DE3901158A1 - Richtmikrofon - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Richtmikrofon, besonders ausgelegt für Schallmessungen bei Luftumströmung.

Tamm und Kurtze haben 1954 ein auf Interferenz beruhendes Richtmikrofon vorgeschlagen; vgl. den Artikel "Ein neuartiges Richtmikrofon hoher Richtungsselektivität", Acustica 4, 1954, S. 469 ff. Es besteht aus einem konventionellen Druckmikrofon mit einem vorgeschalteten zylindrischen Rohr. Der Rohrmantel ist perforiert oder weist einen in Achsrichtung verlaufenden Schlitz auf. 1983 wurde die Theorie und Auslegungsvorschrift von Andert und Simak insbesondere für die Dimensionierung der Rohrperforation verbessert; vgl. den Artikel "Interferenzmikrofon mit berechenbarer Richtcharakteristik", Acustica 53, 1983, S. 19 ff. Diese Mikrofone werden vorzugsweise bei Tonübertragung verwendet. Zur Unterdrückung des sog. Windgeräusches bei Außenaufnahmen erhält das Mikrofonrohr einen Überzug aus Schaumgummi. Bekannt sind auch Stoffüberzüge. Von der Aufgabenstellung her sind solche Ausführungen für Schallmessungen in Fahrt oder im Flug weniger geeignet. Einmal zeigt sich, daß das zylindrische Mikrofonrohr bei vorgegebener Länge nicht die maximal erreichbare Richtwirkung liefert und innere Reflexionen mit Verfälschung des Meßsignals aufweist. Zum anderen reichen bei hohen Umströmungsgeschwindigkeiten Schaum- und normale Textilstoffe nicht aus, den entstehenden Grenzschichtlärm zu mindern und das Windgeräusch zu unterdrücken. Außerdem geht bei größer werdender Luftgeschwindigkeit die Koinzindenzbedingung der Schallausbreitung im Rohrinnern und außen verloren, was wieder die Richtcharakteristik verschlechtert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Konstruktion solcher Richtmikrofone zu variieren, um die Richtwirkung bei erhöhter Störunterdrückung zu verbessern.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Die Erfindung beruht im wesentlichen auf dem gleichen Wirkungsprinzip wie die vorgenannten Mikrofone. Die Nachteile der bekannten Systeme werden jedoch durch einen hornförmigen Mikrofonvorsatz vermieden. Die große Hornfläche zeigt zum Mikrofon hin und die kleine in die Meßrichtung. Gegenüber dem zylindrischen Rohrvorsatz gibt der hornförmige Wellenleiter eine bessere Ausnützung der Baulänge mit einer höheren Richtwirkung als ein gleich langes zylindrisches Rohr. Außerdem ist die spitz zulaufende Form strömungsgünstiger mit geringerer turbulenter Grenzschichtdicke. Um Reflexionen im Hornleiter zu vermeiden, ist dafür zu sorgen, daß der von der Mikrofonseite reflektierte Schall absorbiert wird. Dies bewerkstelligt einmal die Hornverjüngung mit einer Dämpfung und Abgabe des Schalls nach außen. Außerdem verlangt ein reflexionsfreier Abschluß der Schmalseite des Hornleiters entsprechend der Flächenverringerung weniger Bauvolumen.

Um insbesondere Windgeräusche weiter zu reduzieren, erhält der Mikrofonvorsatz einen fellartigen, eine Vielzahl von Härchen aufweisenden Überzug, der im folgenden als Härchenfell bezeichnet wird. Es handelt sich hierbei um einen schalldurchlässigen Textilstoff mit in Strömungsrichtung gerichtetem Haarbesatz, vergleichbar einem Fell. Eine solche Anordnung gibt eine zusätzliche Dämpfung und Stabilisierung der turbulenten Grenzschicht mit einer drastischen Reduzierung des Windgeräusches. Zweckmäßigerweise erhält das Härchenfell eine wasserabstoßende, kondensationshemmende und vereisungsschützende Imprägnierung. Das Windgeräusch eines Richtmikrofones gemäß der Erfindung wird um ca. 20 dB gegenüber den erwähnten Richtmikrofonen reduziert. Ebenso wird das Vorwärts/Rückwärtsverhältnis um ca. 10 dB verbessert.

Da das Windgeräusch von der lokalen Turbulenzsituation abhängt und nur eine begrenzte Kohärenzlänge aufweist, das anstehende Nutzschallsignal dagegen kohärent ist, läßt sich durch Vergrößerung der Fläche der Perforationen in dem Mikrofonvorsatz der Störabstand vergrößern. Um eine möglichst große Perforationsfläche zu realisieren, erhält der Hornleiter erfindungsgemäß Querschnitte mit großen Oberflächen. Neben der Grundausführung mit rundem Querschnitt sind insbesondere Tropfenquerschnitt, Sternquerschnitt, Flachformen, die sich in eine bestehende Struktur integrieren lassen, vorteilhaft.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung erhält der hornförmige Mikrofonvorsatz z. B. eine elektrische Heizung. Dadurch erhöht sich die Schallgeschwindigkeit der Luft im Horninnern und kann soweit gesteigert werden, daß diese so groß wird wie die Summe von Schall- und Strömungsgeschwindigkeit im Außenbereich. Dadurch wird auch bei Schallaufnahmen im Fluge mit hoher Fluggeschwindigkeit die Koinzidenzbedingung erfüllt und optimale Richtwirkung erreicht.

Üm für bestimmte Anwendungen eine breite Richtkeule nach vorne zu realisieren, wird der Schallweg innerhalb des Hornteiles durch Wendelung oder Impedanzsprünge vergrößert. Dadurch wird eine gezielte Fehlanpassung ausgenützt.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden anstelle eines Hornleiters mehrere zu einem Bündel integriert.

Bei Schräganstellung des Richtmikrofons ist es zweckmäßig, dem Querschnitt des Hornleiters eine strömungsgünstige Tropfenform zu geben. Dabei werden die Perforationen vorzugsweise luvseitig angeordnet.

Als Schallsensor für das Richtmikrofon kann ein konventionelles Druckmikrofon mit Kugelcharakteristik verwendet werden. Ebenso kann jedoch ein sog. Nierenmikrofon verwendet werden, wobei die Mikrofonrückseite zusätzlich über einen zweiten, unabhängigen Schallweg beaufschlagt wird, der durch eine Regelung die Einstellung des Richtungsfaktors in Größe und Wirkbereich ermöglicht.

Um unerwünschte Frequenzen selektiv auszufiltern, sind am Mikrofon Helmholtz- oder mechanische Resonatoren vorgesehen. Diese vermögen im Bereich ihrer Resonanzfrequenz einen Druckeinbruch auszulösen.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind an verschiedenen Stellen innerhalb des Hornleiters zusätzliche Mikrofone angebracht. Mit verschieden gewichteter und laufzeitversetzter Signaladdition läßt sich die Richtcharakteristik in einem großen Bereich verstellen. Dabei ist auch Simultanbetrieb mit gleichzeitig mehreren Richtcharakteristiken möglich.

Eine Anpassung der Richtcharakteristik läßt sich erfindungsgemäß auch über die Verstellung der Resistanz der Perforationen erreichen. Eine solche Verstellung kann mechanisch durch teilweise Abdeckung der Fläche der Perforationen bewerkstelligt werden.

Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal werden zwei parallele Richtmikrofone gegensinnig angebracht mit nach vorwärts und rückwärts gerichteter Empfindlichkeit. Die Richtmikrofone können in einem gemeinsamen Zylinder angeordnet sein, der durch eine schräg verlaufende Längswand in zwei Hornteile unterteilt ist. Im besonderen vermag das rückwärts gerichtete Mikrofon das Eigengeräusch des Mikrofonträgers aufzunehmen. Dieses Signal läßt sich elektronisch von demjenigen des Nutzmikrofons subtrahieren, um einen besseren Abstand von Nutzsignal und Eigenlärm zu erhalten.

Ein weiteres Merkmal betrifft die Kompensation des durch Schwingungen induzierten Pseudoschalls. Dazu werden zwei identische Sensoren mechanisch starr miteinander verkoppelt. Einer der Sensoren dient in der bereits beschriebenen Weise, während der Zweitsensor akustisch abgekapselt und nicht schallbeaufschlagt ist. Der Zweitsensor liefert also nur den vibrationsinduzierten Pseudoschall. Dieser wird elektronisch vom Signal des Nutzsensors abgezogen.

Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal wird anstelle der resistiven Rohrperforationen eine Abdeckung der Perforationen mit einer geschlossenen, luftundurchlässigen Membran vorgenommen. Die reaktiv wirkenden Membranflächen machen das Richtmikrofon für höhere Frequenzen unempfindlicher, dämmen aber das Windgeräusch und sind weniger witterungsempfindlich.

Die Vibrationseinflüsse auf dem Richtmikrofon können bei allen Ausführungen durch eine weiche Lagerung der Mikrofone in den Richtmikrofongehäusen minimiert werden. Das Richtmikrofon kann zur Abtastung eines größeren Feldbereiches mechanisch verstellt, z. B. gedreht, werden. Außerdem können in einer Array-Anordnung mehrere Richtmikrofone verwendet werden. Aus der Laufzeitdifferenz der einzelnen Mikrofonsignale läßt sich in an sich bekannter Weise die Richtung einer Schallquelle triangulieren.

Die Erfindung ist in mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Fig. 1 bis 13 näher erläutert, in denen jeweils ein Richtmikrofon gemäß der Erfindung dargestellt ist.

Der Grundaufbau ist für alle Ausführungsformen analog und wird deswegen vorab für alle Ausführungsformen anhand der Fig. 1 beschrieben. Gleiche Komponenten sind in den anderen Fig. jeweils durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.

Die wesentlichen Bestandteile eines Richtmikrofones M sind ein Schallsensor 1 und nach der Bauweise eines Stabmikrofons ein vorgesetzter, lufterfüllter Hornleiter 2, an dessen Breitseite im Bereich der großen Hornfläche der Schallsensor 1 sitzt und dessen Schmalseite bzw. kleine Hornfläche einen reflexionsfreien Abschluß 3 erhält, z. B. eine gedämpfte Laufstrecke oder einen Dämpfer. Auf der dem Hornleiter 2 abgewandten Seite des Schallsensors 1 wird ein abgeschlossenes Volumen 21 vorgesehen, das den beschriebenen Mikrofonkörper abschließt. Die Wandung des Hornleiters 2 weist über die Länge Perforationen 4 auf, durch die der aufzunehmende Schall eintritt und sich in dem als eindimensionalen Wellenleiter wirkenden Hornleiter 2 nach beiden Seiten fortpflanzt. In Richtung der Hornachse addieren sich die einzelnen Schallanteile laufzeitrichtig, so daß hier die Empfindlichkeit ihr Maximum hat und mit größer werdendem Schalleinfallswinkel kleiner wird. Um das Windgeräusch zu reduzieren, ist der Hornleiter 2 mit einem schalldurchlässigen Windschutz 5 überzogen.

In Fig. 2 ist anstelle der an sich bekannten Schaum- oder Textilstoffüberzüge ein Härchenbelag 5 vorgesehen, dessen Härchen 6 in Strömungsrichtung A weisen. Dies ergibt eine Gleichrichtung und Stabilisierung der turbulenten Grenzschicht mit einer erheblichen Verbesserung des Rauschabstandes.

In den Fig. 3a bis 3d sind verschiedene Querschnittsformen des Hornleiters 2 dargestellt. Neben der runden Grundform in Fig. 3a sind in Fig. 3b eine sternförmige und in Fig. 3c eine flache rechteckförmige Querschnittsform dargestellt. Bei einer großen Umfangslinie des Hornleiters 2 kann die wirksame, inkohärente Fläche der Perforationen 4 vergrößert werden Dank der inkohärenten Addition des lokalen Windgeräusches und der kohärenten Addition des Nutzschalls vergrößert sich so das Verhältnis von Nutz- zu Störsignal. Die flache Bauweise nach Fig. 3d eignet sich insbesondere dann, wenn das Richtmikrofon direkt in eine bestehende Struktur, z. B. einen Flügel oder Rumpf eines Flugzeuges integriert wird. Die eine Wand des Hornleiters ist dabei eine Strukturwand 7, in der auch die Perforationen 4 angeordnet sind. Die "Rückwand" des Hornleiters liegt innerhalb der Struktur.

Zusätzlich zur Grundfunktion dient im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 eine elektrische Widerstandsheizung 8 zur Erwärmung der Luft im Hornleiter 2 und gleichzeitig zur Verhinderung einer Vereisung. Die Lufterwärmung erhöht die Schallgeschwindigkeit, so daß die bei hohen Anströmgeschwindigkeiten verletzte Koinzidenzbedingung wieder eingestellt werden kann mit dem Ziel, die enge Richtkeule nach vorne zu gewährleisten.

Bei dem Richtmikrofon gemäß Fig. 5 ist eine im Hinblick auf die Fig. 4 entgegengesetzte Wirkung realisierbar. Hier hat der Hornleiter 2 eine Wendelform oder andere Umwegeeinrichtungen, z. B. Rippen 9. Hier wird gezielt die Koinzidenz verstimmt, was bekanntlich eine z. B. für Suchzwecke geeignete Weitwinkelkeule ergibt. Mit einer zusätzlichen variablen Heizung 8 kann damit die Richtcharakteristik auch während der Messung verstellt werden.

In den Fig. 6 ff. ist jeweils der Windschutz 5 fortgelassen.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 stellt eine Bündelung von autonomen Richtmikrofonen dar, die jeweils einen Hornleiter 2′ bzw. 2′′ und Schallsensoren 1′ bzw. 1′′ aufweisen. Die Hornleiter 2′, 2′′ sind in einem gemeinsamen hornförmigen Gehäuse 10 angeordnet, das durch eine Längstrennwand 11 unter Bildung der Hornleiter 2′ und 2′′ unterteilt sein kann.

In Fig. 7 ist ein Richtmikrofon mit abgeknickter Hornachse dargestellt. Dies ist z. B. dann notwendig, wenn das etwa fest installierte Richtmikrofon einen von der Anströmung abweichenden Anstellwinkel einnehmen soll. Dann ist es zweckmäßig, dem Querschnitt des Hornleiters 2, wie Schnitt A-A zeigt, eine strömungsgünstige Tropfenform zu geben. Die Perforationen 4 sind dabei vorteilhafterweise auf der Luvseite angeordnet.

Beim Richtmikrofon nach Fig. 8, in der nur der Bereich um die große Hornfläche gezeigt ist, wird als Schallsensor ein Nierenmikrofon 1 verwendet, das auch von der Rückseite beaufschlagt wird. Über eine in ihrer Größe, z. B. mit Hilfe einer Schraube oder Blende 22 verstellbare Öffnung 23, ist das hinter dem Nierenmikrofon gelegene Volumen 21 an das Außenschallfeld angeschlossen. Die Resistanz der Öffnung 22 und die Reaktanz des Volumens 21 bilden ein akustisches RC-Glied, über das die Richtcharakteristik modelliert werden kann.

Das Richtmikrofon nach Fig. 9 ist für frequenzselektive Auslöschungen vorgesehen. Dazu ist im Bereich des Schallsensors 1 ein Resonator 24, z. B. ein Helmholtz- oder ein mechanischer Resonator angebracht. Bekanntlich reduziert deren Impedanzeinbruch bei Resonanz den Schalldruck. Dieselbe Technik kann auch verwendet werden, den Hornleiter 2 zur Mikrofonseite hin reflexionsfrei abzuschließen. Im allgemeinen Fall ist diese Bedingung aber von untergeordneter Bedeutung.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 sind im Hornleiter 2 des Richtmikrofons mehrere, in diesem Falle wie Schallsensoren 1 a, 1 b, 1 c, 1 d an verschiedenen Längspositionen angebracht. Durch deren unterschiedlich gewichtete und zeitverzögerte Signaladdition können auch mehrere Richtcharakteristiken gleichzeitig realisiert werden.

Bei dem in Fig. 11 in einem Querschnitt durch den Hornleiter dargestellten Richtmikrofon wird eine ähnliche Aufgabenstellung verfolgt. Hier lassen sich mechanisch die Resistanzen der Perforationen 4 verstellen, was einer unterschiedlichen Gewichtung entspricht. Im besonderen kann damit der Öffnungswinkel der Richtkeule variiert werden. Hierzu ist innerhalb des Hornleiters 2 ein an dessen Innenwand anliegendes Drehteil 31 angeordnet, welches mehrere schalldurchlässige Blenden 32 aufweist. Durch Verdrehen kann der Überdeckungsgrad zwischen Blenden 31 und Perforationen variiert werden.

In Fig. 12 sind zwei in entgegengesetzte Richtungen weisende Richtmikrofone M′ und M′′ dargestellt. Jedes Richtmikrofon M′ und M′′ weist hierbei einen Hornleiter 2′ und 2′′ auf, die in einem gemeinsamen annähernd zylindrischen Horngehäuse 41 aufgenommen sind. Das Horngehäuse 41 ist hierbei durch eine schräge Längswand 42 unterteilt, so daß sich daraus die beiden Hornleiter 2′ und 2′′ ergeben. Jeweils an den großen Hornflächen sind die Schallsensoren 1′ und 1′′ angeordnet. Die verjüngten Enden der Hornleiter sind wiederum durch Dämpfer 3′ bzw. 3′′ reflexionsfrei abgeschlossen. In der Außenwand des Horngehäuses 41 sind für beide Hornleiter Perforationen 4 vorgesehen. Wenn das Richtmikrofon M′ als Nutzmikrofon benutzt wird, so können mit dem zweiten, entgegengerichteten Richtmikrofon "von hinten" kommende Lärmstörungen erfaßt werden. Dieses störende Lärmsignal wird dann von dem Nutzsignal des Nutzmikrofones abgezogen, so daß der Störabstand verbessert wird.

Bei einem Richtmikrofon gemäß Fig. 13 ist ein Schallsensor 1 vorgesehen, der aus zwei identischen Sensoren 1 e und 1 f aufgebaut ist. Der in Richtung auf das Ende des Hornleiters 2 mit dem Volumen 21 gelegene Schallsensor 1 f ist hierbei gegenüber dem vor ihm liegenden Sensor 1 e akustisch abgekapselt. Beide Schallsensoren 1 e und 1 f sind in einer Hülse 51 eingesetzt und somit starr miteinander verbunden. Diese Hülse 51 kann durch Schwingungsisolatoren 52 zusätzlich elastisch innerhalb des Hornleiters 2 gelagert sein. Der zweite Sensor 1 f nimmt lediglich den durch Schwingungen induzierten Pseudoschall auf, während der Hauptsensor 1 e das Summensignal von Nutz- und Pseudoschall liefert. Durch eine elektronische Differenzbildung kann damit der Pseudoschall eliminiert werden.

Claims (19)

1. Richtmikrofon mit einem einen Mikrofonvorsatz bildenden Rohr, dessen Wand Perforationen aufweist, einem Schallsensor, z. B. einem Druckmikrofon, der im Inneren des Rohres im Bereich eines Rohrendes angeordnet ist und mit einem Windgeräusche mindernden Überzug des Rohres, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrofonvorsatz als Hornleiter (2) ausgebildet ist, wobei der Schallsensor (1) im Bereich der großen Hornfläche gelegen ist und die kleine Hornfläche in Aufnahmerichtung zeigt.

2. Richtmikrofon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kleine Hornfläche mit einem reflexionsfreien Abschluß (3), z. B. einer Dämpfung oder einer gedämpften Laufstrecke versehen ist.

3. Richtmikrofon nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Hornleiters (2) mit einem Überzug (5) versehen ist, der eine Vielzahl von in Anströmrichtung (A) des Richtmikrofons ausgerichteten Härchen aufweist.

4. Richtmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Hornleiters (2) kreisförmig, oval, etwa rechteckig oder - zur Vergrößerung der Oberfläche - sternförmig ist.

5. Richtmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hornleiter (2) mit einer Heizung (8) ausgerüstet ist.

6. Richtmikrofon nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung (8) in der Wand des Hornleiters (2) angeordnet ist.

7. Richtmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Hornleiters (2) Elemente (9) zur Schallumleitung vorgesehen sind, insbesondere in Form von Rippen oder einer Wendel.

8. Richtmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, daß innerhalb des Hornleiters (2) in dessen Längsrichtung mehrere Schallsensoren (1 a bis 1 b) angeordnet sind.

9. Richtmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Hornleiters aerodynamisch, z. B. in Tropfenform geformt ist.

10. Richtmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Perforationen (4) in der Wand des Hornleiters (2) durch eine Membran abgedeckt sind.

11. Richtmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Perforationen (4) in der Wand des Hornleiters (2) mit Hilfe einer einstellbaren Blende (31) zumindest teilweise abdeckbar sind.

12. Richtmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Hornleiter (2) abgewandten Seite des Schallsensors ein Hohlraum (21) vorgesehen ist, der über eine Öffnung (23) nach außen geöffnet ist.

13. Richtmikrofon nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Öffnung (23) mit Hilfe einer Blende (22) einstellbar ist.

14. Richtmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallsensor (1) zwei Schallsensoren (1 e, 1 f) aufweist, wobei der eine Schallsensor (1 e) als Hauptsensor und der andere Schallsensor (1 f) zum Erfassen des Pseudoschalles als Nebensensor dient und von dem Hauptsensor (1 e) akustisch abgekoppelt ist.

15. Richtmikrofon nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Sensoren (1 e, 1 f) in einer Hülse (51) hintereinander gelagert sind, wobei der Hauptsensor (1 e) dem Hornleiter (2) zugewandt ist.

16. Richtmikrofon nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (51) in dem Hornleiter (2) über Schwingungsisolatoren (52) gelagert ist.

17. Richtmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Schwingungssensor (1) ein Resonator (24) verbunden ist.

18. Richtmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Hornleiter (2) mit zugeordneten Schallsensoren (1) zu einem gemeinsamen Richtmikrofon gebündelt sind.

19. Richtmikrofon nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß in einem zylindrischen Horngehäuse (41) zwei Hornteile (2′, 2′′) angeordnet sind, die durch eine schräge Längstrennwand (42) voneinander getrennt sind.