DE3511249A1

DE3511249A1 - Verfahren zur feststellung von akustischen knallsignalen und anordnung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3511249A1
Application number: DE19853511249
Authority: DE
Inventors: Wieland Dipl.-Phys. 7900 Ulm Jacobi
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1985-03-28
Filing date: 1985-03-28
Publication date: 1986-10-02
Also published as: DE3511249C2

Description

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

D-6000 Frankfurt 70

Beschreibung

Verfahren zur Feststellung von akustischen Knallsignalen und Anordnung zur Durchführung 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 sehr einfacher und möglichst zuverlässiger Weise Knallsignale aus Störsignalen mit niedriger Falschalarmrate herauszufinden, d.h. mit möglichst niedriger Falschalarmrate zu erfassen.

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

Vorzugsweise sollen die Schallsensoren verschießbar sein, um, wenn notwendig,, näher an dem Entstehungsort der Knallsignale zu sein und dadurch erheblich leisere Knallsignale ebenfalls erkennen zu können.

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:

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FIG. 1 Prinzipielle Anordnung des Verfahrens mit zwei in ihrer äußeren Form unterschiedlichen Sensoren ;

FIG. 2 Spezielle Ausbildungsformen zweier in ihren

äußeren Abmessungen identischer Sensoren (schematisch) ;

FIG, 3 Sensoranordnung in einer Verschußgranate.

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, 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 Ursa-che 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, die Sensorgestalt also die Signalform beeinflußt.

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Deshalb dient vorzugsweise als Unterscheidungskriterium - Knallsignal j "Pseudoschall-Signal" - die Veränderung der zu "Pseudoschall" führenden Wirbelbildung im Sensorenbereich durch unterschiedliche Formgebung der Sensoren bzw. ihrer unmittelbaren Umgebung.

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

Vorzugsweise wird ein echtes Knallsignal dadurch erkannt_?

daß beispielsweise zwei benachbarte hochempfindliche Mikrofone (beispielsweise in einem Abstand d<l m) mit nachgeschaltetem Detektor quasi gleichzeitig ein Signal erfassen.

Bei solchen benachbarten Mikrofonen mit Abständen d<l m erreicht eine Windstörung im wesentlichen gleichzeitig innerhalb der Halbwelle des Knallsignals (50 msec) beide Mikrofone, Die Windstörung wird aber an den beiden Mikrofonen unterschiedliche Ausgangssignale hervorrufen; dies ist dann der Fall, wenn die Mikrofone unterschiedlich gestaltet sind oder unterschiedliche Umgebung haben.

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

Zwei akustische Sensoren 1, 2, vorzugsweise akusto-elektrische Wandler (beispielsweise elektrodynamische Mikrofone) stehen so nahe beieinander, daß die auftretenden Schallsignale praktisch gleichzeitig in den Sensoren auftreten,

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Vorzugsweise werden zur kontinuierlichen Feststellung der auftretenden Ausgangssignale der Sensoren 1, 2 diese Signale verstärkt (Verstärker V) und dann in einer nachgeschalteten Vergleichsschaltung 3, die beispielsweise den Vergleich des Pegelverlaufes der verstärkten Ausgangssignale der Sensoren durchführt. Beispielsweise kann ein Ähnlichkeitstest nach Ermittlung der Kurvenform der verstärkten Ausgangssignale dort durchgeführt werden. Die Auswertezeit Ot der empfangenen Knallsignale in der Vergleichsschaltung 3 sollte vorzugsweise eine Halbwelle des Knallsignals, d.h. bi einer Knallgrundfrequenz beispielsweise von 10 Hz eine Zeit von 50 ms nicht unterschreiten, damit eine zuverlässige Erkennung der echten Knallsignale möglich ist«

Zur Unterdrückung des stets vorhandenen Störpegels (nicht die Pseudoschallsignale) werden zweckmäßigerweise die den Verstärkern V nachgeschalteten Detektoren D mit einer vom Störpegel abhängigen Schwelle ausgestattet» Die auftretenden Störsignale (Pseudoschall-Signale) sollen unterschiedliche Sensorausgangssignale erzeugen_; deshalb ist bevorzugt die äußere Form der Sensoren 1, 2 unterschiedlich zu gestalten; dadurch verursachen die Windgeräusche an den Sensoren 1, 2 unterschiedliche Wirbel und damit auch unterschiedliche Störsignale.

Treten beispielsweise durch Windgeräusche verursachte Störsignale an den Sensoren fast gleichzeitig auf, so können in einfacher Weise mittels eines Pegelvergleichs oder mittels eines Korrelators beispielsweise diese Störsignale als "Pseudoschall"-Signale erkannt werden.

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Es handelt sich dann um "Pseudoschall"-Signale_; wenn der Vergleich der Ausgangssignale der Sensoren von der unterschiedlichen Form der Sensoren 1, 2 oder Lage zueinander abhängige Pegelwertunterschiede liefert, die die im Einzelfall vorzugebenden Werte, beispielsweise im Mittel, überschreiten.

In FIG. 1 besitzt der eine Sensor 1 vorteilhafterweise eine Kugelform, der andere besteht beispielsweise aus zwei sich in ihren Grundflächen berührenden Kreiskegeln. Andere Gestaltungsformen wie Kegelstümpfe, Ellipsoide oder nichtrotationssymmetrische Körper sind einsetzbar. Wichtig ist hierbei, daß größtmögliche Unterschiede der durch das Windgeräusch verursachte Signalformen durch die unterschiedliche äußere Gestalt der Sensoren an den beiden Sensoren auftreten,

FIG. 2 zeigt spezielle Ausgestaltungen der Sensoren.

In FIG, 2a besitzen in vorteilhafter Weise beide in einer Ebene beispielsweise liegende Sensoren k. 5 eine gleiche tropfenförmige Gestalt, jedoch stehen die Sensoren mit ihren Längsachsenr24, 25 bevorzugt senkrecht zueinander. Somit werden die aus einer Richtung anströmenden Winde zu unterschiedlicher Wirbelbildung und damit zu unterschiedliehen Signalformen A4, A5 an den Sensoren führen.

Auch mit dieser Anordnung, in der die Sensoren dieselben äußeren Abmessungen besitzen, ist die Unterscheidung der Knallsignale von "Pseudoschall-Signalen" möglich. 30

Eine weitere zweckmäßige Form der Sensoren 6_; 7 ist die bikonische entsprechend FIG. 2b.

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Unterschiedliche Mikrofongestaltung, z.B. mit Windleitblechen _r kann die Mikrofonsignale ebenfalls soweit beeinflussen , daß vermehrt nur jeweils ein Mikrofon eine Erfassung des Pseudoschalls zeigt (je nach Windrichtung mal das eine, mal das andere) oder daß die Signale beider Mikrofone so unähnlich werden, daß durch Pegelvergleich oder einfachen Ähnlichkeitstests (z.B, lbit-Korrelation) die Ursache Wind erkannt werden kann,

Für die beiden Fälle, daß "Pseudoschall"- und Knallsignal gleichzeitig in den Sensoren innerhalb eines Zeitintervalls Jf auftreten oder ein echtes Knallsignal erkannt .wird, kann das verstärkte Ausgangssignal eines der Sensoren 2 für eine nachfolgende Knallauswertungseinheit A, beispielsweise mit einem Detektionsalgorithmus wie er in P 3k 27 010.8 vorgeschlagen ist, verwendet werden.

Hierzu ist es notwendig, daß der Frequenzbereich zumindest dieses Sensors 2 genügend groß gewählt wird, damit das akustische Knallsignal im wesentlichen unverzerrt in ein elektrisches Signal umgesetzt werden kann. Ein Übertragungsbereich, beispielsweise eines elektrodynamischen Mikrofons, von ca. 5 bis 250 Hz ist ausreichend.

FIG. 3 zeigt eine Sensor-Verschußgranate 10, die in den Erdboden 11 eingedrungen ist. Die Sensoren 12, 13 sind bevorzugt in den Bremsklappen 14 links und rechts von der Antenne 15 eingesetzt.

Natürlich ist es auch denkbar, daß dieses Verfahren in Flüssigkeiten (beispielsweise unter Wasser) zur Erfassung und Ortung von auftretenden Knallsignalen und Unterscheidung der Knallsignale von "Pseudoschall" eingesetzt werden kann.

Claims

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH PTL-UL/Wa/lh Theodor-Stern-Kai 1 UL 84/87b 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 akustische insbesondere durch Windgeräusche verursachte Störsignale vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet,

daß zur Erfassung akustischer Signale mindestens zwei nahe beieinander stehende akustische Sensoren (1, 2) eingesetzt werden,

daß für die akustischen Sensoren (l_f 2) im wesentlichen eine kugelsymmetrische Charakteristik für die Erfassung der akustischen Knallsignale gewählt wird, daß zur Erfassung der durch Windgeräusche verursachten akustischen Störsignale mindestens einer (1) der Sensoren (1, 2) in seiner äußeren geometrischen Form gegenüber den

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anderen Sensoren unterschiedlich ausgebildet wird und/oder mindestens einer (l) der Sensoren (Ij 2) zu den anderen Sensoren so angeordnet wird, daß mindestens dieser Sensor (l) ein gegenüber den anderen Sensoren unterschiedlisches durch Windgeräusche verursachtes Ausgangssignal liefert.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, daß die akustischen Sensoren (1, 2) bei Überschreitung eines vom Grundstörpegel abhängigen Schwellwertes die empfangenen akustischen Signale in entsprechende elektrische Ausgangssignale (Al^- A2) umsetzen, daß die Feststellung unterschiedlicher Ausgangssignale zwischen mindestens zwei Sensoren mittels einer nachgeschalteten Vergleichsschaltung (3) zur Erkennung eines durch Windgeräusche verursachten Störsignals führt und das Auftreten ähnlicher Ausgangssignale in allen Sensoren das empfangene akustische Signal als Knallsignal zu interpretieren ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Knall- und Störsignale zwei akustische Sensoren (1, 2) dienen.

k. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsschaltung (3) einen Vergleich des Pegelverlaufes der Ausgangssignale (Al₇ A2) der Sensoren durchführt.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis k_t dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Abmessungen der akustischen Sensoren (1, 2) gegenüber den Wellenlängen der

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auftretenden akustischen Knallsignale wesentlich kleiner sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5 und 3_} dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Form eines Sensors der Sensoren (1, 2) tropfenförmig gewählt ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6_? dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (4. 5) in ihrer äußeren geometrischen Form identisch sind (FIG. 2) und daß ihre Längsachsen in unterschiedliche Richtungen weisen.

8. Anordnung nach Anspruch 7 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Sensoren (4, 5) tropfenförmig in ihrer Gestalt ausgebildet sind und ihre Längsachsen (L4_; L5) im wesentlichen senkrecht zueinander stehen.

9» Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 8_; dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren in Form von elektrodynamischen Mikrofonen ausgebildet sind.