DE4329246C2 - Verfahren zur Bestimmung der frequenzabhängigen Reflexionseigenschaften von Wandmaterialien - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der frequenzabhängigen Reflexionseigenschaften von Wandmaterialien

Die "Akustik" eines Raumes wird maßgeblich von den akustischen Eigenschaften der Raumbegrenzungsflächen, also Wände, Decken und Boden bestimmt. Insbesondere kennzeichnet der frequenzabhängige Absorptionsgrad der Begrenzungsflächen, 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 messtechnisch zu bestimmen, existieren im wesentlichen zwei Verfahren, nämlich das Hallraumverfahren und die Bestimmung des Absorptionsgrades im Kundtschen Rohr (siehe z. B. DIN 52212 bzw. DIN 52215). Im erstgenannten Fall wird die Schallenergieabnahme nach Abschalten einer definierten Schallquelle bestimmt, im zweiten 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 Absorptionseigenschaften 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, wie sie aus der Veröffentlichung "In-Situ Messung komplexer Reflexionsfaktoren" in Acustica Vol. 75, 1991, Seiten 28-39 von U. Wilms, R. Heinz bekannt ist. Die darin beschriebene Methode erlaubt zwar die breitbandige Bestimmung der komplexen akustischen Reflexionsfaktoren von Wandflächen vor Ort, weist jedoch einige Nachteile auf. Da sowohl der Direktschallimpuls als auch die Störreflexionen aus der Impulsantwort herausgeschnitten werden müssen, ist das resultierende Zeitfenster verhältnismäßig kurz und somit die Aussagekraft der Messergebnisse für tiefere Frequenzen eingeschränkt. Des weiteren verursacht die nicht fest definierte Geometrie der Lautsprecher - Mikrophon Anordnung Messfehler. Auch die Erfassung von anderen Schalleinfallswinkeln 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 einschränkt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung der frequenzabhängigen Reflexionseigenschaften von Wandmaterialien unter Beseitigung der vorgenannten Nachteile bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren zur Bestimmung der frequenzabhängigen Reflexionseigenschaften von Wandmaterialien gelöst.

Die der Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht darin, ein erstes digitalisiertes Messsignal aus einem ermittelten einfallenden Schallsignal zu erzeugen, eine Messanordnung vor der auszumessenden Wandfläche zu positionieren, ein zweites digitalisiertes Messsignal aus dem einfallenden und reflektierten Schall zu bestimmen und einen frequenzabhängigen Reflexionsfaktor nach der Bestimmung des reflektierten Schallanteils durch laufzeitrichtige Subtraktion des ersten digitalisierten Messsignals zu bestimmen.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des Erfindungsgegenstandes.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Messanordnung zur Erläuterung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 einen schematischen Messaufbau zur Erläuterung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 ein Signalschaubild zur Erläuterung der Funktion einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 zwei Signalschaubilder zur Erläuterung der Funktion einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 zwei Signalschaubilder zur Erläuterung der Funktion einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 6 einen schematischen Messaufbau zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder Funktionsgleiche Bestandteile.

Bei dem 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 nach H. D. Lüke "Signalverarbeitung", Springer Verlag, 3. Auflage 1985 Seite 4 ff, 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 nach F. Williams, N. Sloane "Pseudo-Random Sequences and Arrays", Proc IEEE, Vol. 64, 1976 Seiten 1715-1729, an, das ein sehr günstiges Verhältnis von Nutz- zu Störsignal liefert. Diese Messsignale erfordern eine Kreuzkorrelationsbildung des gemessenen Signals mit der anregenden Maximalfolge (Korrelationsfilter, matched filter), was softwaremäßig mit der effizienten "Schnellen Hadamard Transformation" erfolgen kann, wie in J. Borish, J. Angell "An Efficent Algorithm for measuring the Impulse Response Using Pseudorandom Noise", J. Audio Eng. Soc., Vol. 31, No. 7, 1983 beschrieben. Das Ergebnis ist die Impuls- oder Stoßantwort des Systems.

Die so bestimmte Impulsantwort h_M2(t) besteht aus der Überlagerung von einfallendem (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 aufweist),

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

Um den frequenzabhängigen Reflexionsfaktor zu bestimmen, muss der Schalldruck der reflektierten Welle zu dem Schalldruck der einfallenden Schallwelle ins Verhältnis gesetzt werden. Dies erfordert die getrennte Kenntnis der beiden komplexen Schalldrücke. Zu diesem Zweck wird vor der Wandmessung die einfallende Schallwelle 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 reflektierende Flächen weit entfernt sind (mindestens ≈3 m). Das Ausblenden geschieht durch Multiplikation der gemessenen Impulsantwort mit einer auf diese zugeschnittenen 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 Übertragungsverhältnisse, 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 verbunden sind. Starr bedeutet in diesem Zusammenhang, dass etwaige Positionie­ rungsungenauigkeiten, welche beim Umstellen der Messanordnung entstehen könnten, 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 beeinflusst (im Verhältnis zur Wellenlänge dünnes Gestänge).

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

H _M3(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 liegt in der Tatsache, dass die Subtraktion eine Platzierung 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 Platzierung 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 weitgehende Automatisierung der Auswertung.

Bei Wandflächen mit inhomogener Oberfläche ist es hingegen zwecks einer gewissen Flächenmittelung der Messergebnisse sinnvoll, das Mikrophon nicht unmittelbar 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 bieten Messsignale (z. B. Pseudorauschsignale), die exakt die inversen Übertragungseigenschaften des Lautsprechers, des Mikrophons und anderer beteiligter Systemkomponenten (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. 4). 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 störende Reflexionen können früher eintreffen, um noch fehlerfrei ausgeblendet zu werden.

Bei Positionierung des Mikrophons in einigen Zentimetern Abstand vor der Wand und gleichzeitiger Verwendung von Pseudo- Rauschsignalen, die die exakten inversen 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 der Direktschall ebenfalls herausgefenstert werden. Der Vorteil des Verfahrens besteht in der Vorentzerrung der Messsignale und der zueinander starren Lautsprecher - Mikrophon Anordnung, welches die genaue Vorentzerrung erst ermöglicht.

Das Verfahren lässt sich gemäß Fig. 6 auch als Rohrmessung anwenden, wobei eine Probe eines bestimmten Materials vermessen wird. In diesem Fall ist ein Rohrende reflexionsfrei abgeschlossen; der Rohrdurchmesser darf nur die Ausbreitung ebener Wellen im betrachteten Frequenzbereich 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" oder zeitlich gegenüber dem Direktschallimpuls (Referenzsignal) nach hinten zu schieben. So ist ein Ausblenden der störenden Reflexion möglich.

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

Claims (3)

1. Verfahren zur Bestimmung der frequenzabhängigen Reflexionseigenschaften von Wandmaterialien mit Hilfe einer vor der auszumessenden Wandfläche positionierten Lautsprecher-Mikrofon Anordnung,
bei dem die Position des Mikrofons relativ zum Lautsprecher während der unten beschriebenen Verfahrensschritte unverändert bleibt,
bei dem Messsignale verwendet werden, die impulsförmige Signale sind, sich aus impulsförmigen Signalen zusammensetzen oder auf impulsförmige Signale zurückführbar sind,
bei dem die folgenden Schritte durchgeführt werden:
Ermittlung des einfallenden Schallsignals durch eine Quasi-Freifeld-Referenzmessung zur Erzeugung eines ersten digitalisierten Messsignals h_M1(t),
Positionieren der Messanordnung vor der auszumessenden Wandfläche, Beschallen der Wandfläche mit den Messsignalen, Aufnahme des Schalls und Bestimmung des Schallsignals als zweites digitalisiertes Messsignal (h_M2(t)), welches aus einfallendem Schall und an der auszumessenden Fläche reflektiertem Schall besteht
(h_M1(t) + h_M1(t).r (t)) Bestimmung des reflektierten Schallanteils (h_M1(t).r(t)) durch laufzeitrichtige Subtraktion des ersten digitalisierten Messsignals nach folgender Gleichung
h _M3(t) = h _M1(t) + h_M1(t).r(t) - h_M1(t) = h_M1(t).r(t),
Durchführen einer Fouriertransformation, des ersten und des reflektierten digitalisierten Messsignals (H _M2(f), H _M3(f)), Ermittlung des frequenzabhängigen Reflexionsfaktors (R(f)) nach folgender Gleichung H _M3(f)/H _M1(f) = R(f).

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

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Messanordnung derart gestaltet ist, dass eine Materialprobe in einem Wellenleiter (Rohr) gebracht wird.