DE4329246A1

DE4329246A1 - Computer-gestützte Messung akustischer Absorptionseigenschaften von Wandmaterialien

Info

Publication number: DE4329246A1
Application number: DE19934329246
Authority: DE
Inventors: Eckard Dipl Ing Mommertz
Original assignee: Individual
Current assignee: Mommertz Eckard Dipl-Ing 81375 Muenchen De
Priority date: 1993-08-31
Filing date: 1993-08-31
Publication date: 1994-01-05
Anticipated expiration: 2013-09-01
Also published as: DE4329246C2

Description

Stand der Technik

Die "Akustik" eines Raumes wird maßgeblich von den akustischen Eigenschaften der Raumbegrenzungsflächen, also Wände, Decken und Boden bestimmt. Insbe sondere kennzeichnet der frequenzabhängige Absorptionsgrad der Begrenzungs flächen, unter dem man das Verhältnis von nicht wiederkehrender zu auffallender Schallintensität versteht, diese Eigenschaften. Für die raumakustische Planung ist die Kenntnis des Absorptionsgrads eine wichtige Voraussetzung. Um diesen meß technisch zu bestimmen, existieren im wesentlichen zwei Verfahren, nämlich das Hallraumverfahren und die Bestimmung des Absorptionsgrades im Kundtschen Rohr (siehe z. B. DIN 52 212 bzw. DIN 52 215). Im erstgenannten Fall wird die Schall energieabnahme nach Abschalten einer definierten Schallquelle bestimmt, im zwei ten Fall ein Stehwellenmuster vor dem zu messenden Material analysiert. Diese Meßmethoden liefern entweder nur über bestimmte Frequenzbereiche und über alle Raumwinkel gemittelte Ergebnisse (Hallraum) oder aber es müssen sehr kleine Materialproben ausgemessen werden (Kundtsche Rohr). Zudem müssen Proben des auszumessenden Materials vorliegen, was bei der Überprüfung der Absorptions eigenschaften von Wandflächen in einem existierendem Raum nicht immer möglich ist. Hier ließe sich beispielsweise ein in der Offenlegungsschrift DE 34 19 515 A1 beschriebenes Verfahren anwenden. Eine neuere Methode besteht in der In-Situ Messung von Absorptionsgraden [1]. Die in [1] beschriebene Methode erlaubt zwar die breitbandige Bestimmung der komplexen akustischen Reflexionsfaktoren von Wandflächen vor Ort, weist jedoch einige Nachteile auf. Da sowohl der Direktschall impuls als auch die Störreflexionen aus der Impulsantwort herausgeschnitten wer den müssen, ist das resultierende Zeitfenster verhältnismäßig kurz und somit die Aussagekraft der Meßergebnisse für tiefere Frequenzen eingeschränkt (siehe (1]). Des weiteren verursacht die nicht fest definierte Geometrie der Lautsprecher - Mikrophon Anordnung Meßfehler.

Auch die Erfassung von anderen Schalleinfalls winkeln als den senkrechten ist nicht ohne weiteres möglich. Zusätzlich ist die nach trägliche softwaremäßige Bearbeitung der Meßsignale verhältnismäßig aufwendig und erfordert vom Benutzer viel Know-How, was eine kommerzielle Nutzung ein schränkt. Diese Nachteile werden durch die Erfindung beseitigt.

Ausführungsbeispiele

Bei dem zu patentierenden Verfahren befinden sich ein Lautsprecher und ein Mikro phon gemäß Fig. 1 vor der auszumessenden Fläche, die eine Wand in einem geschlossenen Raum sein kann. Für die dargestellte Geometrie wird nach der Theorie für lineare zeitinvariante Systeme [2] die Impulsantwort h_M2(t) gemessen. Die über einen AD-Wandler diskretisierten und digitalisierten Signale werden über einen Computer auf einem geeigneten Speichermedium (Festplatte) abgespeichert und später weiterverarbeitet. Der schematische Meßaufbau ist in Fig. 2 dargestellt.

Als Meßsignale bieten sich Pseudorauschsignale, insbesondere sogenanntes Maximalfolgenrauschen [3] an, das ein sehr günstiges Verhältnis von Nutz- zu Stör signal liefert. Diese Meßsignale erfordern eine Kreuzkorrelationsbildung des gemes senen Signals mit der anregenden Maximalfolge (Korrelationsfilter, matched filter), was softwaremäßig mit der effizienten "Schnellen Hadamard Transformation" erfol gen kann [4]. Das Ergebnis ist die Impuls- oder Stoßantwort des Systems.

Die so bestimmte Impulsantwort h_M2(t) besteht aus der Überlagerung von einfallen dem (Direktschall) und reflektiertem Impuls und weiteren unerwünschten Rückwürfen (Bodenreflexion, Rückwürfen von anderen Wänden)

hierbei beschreibt h_M1(t) die Impulsantwort vom Lautsprecher zum Mikrophon, es wird vorausgesetzt daß das Mikrophon eine kugelförmige Richtcharakteristik auf weist),

die Summe der Störreflexionen inclusive Nachhall und r(t) ist die inverse Fouriertransformierte des frequenzabhängigen Reflexionsfaktors R(f). In Fig. 3 ist der Ausschnitt inclusive der ersten Störreflexion aus einer solchen Impuls antwort dagestellt.

Um den frequenzabhängigen Reflexionsfaktor zu bestimmen, muß der Schalldruck der reflektierten Welle zu dem Schalldruck der einfallenden Schallwelle ins Verhält nis gesetzt werden. Dies erfordert die getrennte Kenntnis der beiden komplexen Schalldrücke. Zu diesem Zweck wird vor der Wandmessung die einfallende Schall welle in Form der Impulsantwort h_M1(t) durch eine Quasi-Freifeld-Referenzmessung bestimmt. Diese kann vor Ort vorgenommen werden, wenn durch die Meßgeometrie sichergestellt ist, daß die Störreflexionen ausgeblendet werden können, ohne den Direktschallimpuls maßgeblich zu beeinflussen (deshalb Quasi-Freifeld), also reflek tierende Flächen weit entfernt sind (mindestens ≈ 3 m). Das Ausblenden geschieht durch Multiplikation der gemessenen Impulsantwort mit einer auf diese zugeschnit tenen Fensterfunktion (z. B. Rechteckfenster).

Nach dieser für jede Meßreihe nur einmal durchzuführenden Referenzmessung wird die Anordnung gemäß Fig. 1 vor der auszumessenden Wand positioniert. Bei der Wandmessung setzt sich, wie erwähnt, der Schalldruck aus einfallender und reflek tierter Welle zusammen. Nur die Störreflexionen (letzter Term in Formel 1) werden herausgefenstert. Der reflektierte Schallanteil wird durch laufzeitrichtige Subtraktion der beiden im Rechner vorliegenden Meßsignale erhalten.

h _M3(t) = h_M1(t)+h_M1(t) _* r(t)-h_M1(t) = h_M1(t) _* r(t) (2)

Die korrekte Subtraktion setzt bei der Freifeldmessung die gleichen Übertragungs verhältnisse, einschließlich der exakten Laufzeit vom Lautsprecher zum Mikrophon voraus wie bei der eigentlichen Wandmessung. Um dies zu erreichen, kann man sich gemäß der Erfindung und wie in Fig. 1 angedeutet, einer Anordnung bedienen, bei der das Mikrophon und der Meßlautsprecher während der Messungen starr ver bunden sind. Starr bedeutet in diesem Zusammenhang, daß etwaige Positionie rungsungenaugkeiten, welche beim Umstellen der Meßanordnung entstehen könn ten, nur einen Bruchteil der minimal betrachteten Wellenlänge betragen. Die mechanische Verbindung ist derart zu gestalten, daß sie die Schallausbreitung vom Lautsprecher zum Mikrophon im betrachteten Frequenzbereich nicht störend beein flußt (im Verhältnis zur Wellenlänge dünnes Gestänge).

Nach Transformation in den Frequenzbereich über eine "Schnelle Fourier Transfor mation" (FFT) erhält man

H _M2(f) = H _M1(f) R(f) (3)

Die Übertragungseigenschaften der Lautsprecher - Mikrophon Anordnung, welche in H_M1(f) enthalten sind, werden durch Division eliminiert und man erhält den frequenzabhängigen Reflexionsfaktor R(f) (siehe auch Fig. 4).

H _M3(f)/H _M1(f) = R(f) (4)

Daraus lassen sich des weiteren die relevanten Größen Absorptionsgrad und die akustische Impedanz ableiten. Die Division bewirkt unmittelbar eine Kalibrierung und eine Laufzeitkompensation.

Der Vorteil der Erfindung nach Anspruch 1 gegenüber [1] liegt in der Tatsache, daß die Subtraktion eine Plazierung des Mikrophons unmittelbar vor der Wand erlaubt. Zum einen werden dabei die als erstes eintreffende störende Reflexion und die Wandreflexion relativ zueinander zeitlich auseinander geschoben. Dies vergrößert das Zeitfenster zum Herausfenstern der Störreflexionen, was sich durch verbesserte Meßergebnisse im tieffrequenten Bereich äußert. Weiterhin ermöglicht die Plazie rung des Mikrophons unmittelbar vor der Wand, auch von 90° verschiedene Ein fallswinkel unter Beibehaltung der Lautsprecher-Mikrophon Anordnung zu erfassen. Der fest definierte Abstand zwischen Lautsprecher und Mikrophon erlaubt eine weit gehende Automatisierung der Auswertung.

Bei Wandflächen mit inhomogener Oberfläche ist es hingegen zwecks einer ge wissen Flächenmittelung der Meßergebnisse sinnvoll, das Mikrophon nicht unmittel bar vor der Wand zu positionieren. In diesem Fall läßt sich weiterhin die Subtrak tionsmethode anwenden. Jedoch muß die 1/r-Schalldruckdivergenz und der Phasengang des Reflexionsfaktors über die entsprechenden Laufzeiten korrigiert werden.

Eine zusätzliche Verbesserung des Meßverfahrens nach Anspruch 2 bieten Meß signale (z. B. Pseudorauschsignale), die exakt die inversen Übertragungseigen schaften des Lautsprechers, des Mikrophons und anderer beteiligter Systemkompo nenten (z. B. Filter) enthalten. Diese Meßsignale können durch eine softwaremäßige digitale Filterung generiert werden. Durch diese Maßnahme erreicht man, daß der Direktschallimpuls ein linearphasiges Bandpaßverhalten aufweist (siehe Fig. 5). Durch die nur durch ein digitales Filter zu erreichende Korrektur des Phasenverhal tens des Lautsprechers (insbesondere Ausschwingen bei tiefen Frequenzen) ist die resultierende Impulsantwort zeitlich schneller hinreichend abgeklungen und stören de Reflexionen können früher eintreffen, um noch fehlerfrei ausgeblendet zu wer den.

Bei Positionierung des Mikrophons in einigen Zentimetern Abstand vor der Wand und gleichzeitiger Verwendung von Pseudo-Rauschsignalen, die die exakten inver sen Übertragungseigenschaften von Lautsprecher und Mikrophon besitzen (dies setzt eine starre Verbindung zwischen Lautsprecher und Mikrophon voraus), ist wie beschrieben der Direktschallimpuls zeitlich sehr kurz. In diesem Fall kann nach Anspruch 3 der Direktschall ebenfalls herausgefenstert werden. Der Vorteil gegen über dem in [1] beschriebenen Verfahren besteht in der Vorentzerrung der Meß signale und der zueinander starren Lautsprecher - Mikrophon Anordnung, welches die genaue Vorentzerrung erst ermöglicht.

Nach Anspruch 4 läßt sich das Verfahren nach Anspruch 1 und 2 gemäß Fig. 6. auch als Rohrmessung anwenden, wobei eine Probe eines bestimmten Materials vermes sen wird. In diesem Fall ist ein Rohrende reflexionsfrei abgeschlossen; der Rohr durchmesser darf nur die Ausbreitung ebener Wellen im betrachteten Frequenz bereich erlauben. Bei der Referenzmessung wird an das zweite Ende des Rohres ein fest definierter Abschluß (z. B. schallhart) angebracht. Noch günstiger ist es, das Rohr durch einen Rohraufsatz mit gleichem Innendurchmesser zu verlängern und die Reflexion "abzusumpfen" (Fig. 4 b) oder zeitlich gegenüber dem Direktschall impuls (Referenzsignal) nach hinten zu schieben. So ist ein Ausblenden der stören den Reflexion möglich.

Bei der Probenmessung wird die Probe eingebracht und die entsprechende Impuls antwort gemessen. Die weiteren Schritte Subtraktion, Transformation in den Frequenzbereich und Kalibrierung erfolgen wie beschrieben.

Literatur

[1] Wilms, U., Heinz, R., In-Situ Messung komplexer Reflexionsfaktoren. Acustica 75 [1991].
[2] Lüke, H. D., Signalverarbeitung, Springer-Verlag, 3. Auflg. 1985.
[3] Williams, F., Sloane, N., Pseudo-Random Sequences and Arrays. Proc. IEEE, Vol. 64, 1976, p. 1715-1729
[4] Borish, J., Angell, J., An Efficient Algorithm for Measuring the Impulse Response Using Pseudorandom Noise. J. Audio Eng. Soc., Vol. 31, No. 7, 1983

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der frequenzabhängigen Reflexionseigenschaften von Wandmaterialien mit Hilfe einer vor der auszumessenden Wandfläche positionierten Lautsprecher - Mikrophon Anordnung, dadurch gekennzeichnet,

- daß sich die Position des Mikrophons relativ zum Lautsprecher während der unten beschiebenen Verfahrensschritte unverändert bleibt (z. B. starre Verbindung),
- daß Meßsignale verwendet werden, die impulsförmige Signale sind, sich aus impulsförmigen Signalen zusammensetzen oder auf impulsförmige Signale zurückgeführt werden können.
- und daß die folgenden Schritte durchgeführt werden:
a) Ermittlung des einfallenden Schallsignals durch eine Quasi-Freifeld- Referenzmessung
b) Positionieren der Meßanordnung vor der auszumessenden Wandfläche, Beschallen der Fläche mit o.g. Meßsignal, Aufnahme des Schalls und Bestimmung des Schallsignals bestehend aus einfallendem Schall und an der auszumessenden Fläche reflektiertem Schall
c) Bestimmung des reflektierten Schallanteils durch Subtraktion des unter a) erhaltenen digitalisierten Meßsignals von dem unter b) erhaltenen und ebenfalls digitalisierten Meßsignals.
d) Energetische und phasenmäßige Korrektur des unter c) erhaltenen Signal mit dem unter a) bestimmten Signal.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei spektral gewichtete Meßsignale verwendet werden, die die inversen komplexen Übertragungseigenschaften (nach Betrag und Phase) des Lautsprechers, des Mikrophons und eventuell anderer beteiligter Systemkomponenten beinhalten.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei jedoch anstelle der Subtraktion nach Anspruch 1 ein zeitliches Herausfenstern des Direktschallimpulses tritt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Meßanordnung derart gestaltet ist, daß eine Materialprobe in einen Wellenleiter (Rohr) gebracht wird.