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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Untersuchung der Schallübertragung
von einer Schallquelle, wie einer Lärmquelle, zu einer Hörposition
eines Menschen.
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Hintergrund der Erfindung
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Der
Schutz der Umwelt und der Menschen gewinnt immer mehr an Bedeutung.
Gebäude,
Personenkraftfahrzeuge, Busse, Flugzeuge, Haushaltgeräte und Industrieanlagen
besitzen lärmerzeugende
Bauteile wie Motoren, Zahnräder,
Getriebe usw. Aus Gründen
des individuellen Lärmschutzes wurden
die lärmerzeugenden
Bauteile und der Weg der Lärmübertragung
bis hin zum Menschen mit dem Ziel untersucht, den an der Quelle
erzeugten Lärm
zu reduzieren und den von der Quelle zum Menschen übertragenen
Lärm zu
vermindern.
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Ein
bedeutender Teil des Verfahrens der Lärmminderung besteht in der
Prüfung
der akustischen Eigenschaften lärmerzeugender
und lärmübertragender
Medien, z. B. mechanische Strukturen und Luft oder andere Fluide.
In komplexen Strukturen mit mehreren Lärmquellen, wie oben erwähnt, kann die
Erkennung von Lärmquellen
und Übertragungswegen
sowie die Erkennung ihres jeweiligen Anteils am wahrgenommenen Lärm kompliziert
sein.
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Es
gibt computergestützte
Verfahren zur Analyse physischer Strukturen und es können mathematische
Modelle analysierter Strukturen erstellt werden. Es gibt akustische
Hilfsmittel für
die Simulation der akustischen Eigenschaften menschlicher Körperteile
wie Mundsimulator Typ 4227, Ohrsimulatoren Typ 4185 und Typ 4195,
Kopf- und Torsosimulator Typ 4100 und Typ 4128, sämtlich von
der Fa. Brüel & Kjaer Sound and
Vibration Measurement A/S. All diese Hilfsmittel dienen der Analyse
des Schalls an verschiedenen Etappen auf seinem „normalen" vorwärts gerichteten Übertragsweg
von der Schallquelle zu einem Menschen.
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Die Übertragungsfunktion
für Schall
von einer Schallquelle zu einer Messstelle wird oft als akustische Übertragungsfunktion
bzw. Übertragungsimpedanz
Zt ausgedrückt, definiert als Zt = p/Q, wobei gilt: Q ist der von der Schallquelle
ausgehende Schallfluss (die Volumenschnelle) und p ist der an der Messstelle
anliegende Schalldruck, der sich aus dem von der Schallquelle erzeugten
Schallfluss ergibt. In den meisten Fällen liegt zwischen den analysierten mechanischen
und akustischen Übertragungsmedien
ein reziprokes Verhältnis
vor und das bedeutet, dass die akustische Übertragungsfunktion für die Vorwärtsübertragung
und die Rückwärtsübertragung identisch
ist. In anderen Worten: Wenn die Schallquelle und das Messmikrofon
gegeneinander ausgetauscht werden, wodurch die Schallübertragung durch
die Struktur umgekehrt wird, und die Randbedingungen dabei unverändert bleiben,
dann bleibt die akustische Übertragungsimpedanz
unberührt,
d. h. die „vorwärts" gerichtete akustische Übertragungsimpedanz
und die „rückwärts" gerichtete akustische Übertragungsimpedanz
sind identisch.
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Für Messungen
der akustischen Übertragungsimpedanz
ist es notwendig, den Schallfluss des ausgehenden Schallsignals
zu kennen. Das gilt für
Messungen in Vorwärtsrichtung
ebenso wie für Messungen
in Rückwärtsrichtung.
Dieser Fakt wird bekanntlich bei der Analyse der Schallübertragung ausgenutzt,
indem eine Schallquelle an einem gewöhnlich von einem Menschen eingenommenen Standort,
der so genannten „Hörposition", und ein Mikrofon
am normalen Standort der Schallquelle angeordnet werden. Das hat
eindeutige Vorteile bei der Erkennung von Schallquellen und bei
der Verfolgung des Lärmweges
von der Quelle bis zur Hörposition.
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Zur
Messung des vorwärts
gerichteten Übertragungswegs
kann ein Kopf- und Torsosimulator Typ 4100 der Fa. Brüel & Kjaer Sound and
Vibration Measurement A/S an der Hörposition angeordnet werden,
wodurch sehr realistische Messungen des vorwärts gerichteten Übertragungsweges
erhalten werden können.
Bei der Messung des rückwärts gerichteten Übertragungsweges
mit heutiger Technologie muss man jedoch nach wie vor eine herkömmliche
Schallquelle an der Hörposition
verwenden, und herkömmliche
Lautsprecher haben den Nachteil, dass sie keine akustischen Eigenschaften
des Menschen simulieren. Der Mundsimulator Typ 4227 und der Torsosimulator
Typ 4128 der Fa. Brüel & Kjaer Sound and
Vibration Measurement A/S simulieren jeweils die akustischen Eigenschaften
des menschlichen Mundes sehr gut, aber diese Eigenschaft der handelsüblichen
Simulatoren ist für
Messungen mit dem rückwärts gerichteten Übertragungsweg
irrelevant. Somit wird eine Schallquelle für den Einsatz in solchen Messungen
benötigt.
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DE 2 716 345 offenbart einen
Kunstkopf mit zwei eingebauten Lautsprechern zum Senden von stereophonem
Schall durch die beiden Ohren des Kunstkopfes, insbesondere stereophone
Schallaufnahmen, die mit einem Kunstkopf vorgenommen werden, in
dessen Ohren Mikrofone angeordnet sind.
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US 4 631 962 offenbart ein
künstliches
Kopfmesssystem bestehend aus geometrischen Körpern zur Simulierung akustischer
Eigenschaften eines menschlichen Kopfes. In den Tonkanälen des
künstlichen
Kopfes sind Mikrofone angeordnet. In Bezug auf die vorliegende Erfindung
entspricht das künstliche
Kopfmesssystem von
US 4 631 962 dem
oben erwähnten
Kopf- und Torsosimulator Typ 4100 der Fa. Brüel & Kjaer Sound and Vibration Measurement A/S.
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JP 07 264632 offenbart
einen Kunstkopf mit einem Mikrofonpaar zur Durchführung stereophoner Schallaufnahmen
und einem Kamerapaar zur Durchführung
stereoskopischer Videoaufnahmen zeitgleich mit den Schallaufnahmen.
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JP 60 254997 offenbart
ein System beinhaltend eine Modellpuppe mit Mikrofonen in den Ohren zur
Messung akustischer Übertragungseigenschaften,
z. B. in einem Fahrzeug, im vorwärts
gerichteten Übertragungsweg.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Erfindung löst
dieses Problem durch Einsatz eines Simulators, der akustische Eigenschaften eines
Menschen simuliert, wobei der erfindungsgemäße Simulator in dem nachgestellten
Kopf eine Öffnung
aufweist, die ein Ohr des nachgestellten Menschen simuliert, sowie
eine Schallquelle zur Ausgabe von Schallsignalen durch die Öffnung,
um so rund um den Simulator ein Schallfeld zu erzeugen, das ein Schallfeld
um einen Menschen simuliert.
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Ein
solcher Simulator vervollständigt
die rückwärts gerichtete
Messkette und kann an einer gewöhnlich
von einem Menschen eingenommenen Position angeordnet werden, d.
h. an einer „Hörposition". Die Randbedingungen
im „rückwärts" gerichteten Messweg
sind gegenüber
den Randbedingungen im „vorwärts" gerichteten Messweg
unverändert
und identisch, wodurch die Übereinstimmung
(Identität) der „vorwärts" und „rückwärts" vorgenommenen Messungen
gesichert wird. Gemessen wird der Schallfluss des durch das simulierte
Ohr bzw. die simulierten Ohren ausgegebenen Signals und ein bzw. mehrere
Messmikrofone messen den resultierenden Schalldruck an einer oder
mehreren Positionen.
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Die
akustische Übertragungsfunktion
wird daraufhin entsprechend der oben genannten Formel berechnet.
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Ferner
lassen sich auch Schwingungswandler wie Beschleunigungsmesser an
Stelle von bzw. in Kombination mit Messmikrofonen verwenden. Der Einsatz
von Schwingungswandlern in einer Vorwärts- bzw. Rückwärts-Wegmessung ermöglicht die
Messung der Übertragungsfunktion
zwischen der mechanischen Anregung einer Struktur an einem bestimmten
Punkt und dem durch die mechanische Anregung erzeugten Schallpegel
des abgestrahlten Schalls an einer „Hör"-Position.
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Der
erfindungsgemäße Simulator
kann eine oder zwei Öffnungen
aufweisen, die ein linkes bzw. rechtes Ohr des nachgestellten Menschen
simulieren, und es können
daraufhin Mittel zur Verfügung gestellt
werden, mit denen Schallsignale selektiv über jedes der beiden simulierten
Ohren ausgegeben werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Simulators,
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2 zeigt
schematisch das Messprinzip für die
Messung des Schalls, der aus einem simulierten Ohr des Simulators
aus 1 und 3 ausgegeben wird,
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3 zeigt
schematisch die im Simulator von 1 vorgenommene
Anordnung zur Bereitstellung eines ausgehenden Schallsignals über eines der
simulierten Ohren des Simulators aus 1,
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4 zeigt
schematisch die Anordnung in einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Simulators,
und
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5 illustriert
das Messverfahren der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Die
Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 beschrieben.
Zur Vereinfachung werden im Folgenden alle Strukturen des Simulators, die
Teile eines menschlichen Körpers
nachstellen, entsprechend den menschlichen anatomischen Strukturen
benannt, die sie simulieren. Somit wird die Struktur des Simulators,
die ein menschliches Ohr nachbildet, als „Ohr" und nicht als „simuliertes" Ohr bezeichnet.
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1 zeigt
eine Vorderansicht eines Simulators 10 mit einem Torso 11 und
einem Hals 12, worauf ein Kopf 13 sitzt. Der Kopf
des Simulators besitzt ein linkes Ohr 14 und ein rechtes
Ohr 15, die jeweils mit einer Ohrmuschel dargestellt sind.
Ferner besitzt der Kopf eine Nase 16 und einen Mund 17.
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3 zeigt
schematisch das Innenleben des Kopfes 13 des Simulators 10.
Im Simulator, vorzugsweise im Torso 11 bzw. eventuell im
Hals 12 befindet sich ein Lautsprecher 30. Der
Lautsprecher 30 ist über
einen Kanal 18 mit beiden Ohren 14 und 15 verbunden.
Der Kanal 18 besitzt einen senkrechten Abschnitt und ist über eine
Verzweigung in T-Form mit den Ohren verbunden. Die Verzweigung kann
auch in Y-Form bzw. in einer anderen geeigneten Form gestaltet sein.
An der Verzweigungsstelle ist ein Ventil 19 bzw. ein anderer
geeigneter Mechanismus vorgesehen, um Schall vom Lautsprecher 30 entweder
ans linke Ohr 14 oder ans rechte Ohr 15 zu richten.
Das Ventil 19 kann durch einen Bediener manuell bedient bzw.
durch die Anordnung im Kasten „Signalgenerator
+ Analysator" elektrisch
gesteuert werden. Das freie Ende eines jeden Abzweigs endet jeweils
mit einer Öffnung
im entsprechenden Ohr. In jedem der beiden Abzweige ist ein Mikrofonpaar
M1, M2 bzw. M3, M4 eingebaut. Die Vorderseite des Lautsprechers 30 ist über einen
Anpassungshohlraum 31 mit dem Kanal 18 verbunden.
Der Anpassungshohlraum 31 gewährleistet die akustische Anpassung
des Lautsprechers 30 an den Kanal 18. Nach Anschluss
an eine geeignete Signalquelle wird der Lautsprecher 30 Schallsignale
in den Anpassungshohlraum 31 erzeugen, von wo aus die Schallsignale
sich in den Kanal 18 ausbreiten und die Kanalabzweige durch
eines der Ohren verlassen.
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2 zeigt
schematisch eine Anordnung für die
Erzeugung eines auszugebenden Schallsignals durch eines der Ohren
des Simulators 10 gemäß 3 und
für die
Messung des Schallflusses des ausgegebenen Schallsignals. Die Anordnung
umfasst den Lautsprecher 30, den Anpassungshohlraum 31,
den Kanal 18 und die beiden Mikrofone M1 und M2. Typischerweise
befinden sich die Mikrofone M1 und M2 im Kanal 18 in Abständen von
2 cm bzw. 4 cm vom freien äußeren Ende
des Kanals; diese Entfernungen sind abhängig von der interessierenden
oberen Frequenz. Instrumente, darin inbegriffen insbesondere ein
Signalgenerator und ein Analysegerät (Analysator), die aus Gründen der Vereinfachung
als ein Block dargestellt werden, erzeugen ein elektrisches Signal,
das dem Lautsprecher 30 zugeführt wird, der ein Schallsignal
entsprechend dem vom Signalgenerator kommenden elektrischen Signal
erzeugt. Das so erzeugte Schallsignal breitet sich über den
Anpassungshohlraum 31 durch den Kanal 18 aus und
tritt am freien Ende des Kanals, d. h. durch das linke Ohr 14 des
Simulators aus. Die beiden Mikrofone M1 und M2 werden im Kanal in
einem exakt bestimmten Abstand voneinander und vom freien äußeren Ende
des Kanals 18 positioniert. Die Mikrofone M1 und M2 können im
Kanal oder, wie in den Figuren gezeigt, in der Wand des Kanals so
positioniert sein, dass ihr schallempfindliches Element im Wesentlichen
bündig
mit der Kanalwand ist. Bei Kondensatormikrofonen ist deren Membran
das schallempfindliche Element. Die Mikrofone geben in Reaktion
auf den Schalldruck, der auf ihr schallempfindliches Element einwirkt,
jeweils ein elektrisches Signal ab. Bei Kondensatormikrofonen ist
es notwendig, direkt hinter dem schallempfindlichen Element einen
Vorverstärker
bzw. einen Impedanzwandler nachzuschalten. Die von den Mikrofonen
bzw. von deren Vorverstärkern
abgegebenen Signale werden dem Analysator eingespeist, der die von
den Mikrofonen kommenden Signale empfängt und analysiert. Anhand
der Schalldrücke,
die von den beiden Mikrofonen gleichzeitig gemessen werden, kann
der Schallfluss in der Öffnung
des Ohrkanals bei Frequenzen geschätzt werden, an denen sich nur
ebene Wellen im Ohrkanal ausbreiten.
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Ein
Messmikrofon Mm kann an beliebiger Stelle und insbesondere an Positionen
angeordnet werden, wo der Schall gemessen werden soll, der sich
vom Simulator aus ausgebreitet hat. Das Messmikrofon Mm gibt ein
elektrisches Signal ab, das den Schalldruck an seinem Standort darstellt.
Das Signal vom Messmikrofon Mm wird, z. B. wie gezeigt, in dem Block
analysiert, der für
Signalgenerator und Analysator steht. An Stelle eines einzigen Messmikrofons Mm
können
auch mehrere Messmikrofone und/oder Schwingungswandler verwendet
werden.
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4 zeigt
eine einfachere Ausführungsform
der Erfindung, bei der sich der Kanal 18 nicht auf beide
Ohren aufzweigt, sondern nur zum linken Ohr 14 verläuft. Hier
wird an Stelle von zwei Messmikrofonen nur ein einziges Messmikrofon
M1 verwendet. Das einzelne Messmikrofon M1 wird am bzw. neben dem äußeren Ende
des Kanals 18 positioniert, wo es den Schalldruck misst.
Dies ist eine vereinfachte Anordnung, mit der der ausgegebene Schallfluss
nicht direkt gemessen werden kann, aber bei Annahme von Freifeld-Übertragungsbedingungen lässt sich
eine angenäherte
Bestimmung vornehmen.
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5 zeigt
die Verwendung des Simulators im erfindungsgemäßen Verfahren. Der oben beschriebene
Simulator 10 wird im Fahrgastraum 40 eines Kraftfahrzeugs
positioniert, wo der Simulator im Fahrersitz oder in einem Fahrgastsitz
angeordnet werden kann. Ein ähnlicher
Aufbau kann für
Messungen z. B. in einem Flugzeug verwendet werden, wo der Simulator
in einem Passagiersitz bzw. in einem Sitz eines Crew-Mitglieds untergebracht
wird. Die im Block „Signalgenerator
+ Analysator" enthaltenen
Instrumente können
an beliebiger geeigneter Stelle innerhalb oder außerhalb
des Fahrzeugs bzw. Flugzeugs positioniert werden. Eines bzw. mehrere Messmikrofone
Mm werden an Positionen innerhalb bzw. außerhalb des Fahrgastraums 40 angeordnet und
an den Analysator angeschlossen. Als tatsächliche Standorte werden für die Messmikrofone
Mm solche Positionen gewählt,
die darauf zu untersuchen sind, welchen Anteil sie am Schallpegel
haben, der an der vom Simulator eingenommenen Hörposition vorliegt. Ein Bediener
kann die Messmikrofone zu den gewünschten Messstellen bringen
oder man kann die Mikrofone an vorherbestimmten Stellen installieren.
Elektrische Anregungssignale werden an den Lautsprecher 30 im
Simulator geführt,
woraufhin durch beide Ohren 14, 15 entsprechende
Schallsignale ausgegeben werden. Über das Mikrofonpaar M1 und
M2 bzw. M3 und M4 wird im Ohrkanal ein Schalldruck-Messwertpaar
bestimmt. Im Analysator wird das Schalldruck-Messwertpaar verarbeitet
und extrapoliert, um daraus den Schallfluss zu bestimmen, der vom
Ohr des Simulators, d. h. am äußeren Ende
des Ohrkanals ausgegeben wird. Das eine oder die mehreren Messmikrofone
Mm geben jeweils ein elektrisches Signal aus, das den Schalldruckpegel
p an ihrem jeweiligen Standort darstellt, und der Analysator berechnet
die akustische Übertragungsimpedanz
Zt = p/Q zwischen der Hörposition, d. h. dem Ohr des Simulators,
und der jeweiligen Position der einzelnen Messmikrofone Mm. Vorzugsweise
verwendet wird ein digitaler FFT-Analysator bzw. SSR-Analysator (Steady-State-Response)
mit digitalen Algorithmen.
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Das
elektrische Anregungssignal für
den Lautsprecher 30 im Simulator kann jedes beliebige geeignete
Signal sein, beispielsweise eine reine Sinuswelle, eine gewobbelte
Sinuswelle, eine gestufte Sinuswelle, bzw. können die Anregungssignale zufällige oder
pseudozufällige
Signale, darunter Breitbandsignale, Schmalbandsignale bzw. spektrumförmige Breitbandsignale
sein. Sowohl stationäre
als auch transiente Signale sind einsetzbar.
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An
Stelle eines bzw. mehrerer Messmikrofone Mm können Schwingungssensoren wie
Beschleunigungsmesser verwendet werden, um die Strukturschwingungen
zu messen, die der vom Simulator erzeugte Schall verursacht. Die Übertragungsimpedanz
liegt dann typischerweise zwischen der Strukturschwingungsgeschwindigkeit
(Einheit: ms-1) und dem akustischen Schallfluss
(Einheit: m3s-1)
und die Einheit der Übertragungsimpedanz
ist dann m-2.
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Im
Analysator können
Verfahren der Lärmminderung
verwendet werden. Zu diesen Verfahren gehören der Einsatz von Festfrequenz-Bandpassfiltern
und abstimmbaren Bandpassfiltern, Korrelationsanalyse usw., die
alle in der Technik bekannt und nicht Teil der Erfindung sind.
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Literatur
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- [1] Leo L. Beranek: Acoustics, McGraw-Rill Book Company,
1954, Library of Congress Catalog Card Number 53-12426, ISBN 07-004835-5,
Seiten 8-15 und 40-46.
- [2] Brüel & Kjaer Technical
Review No. 3-1982, Seiten 3-39.
- [3] Brüel & Kjaer Technical
Review No. 4-1982, Seiten 3-32.
- [4] Brüel & Kjaar Technical
Review No. 4-1985, Seiten 3-31.