "Pseudoschall-Signal" - der unterschiedliche Erfassungszeitpunkt des auftretenden Empfangssignals an den in einem vorgegebenen Abstand zueinander stehenden akustischen Sensoren.

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

Ein echtes Knallsignal wird prinzipiell dadurch erkannt, daß beispielsweise zwei hochempfindliche Mikrofone mit nachgeschalteten Schwellwertstufen, nachfolgend als Detektionseinheiten bezeichnet, quasi gleichzeitig ein Signal erfassen. Das vorgegebene Zeitfenster Δτ, 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 Δτ₂ für eine Erfassung.

Letzterer sollte vorzugsweise eine Halbwelle des Knall­ signals, 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 α zur Mikrofonbasis mit cos α = 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 Δτ 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 inner­ halb eines Zeitfensters von 300 ms ein weiteres Störsignal auftritt; dieses Zeitfenster entspricht einem Mikrofonab­ stand von 100 m.

Der Abstand der Mikrofone sollte also vorzugsweise zwi­ schen 10 und 100 m liegen.

Vorzugsweise ist die Anordnuung der Sensoren (Mikrofone) so zu wählen, daß die Verbindungslinie der Sensoren nicht senkrecht zur Strömungsrichtung des bewegten Mediums liegt, damit die "Pseudoschall" erzeugende Störung nicht gleich­ zeitig die Sensoren erreicht.

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

Zwei akustische Sensoren 1, 2 vorzugsweise akusto-elek­ trische Wandler (beispielsweise Mikrofone), sind zur be­ kannten Windrichtung bevorzugt so angeordnet, daß die Verbindungslinie der Sensoren 1, 2 nicht senkrecht zur Strömungsrichtung 3 des bewegten Mediums liegt (also α ≠ 90°), sondern unter einem Einfallswinkel α zur Mikro­ fon-Verbindungslinie von beispielsweise höchstens 85° liegt.

Damit in beiden Mikrofonen eine Windstörung möglichst selten "gleichzeitig", d. h. innerhalb des vorgegebenen Zeitfensters Δτ 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 α ≈ 0° ist; der Mikrofonabstand kann dadurch minimalisiert werden (bis ca. 1 m).

Wenn nun ein akustisches Signal auftritt, so wird es ent­ sprechend dem Abstand von Entstehungsort - Sensorort in dem zum Entstehungsort nächstliegenden Sensor 1 zuerst erfaßt, wenn ein vorgegebener vom Grundstörpegel abhängiger Schwellwert, beispielsweise ein Spannungspegel in der nachgeschalteten Detektionseinheit 4 überschritten wird (Sensor 1 im Beispielsfall); zu diesem Zeitpunkt wird mit Hilfe des Ausgangssignals der Detektionseinheit des Sensors die Torschaltung 6 aktiviert, die daraufhin ein Δτ-langes Aus­ gangssignal liefert.

Wird nun im zweiten Sensor 2 ein Signal innerhalb der Zeit Δτ detektiert, so sind diese detektierten Signalanteile des akustischen Signals als von einem echten Knallsignal her­ rührend zu interpretieren, da von Windgeräuschen verur­ sachte Signale nicht innerhalb dieses Zeitfensters Δτ in beiden Sensoren 1, 2 "gleichzeitig" auftreten können. Wird in einem der Sensoren 1, 2 kein Eingangssignal während der Zeit Δτ registriert, so war auch kein Knallsignal aufgetreten.

Die Auswertung erfolgt in einfacher Weise mittels einer mit den Ausgängen der Detektoreinheiten 4, 5 verbundenen UND-Schaltung 7. Wenn in allen Sensoren ein Empfangssignal während der Zeit Δτ detektiert wird, liefert die UND-Schaltung 7 ein Ausgangs­ signal A, das gleichzeitig als Einschaltkri­ terium für eine Knallauswertungseinheit geeignet ist. Mit Hilfe eines Mikrorechners, der die erzeugten Ausgangs­ signale aller Detektionseinheiten speichert und ihre dazu­ gehörigen Erfassungszeitpunkte festhält, ist eine kontinu­ ierliche Abfrage - ist innerhalb des momentan abgelaufenen Zeitfensters Δτ in allen Detektionseinheiten 4, 5 ein schwellwertüberschreitendes Signal detektiert worden, d. h. ein Knallsignal aufgetreten - durchführbar.

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

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 Δτ, "gleichzeitig" sozusagen, in allen Mikrofonen erfaßt wird und "Pseudoschall"-Signale zumindest bei einem Mikrofon (welches spielt keine Rolle) nicht innerhalb von Δτ erfaßt werden, ist denkbar.

Zur Unterstützung der Erfassung der Knallsignale und Unterscheidung der Knallsignale von "Pseudoschall-Signalen" kann parallel zur beschriebenen Anordnung ein Detektionsalgo­ rithmus, wie er in P 34 27 010.8 beispielsweise vorge­ schlagen ist, eingesetzt werden.

Natürlich ist es auch möglich, die Anordnung auf Flüs­ sigkeiten (beispielsweise in Wasser) zur Erfassung und Ortung von auftretenden Knallsignalen und Unterscheidung der Knallsignalen von "Pseudoschall" einzusetzen.

Claims (6)

1. Anordnung zur Feststellung von Schallsignalen, die mittels eine Sensoranordnung bildender akustischer Sensoren feststellbar sind, auch dann, wenn insbesondere durch Windgeräusche verursachte Störsignale vorhanden sind, wobei ein auftretendes Signal ein festzustellendes Schallsignal darstellt, wenn dieses Signal in allen vorhandenen, minde­ stens zwei akustischen Sensoren innerhalb eines vorgegebenen Zeit­ festers Δτ auftritt und die Größe des Zeitfensters Δτ durch die Summe Δτ = Δt₁ + Δt₂ aus der maximal möglichen Schallaufzeitdifferenz Δt₁ des Schallsignals zwischen den Sensoren und einem vorgegebenen Zeittoleranzbereich Δt₂ für die Erfassung des Schall­ signals gegeben ist, und der Abstand zwischen den mindestens zwei Sensoren mindestens so gewählt ist, daß die von der Einfallsrichtung der Störung zur Sensoranordnung abhängige Laufzeitdifferenz ΔT des auf­ tretenden Störsignals zwischen den mindestens zwei Sensoren größer ist als das vorgegebene Zeitfenster Δτ, wobei die aku­ stischen Sensoren die empfangenen Schallsignale in elektrische Signale umsetzen, und den Sensoren Selektionsein­ heiten nachgeschaltet sind, die ein vorgegebenes Ausgangssignal liefern, so daß, wenn innerhalb des vorgegebenen Zeitfensters Δτ in allen aku­ stischen Sensoren ein akustisches Signal auftritt, eine nachfolgende Auswerteschaltung ein vorgegebenes Ausgangssignal liefert, wobei die Lage und der Abstand zumindest zwischen den mindestens zwei Sensoren so gewählt ist, daß ein gegenüber dem festzustellenden Schallsignal sich langsamer ausbreitendes Störsignal zumindest bei einem Sensor außerhalb des vorgegebenen Zeitfensters Δτ auftritt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Feststellung von Knallsignalen

• - die Selektionseinheiten durch Schwellwertstufen (4, 5) realisiert sind,
• - die Auswerteschaltung (8) eine UND-Schaltung (7) aufweist, mit der die Schwellwertstufen (4, 5) und eine an die Schwellwertstufen (4, 5) aufgeschlossene Torschaltung (6) zur Abgabe eines Signals, das dem Zeitfenster Δτ entspricht, verbunden sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Knall- und Störsignale drei akusti­ sche Sensoren dienen und diese Sensoren in einer nichtlinearen Sensoranordnung zuei­ nander aufgebaut sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Maximalabstand der Sensoren unter­ einander so gewählt ist, daß innerhalb des vorgegebenen Zeitfensters Δτ die Wahrscheinlichkeit eines weiteren auftretenden Störsignals gering ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Abmessungen der Sensoren (1, 2) wesentlich kleiner sind als die auftretenden Wellenlängen der akustischen Knallsignale.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die akustischen Sensoren elektro-dynamische Mikrofone sind.

6. Anordnung nach Anspruch 1 oder 4 mit zwei Sensoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (1, 2) in der Art einer Wetterfahne angeordnet sind.