DE3511249C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Nachweis von von einem entfernten Körper abgegebenen akustischen Knallsignalen in Anwesenheit von Störsignalen.

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.

Ein Verfahren ohne die Hinzuziehung eines menschlichen Schallaus­ werters ist aus DE 32 04 874 A1 bekannt. Dort ist ein passives Ver­ fahren zur Gewinnung von Zieldaten einer in einem nicht festen er­ sten Medium wie Luft oder Wasser, vorzugsweise bewegten Schall­ quelle, angegeben. Als Schallaufnehmer werden zwei elektroakustische Wandler verwendet, die in einer solchen Weise ausgebildet und ange­ ordnet werden, daß sie im wesentlichen jeweils eine von mehreren Schallwellen erfassen, die sich zwischen der Schallquelle und dem Schallaufnehmer mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten. Zur Ermittlung der Zieldaten der Schallquelle werden die Frequenzen der in den beiden Wandlern jeweils empfangenen Signale bzw. der zeitliche Unterschied beim Empfang der Signale ermittelt.

Ferner ist in DE 17 98 485 B1 eine Anordnung beschrieben, bei der Sensoren auf Schall- bzw. Drucksignale ansprechen. Bei dieser Anord­ nung handelt es sich um ein schleppbares seismisches Streamerkabel, in dem Sensoren integriert sind, die aufgrund von Schall- bzw. Drucksignalen ein Signal liefern, welches invers zu dem Signal die­ ser Sensoren aufgrund von Beschleunigungen ist. Durch die besondere Art der Verschaltung dieser Sensoren wird dabei die Elimination von Störsignalen erreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaf­ fen, die Knallsignale mit hoher Detektionswahrscheinlichkeit erfaßt und auswertet.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 be­ schrieben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Anordnung.

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

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

In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 Prinzipiell die Anordnung mit zwei in ihrer äußeren Form unterschiedlichen Senso­ ren;

Fig. 2 Spezielle Ausbildungsformen zweier in ihren äußeren Abmessungen identischer Sensoren (sche­ matisch);

Fig. 3 Sensoranordnung in einer Verschußgranate.

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); seine Anregung pflanzt sich daher nicht mit Schallge­ schwindigkeit fort, sondern wesentlich langsamer und der vom Mikrofon gewandelte Druckverlauf entsteht erst dadurch, daß das Mikrofon, das nicht materielos ist, die Luftbewegung behindert und so kurzlebige Windwirbel verursacht.

Typisch für "Pseudoschall" ist also, daß z. B. Wind 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.

Deshalb kann als Unterscheidungskriterium - Knallsignal, "Pseudoschall-Signal" - die Veränderung der zu "Pseudoschall" führenden Wirbelbildung im Sensoren­ bereich durch unterschiedliche Formgebung der Sensoren bzw. ihrer unmittelbaren Umgebung dienen.

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

Ein echtes Knallsignal wird dadurch erkannt, daß beispielsweise zwei benachbarte hochempfindliche Mikro­ fone (beispielsweise in einem Abstand d<1 m) mit nachge­ schaltetem Detektor quasi gleichzeitig ein Signal erfassen. Bei solchen benachbarten Mikrofonen mit Abständen d<1 m erreicht eine Windstörung nämlich im wesentlichen gleichzeitig innerhalb der Halbwelle des Knallsignals (50 msec) beide Mikrofone. Die Windstörung wird aber an den beiden Mikrofo­ nen unterschiedliche Ausgangssignale hervorrufen; dies ist dann der Fall, wenn die Mikrofone unterschiedlich gestaltet sind oder unterschiedliche Umgebung haben.

Fig. 1 zeigt eine prinzipielle Anordnung. Zwei akustische Sensoren 1, 2 in Form akusto-elek­ trischer Wandler (beispielsweise elektrodynamische Mikro­ fone) stehen so nahe beieinander, daß die auftretenden Schallsignale praktisch gleichzeitig in den Sensoren auf­ treten.

Zur kontinuierlichen Feststellung der auftretenden Ausgangssignale der Sensoren 1, 2 werden diese Signa­ le verstärkt (Verstärker V) und dann einer nachgeschal­ teten Vergleichsschaltung 3 zugeleitet, die beispielsweise einen Ver­ gleich des Pegelverlaufes der verstärkten Ausgangssignale der Sensoren durchführt. Beispielsweise kann ein Ähnlich­ keitstest nach Ermittlung der Kurvenform der verstärkten Ausgangssignale dort durchgeführt werden.

Die Auswertezeit Δt der empfangenen Knallsignale in der Vergleichsschaltung 3 sollte vorzugsweise eine Halbwelle des Knallsignals, d. h. bei einer Knallgrundfrequenz von bei­ spielsweise 10 Hz, eine Zeit von 50 ms nicht unter­ schreiten, damit eine zuverlässige Erkennung der echten Knallsignale möglich ist.

Zur Unterdrückung des stets vorhandenen Störpegels 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 wird die äußere Form der Sensoren 1, 2 unter­ schiedlich gestaltet. Dadurch verursachen die Windge­ räusche 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 Stör­ signale als "Pseudoschall"-Signale erkannt werden.

Es handelt sich dann um "Pseudoschall"-Signale, wenn der Vergleich der Ausgangssignale der Sensoren von der unter­ schiedlichen Form der Sensoren 1, 2 oder Lage zueinander abhängige Pegelwertunterschiede lieferte, die die im Ein­ zelfall 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 nicht­ rotationssymmetrische Körper sind einsetzbar. Wichtig ist hierbei, daß größtmögliche Unterschiede der durch das Windgeräusch verursachten Signalformen durch die unter­ schiedliche 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 4, 5 eine gleiche tropfenförmige Gestalt, jedoch stehen die Sensoren mit ihren Längsachsen 24, 25 bevorzugt senkrecht zueinander. Somit werden die aus einer Richtung anströmenden Winde zu unterschiedlicher Wirbelbildung und damit zu unterschied­ lichen 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.

Eine weitere zweckmäßige Form der Sensoren 6, 7 ist die bikonische entsprechend Fig. 2b.

Unterschiedliche Mikrofongestaltung, z. B. mit Windleit­ blechen, kann die Mikrofonsignale ebenfalls soweit beein­ flussen, daß vermehrt nur jeweils ein Mikrofon eine Erfas­ sung 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 einfa­ chen Ähnlichkeitstests (z. B. 1bit-Korrelation) die Ursache Wind erkannt werden kann,

Für die beiden Fälle, daß "Pseudoschall"- und Knallsignal gleichzeitig in den Sensoren innerhalb eines Zeitintervalls Δτ 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 34 27 010.8 vorge­ schlagen 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 Übertra­ gungsbereich, 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, die Anordnung in Flüssigkeiten (beispielsweise unter Wasser) zur Erfassung und Ortung von auftretenden Knallsignalen und Unterschei­ dung der Knallsignale von "Pseudoschall" einzusetzen.

Claims (8)

1. Anordnung zum Nachweis von von einem entfernten Körper abgegebe­ nen akustischen Knallsignalen in Anwesenheit von Störsignalen, die auf Störvorgänge, wie z, B. Wind, zurückgehen, welche sich in einem Medium langsamer als Schall in diesem Medium fortpflanzen, mit fol­ genden Merkmalen:

• - mindestens zwei akustische Sensoren (1, 2) sind demselben Me­ dium - bezogen auf die Knallausbreitung - zugeordnet, nahe bei­ einander angeordnet und weisen eine im wesentlichen kugel­ symmetrische Charakteristik in bezug auf die Knallsignale auf;
• - die beiden Sensoren (1, 2) sind in ihrer äußeren Form derart unterschiedlich gestaltet und/oder räumlich orientiert, daß sich ihre Ausgangssignale bei Vorliegen eines Störvorgangs un­ ähnlich sind;
• - eine von den Ausgangssignalen gespeiste Vergleichsschaltung (3) spricht unterschiedlich auf zueinander unähnliche und ähnliche Ausgangssignale der Sensoren (1, 2) an.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die akustischen Sensoren (1, 2) erst bei Überschreitung eines von ei­ nem Grundstörpegel abhängigen Schwellenwertes die empfangenen aku­ stischen Signale in entsprechende elektrische Ausgangssignale (A1, A2) umsetzen.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsschaltung (3) einen Vergleich des Pegelver­ laufes der Ausgangssignale (A1, A2) der Sensoren durchführt.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die äußeren Abmessungen der akustischen Sensoren (1, 2) wesentlich kleiner als die Wellenlängen der Grundschwingung der auf­ tretenden akustischen Knallsignale sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4 mit zwei Sensoren, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die äußere Form eines Sensors der Sensoren (1, 2) tropfenförmig gewählt ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Sensoren (4, 5) in ihrer äußeren geometrischen Form identisch sind (Fig. 2) und daß ihre Längsachsen in unterschiedliche Richtungen weisen.

7. Anordnung nach Anspruch 6 mit zwei Sensoren, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beide Sensoren (4, 5) tropfenformig in ihrer Gestalt ausgebildet sind und ihre Längsachsen (L4, L5) im wesentlichen senk­ recht zueinander stehen.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Sensoren elektrodynamische Mikrofone sind.