DE69714589T2

DE69714589T2 - Verfahren und vorrichtung zur erfassung und lokalisierung einer reflektierenden schallquelle

Info

Publication number: DE69714589T2
Application number: DE69714589T
Authority: DE
Inventors: Mathias Fink; Jacques Lewiner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-06-13
Filing date: 1997-06-10
Publication date: 2003-04-10
Anticipated expiration: 2017-06-11
Also published as: FR2749938B1; WO1997047965A1; US6161434A; EP0904535A1; FR2749938A1; EP0904535B1; DE69714589D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen und/oder Lokalisieren einer Schallquelle.
Die Erfindung hat zahlreiche Anwendungen, von denen diejenige der zerstörungsfreien Prüfung fester Gegenstände mit so genannten Schallemissions-Verfahren genannt werden kann, die beispielsweise in dem Aufsatz "Essais non déstructifs. L'émission acoustique - Mise en oeuvre et applications" (dt.: "Zerstörungsfreie Prüfung. Die Schallemission - Einsatz und Anwendungen) von James Roget, AFNOR-CETIM, 1988, vorgestellt werden.
Bei diesen Schallemissions-Verfahren wird der untersuchte Gegenstand äußeren Belastungen ausgesetzt, die mechanischer oder thermischer Natur sein können, und um den Gegenstand herum werden Messfühler zur Erfassung eventueller Risse oder kaum hörbarer Geräusche eingesetzt, die durch diese Belastung entstanden sind und ein Beweis für strukturelle Schäden am Gegenstand sein können. Ein Problem dieser Verfahren liegt darin, dass der Signalpegel, der einer schadhaften Stelle entspricht, sehr niedrig sein kann und sich möglicherweise kaum vom Grundgeräusch, das es begleitet, unterscheidet.
Die Erfindung ist genauer auf die Erkennung von Schallquellen anwendbar, deren absoluter oder relativer Pegel in dem Signal, das von Schallaufnehmern empfangen wird, niedrig sein kann. Das Medium der Schallausbreitung müssen nicht unbedingt nur Feststoffe sein. Es kann auch ein Fluid (flüssig oder gasförmig) sein oder Grenzflächen zwischen zwei Medien umfassen.
Um den Einschränkungen der passiven Verfahren zur Erkennung von Schallquellen bei Vorhandensein eines niedrigen Verhältnisses vom Signal zum Geräusch zu begegnen, werden diese bekanntlich mit Korrelations- und/oder Triangulationstechniken kombiniert, um Quellen aufzufinden und zu identifizieren.
Diese Techniken haben allerdings ebenso ihre Schwächen. Einerseits empfangen die einzelnen Messfühler des Netzes, wenn das Ausbreitungsmedium ein für die Schallwellen sehr störendes ist (Brechung, Mehrfachreflexion ...), Schallsignale, die jegliche Korrelation verloren haben, was das Auffinden und das genaue Lokalisieren der Schallquelle praktisch unmöglich macht. Andererseits kann das Verhältnis zwischen Signal und Geräusch in einer sehr geräuschvollen Umgebung (wie beispielsweise einem ablaufenden Fluid oder dem Medium Meer) so gering sein, dass ein Auffinden und Lokalisieren der Schallquelle selbst mit ausgefeilten Korrelationsberechnungen unmöglich bleiben.
Ferner ist ein Verfahren zur Erkennung und Erfassung eines reflektierenden Ziels (EP-A-0 383 650 oder US-A-5 092 336) bekannt, nach dem man das Medium von mindestens einem Messwandler aus bestrahlt, der ein so genanntes Beleuchtungsbündel aussendet, die reflektierenden Signale von dem Medium mittels mehrerer, zu einem Netz gehörenden Netzwandler aufgefangen und gespeichert werden; die aus einer bestimmten Zone des Mediums kommenden Echos durch Fensterbildung selektioniert werden; die Signale vorübergehend umgekehrt und neu ausgesandt werden; und die vorstehend genannten Schritte wiederholt werden. Bei diesem Verfahren ist das eventuell erfasste Ziel im Allgemeinen der am stärksten reflektierende Gegenstand des betrachteten Bereichs (Berechnungen im Falle von Lithotripsie-Anwendungen, strukturelle Schäden im Falle zerstörungsfreier Prüfungen, etc.). Wenn mehrere reflektierende Gegenstände zu dem gemessenen Signal beitragen, erlauben eine oder mehrere Wiederholungen des Vorgangs eine selektive Fokussierung auf das Ziel.
Dieses Verfahren verbessert das Erfassungs- und Lokalisierungsvermögen bereits erheblich, insbesondere in Medien mit räumlichen Schwankungen der akustischen Eigenschaften wie der Wellenfortsetzungsgeschwindigkeit (siehe: "Time Reversal of Ultrasonic Fields - Part I: Basis Principles" v. M. Fink, IEEE Trans. Bei UFFC, Bd. 39, Nr. 5, September 1992, Seiten 555-566).
Allerdings kann das Licht des Beleuchtungsbündels unter bestimmten Bedingungen im Bereich des Ziels auch ungenügend zur Erzeugung einer ausreichend starken Reflexion, um von dem Messfühlernetz erfasst zu werden. Durch diese Einschränkung wird im Allgemeinen vorgesehen, dass das Beleuchtungsbündel ein kurzer Druckimpuls ist, der eine Erkennung einer Wellenfront oder eines Impulsechos in dem aufgefangenen Signal ermöglicht (siehe EP-A-0 591 061 oder US-A-5 428 999). Diese Anordnung kann jedoch unzureichend sein, insbesondere, wenn das Verhältnis zwischen Signal und Geräusch sehr niedrig ist, oder bei Vorhandensein starker Aberrationen zwischen den Messwandlern und dem Ziel.
Darüber hinaus kann es in bestimmten Fällen vorkommen, dass das betreffende Ziel nicht der am stärksten reflektierende Gegenstand der durchsuchten Zone ist. In solchen Fällen können die bekannten Verfahren mit vorübergehender Umkehrung nicht zum Erfolg führen. Beispielsweise kann bei einer zerstörungsfreien Prüfung der Beitrag eines strukturellen Schadens zu den Echosignalen vollkommen in denen der Oberflächen oder Grenzflächen des untersuchten Stücks untergehen. Dieses Problem erfordert besondere Anordnungen, wie die im Dokument EP-A-0 541 434 oder US-A-5 431 053 beschriebenen.
Wenn das betroffene Ziel eine Schallquelle ist, ist dieses nicht zwangsläufig der am stärksten reflektierende Gegenstand seiner Umgebung, was dem Wirkungsgrad der bekannten Verfahren mit vorübergehender Umkehrung zur Behebung der Schwächen der Verfahren mit passivem Empfang Grenzen setzt. Sucht man beispielsweise mit Hilfe von Hydrophonen eine Gasleckage an einer Unterwassergasleitung feststellen, ist der Gasleitungsabschnitt, der die Leckage enthält, nicht von vornherein stärker reflektierend als die übrigen Abschnitte.
Die vorliegende Erfindung zielt insbesondere darauf ab, ein Verfahren zum Erkennen und/oder Lokalisieren einer Schallquelle zur Verfügung zu stellen, das besser als die bisher bekannten den Anforderungen der Praxis genügen, insbesondere, da es das Auffinden einer Schallquelle in einem geräuschstarken und/oder einem Medium mit Mehrfachreflexionen und -brechungen ermöglicht, an dem die bisherigen Verfahren gescheitert sind.
Die Erfindung schlägt somit ein Verfahren zum Erkennen und/oder Lokalisieren einer Schallquelle vor, das einen passiven Anfangsschritt umfasst, in dem Schallsignale aufgefangen werden, die von Empfangs-Messwandlern empfangen werden, die sich an den Knoten eines ersten Netzes befinden, und elektrische Signale gespeichert werden, die von den Empfangs-Messwandlern des ersten Netzes als Antwort auf die Schallsignale erzeugt wurden. Das Verfahren umfasst anschließend folgende Schritte:
(a) man kehrt mindestens ein Zeitfenster jedes im passiven Anfangsschritt gespeicherten elektrischen Signals vorrübergehend um und verstärkt es, um Ansteuerungssignale zu erzeugen;
(b) man legt die Ansteuerungssignale an entsprechende Sende-Messwandler an, die sich an den Knoten eines zweiten Netzes befinden, das räumlich dem ersten Netz entspricht;
(c) man fängt akustische Echosignale auf, die von Empfangs-Messwandlern empfangen wurden, die sich an den Knoten eines dritten Netzes befinden, und speichert elektrische Signale, die von den Empfangs-Messwandlern des dritten Netzes als Antwort auf die genannten Echosignale erzeugt wurden; und
(d) man verwendet die in Schritt (c) gespeicherten elektrischen Signale, um das mögliche Vorhandensein einer reflektierenden Schallquelle festzustellen.
Bei einer typischen Ausführungsform sind das "erste", "zweite" und "dritte" Netz zusammengefasst und umfassen Messwandler, die sowohl senden als auch empfangen können.
Die Erfindung nutzt die Tatsache, dass die Schallsignale, die im zweiten Sehritt (b) gesendet wurden, den gleichen Ausbreitungsbedingungen unterliegen wie die im anfänglichen passiven Schritt empfangenen, sofern sich die Position der Quelle und des Messwandlernetzes zueinander zwischen diesen Schritten nicht verändert hat und sofern sich die Sendekeulen nahe den Empfangskeulen befinden. Durch diese umgekehrte Bahn auf jede Quelle, die einen ausreichenden Schallpegel aussendet. Um nach der Erfindung erfassbar zu sein, muss diese Quelle reflektierend sein. Sie muss jedoch in Anbetracht der bereits erfolgten Fokussierung beim ersten Aussenden durch das zweite Messwandlernetz nicht zwingend der meistreflektierende Gegenstand der abgetasteten Zone sein. Aberrationen werden bei weitem durch die umgekehrte Bahn kompensiert.
Zur Durchführung der in Schritt (c) vorgenommenen Messungen können alle bekannten Verfahren zur Erfassung und Klassifizierung von Reflexionsquellen eingesetzt werden. So kann im Fall, dass die ermittelte Schallquelle eine Impuls-Schallquelle ist, in diesen Aufzeichnungen nach einem eventuellen Signalpeak auf mehreren Empfangskanälen gesucht werden. Wenn solche Signalpeaks nicht sichtbar in den Aufzeichnungen auftauchen, können Korrelationen zwischen den Signalen verschiedener Kanäle gesucht werden.
Solche Korrelationen können nicht direkt sichtbare Quellen zum Vorschein bringen. Es kann auch ein beliebiges anderes bekanntes Verfahren der gleichen Art eingesetzt werden.
Wenn selbst unter diesen Bedingungen eine Quelle im Geräusch verborgen und somit unerfassbar bleibt, kann eine größere Empfindlichkeit noch dadurch erreicht werden, dass der Schritt (d) der Verwendung der im Schritt (c) gemessenen Signale selbst eine oder mehrere Wiederholungen eines Prozesses umfasst, der der Folge der Schritte (a) bis (c) vergleichbar ist, d. h. folgende Schritte umfasst:
(e) man kehrt mindestens ein Zeitfenster jedes der soeben gespeicherten elektrischen Signale vorübergehend um und verstärkt es, um Ansteuerungssignale zu erzeugen;
(f) man legt diese Ansteuerungssignale an Sende-Messwandler an, die sich an den Knoten eines vierten Netzes befinden, das räumlich dem dritten Netz entspricht; und
(g) man fängt Echosignale auf, die von Empfangs-Messwandlern empfangen wurden, die sich an den Knoten eines fünften Netzes befinden, und speichert entsprechende elektrische Signale.
Die so nach einer oder mehreren Wiederholungen erhaltenen Aufzeichnungen können dann wie vorstehend gesagt zur Erfassung des eventuellen Vorhandenseins einer reflektierenden Schallquelle verwendet werden.
Typischerweise können das "vierte" und "fünfte" Netz mit dem dritten zusammenfasst werden.
Dadurch, dass man über Aufzeichnungen verfügt, die zwei aufeinanderfolgenden Wiederholungen entsprechen, können die Erfassungskapazitäten einer Reflexionsquelle erheblich verbessert werden. Wenn das dritte und fünfte Netz zusammengefasst sind, findet dahingehend noch eine Verbesserung statt, dass man nach Durchführung der Schritte (a) bis (c) und dann n Wiederholungen (n ≥ 1) der Schritte (e) bis (g) für zumindest bestimmte Empfangs-Messwandler des dritten Netzes eine individuelle Funktion Cin(t) der Interkorrelation zwischen dem unmittelbar vor der n-ten Wiederholung und im Schritt (g) der n-ten Wiederholung gespeicherten elektrischen Signal und dem am Ende der n-ten Wiederholung (Schritt (g)) gespeicherten elektrischen Signal ermittelt und die Verteilung der so ermittelten, individuellen Interkorrelationsfunktionen auswertet.
Ein besonders vorteilhaftes Verfahren besteht darin, eine Gesamt-Interkorrelationsfunktion Cn(t) aufzustellen, und zwar pro Summe der Cin(t) auf einer bestimmten Anzahl von Kanälen:
Cn(t) = Σi Cin(t).
Das Vorhandensein selbst einer schwachen reflektierenden Schallquelle führt infolgedessen zu einem hohen Peak in der Korrelationsfunktion Cn(t).
Bei den vorstehenden Notationen beziehen sich die unteren Indizes i auf die Kanäle, die jeweils einem der Empfangs-Messwandler des dritten Netzes entsprechen, und beziehen sich die oberen Indizes auf den Rang der aufeinanderfolgenden Wiederholungen.
Man kann davon ausgehen, dass die Schritte (a) bis (c) eine Wiederholung n = 0 darstellen, obwohl die verarbeiteten Signale verschiedenartig sind (passives Horchen und keine Echomessung). In dem Fall, dass das erste, dritte und fünfte Netz und das zweite und vierte Netz zusammengefasst sind, notiert man das von dem Messwandler i im Schritt (c) oder (g) der Wiederholung n ≥ 0 erzeugte elektrische Signal als Rin+1(t) und das von dem Messwandler i im passiven Anfangsschritt erzeugte elektrische Signal als Ri&sup0;(t):
Die im Schritt (a) (n = 0) oder im Schritt (e) (n > 0) durchgeführten Verarbeitungen können dann ausgedrückt werden durch:
Ein(t) = Ain·Sin(Tin - t) (1)
wobei das Ansteuerungssignal Ein(t) im Schritt (b) oder darauffolgenden Schritt (f) an einen Sende-Messwandler angelegt wird, der im gleichen Bereich wie der Empfangs-Messwandler i angeordnet ist. In dem Ausdruck (1):
- bezeichnet das Signal Sin(t) das Signal Rin(t), multipliziert mit einer vorbestimmten Fensterbildungsfunktion Win(t);
- bezeichnet Ain einen vorbestimmten Verstärkungsfaktor, der sich auf den Kanal i und auf die Wiederholung n bezieht (im Allgemeinen sind die Verstärkungsfaktoren Ain bei allen Kanälen i die gleichen: Ain = An);
- bezeichnet Tin eine für die Umsetzung der zeitlichen Umkehrung erforderliche Verzögerung aus Kausalitätsgründen (im Allgemeinen sind die Verzögerungen Tin bei allen Kanälen i die gleichen: Tin = Tn).
Die Bedeutung der Fensterbildung muss hier unterstrichen werden. Eine Fensterbildungsfunktion Win(t) ist im Allgemeinen definiert als eine Null-Gewichtungsfunktion außerhalb eines gegebenen Intervalls oder Zeitfensters. Die im Bereich der Akustik klassischerweise verwendeten Formen können für die Win(t) verwendet werden: rechtwinklige Funktionen, Hamming-Funktionen, etc...
Durch Auswahl der Positionen der Zeitfenster können unterschiedliche Bereiche des Mediums durchsucht werden, entweder in unterschiedlichen Entfernungen oder in unterschiedlichen Winkelrichtungen bezogen auf das/die Messwandlernetz/e, indem man sich auf an sich bekannte Art die Verzögerungsgesetze der Verbreitungsphänomene zunutze macht.
Im Übrigen kann die Speicherung im passiven Anfangsschritt, im Schritt (c) und/oder in den Schritten (g) in gleicher Weise die Signale Rin(t) oder die Fensterbildungs- und Gewichtungssignale Sin(t) = Rin(t)·Win(t) betreffen; dies ist nur ein Implementierungskriteriurm ohne größere Folgen für den Ablauf des Verfahrens.
Die Berechnung der einzelnen Interkorrelationsfunktionen Cin(t) kann bei ihrer Umsetzung auch folgende Fensterbildungsfunktionen Win(t) berücksichtigen:
Cin(t) = Sin(u)·Sin+1(u + t) (2)
Natürlich soll die weiter oben angegebene Funktion (1) einer einfacheren Erklärung dienen und können daran diverse Varianten vorgenommen werden, ohne dass der Rahmen der Erfindung verlassen wird, beispielsweise:
- kann die Verstärkung frequenzabhängig sein. Mit anderen Worten könnte die Multiplizierung mit einem Verstärkungsfaktor Ain durch eine Verstärkung/Filterung mit einer Übertragungsfunktion Ain(f) erfolgen, wobei f die Tonfrequenz bezeichnet. Die Form der verwendeten Übertragungsfunktionen kann je nach Anwendungsart des Verfahrens optimiert werden. Eine solche frequenzabhängige Verstärkung kann beispielsweise dazu dienen, mögliche Abweichungen zwischen den Sende- und Empfangskeulen der Messwandler zu kompensieren, insbesondere, wenn die einzelnen Messwandler zum Senden und Empfangen genutzt werden.
- können die von den Empfangsmesswandlern gemessenen Signale oder die Ansteuerungssignale in an sich bekannter Weise räumlich interpoliert werden, um einer Abweichung zwischen dem Sendemesswandlernetz und dem Empfangsmesswandlernetz Rechnung zu tragen. Eine solche Abweichung kann dadurch entstehen, dass die Sende- und Empfangsmesswandler voneinander verschieden sind, oder durch Bewegungen des Netzes zwischen dem Empfang und der anschließenden Neuaussendung.
- kann man im Schritt (b) auch Wellen mit einer höheren Frequenz als der im passiven Anfangsschritt aufgefangenen wieder ausstrahlen, wodurch eine genauere Lokalisierung einer reflektierenden Quelle möglich ist, die hauptsächlich in niedrigen Frequenzen sendet. In diesem Fall findet nur die Zeitumkehrung in einer Formel wie (1) und bei n = 0 in Form von Sin(Tin - α·t) statt, wobei α ein Koeffizient größer 1 ist, der dem gewünschten Frequenzverhältnis entspricht. In dem Fall empfiehlt es sich, es so einzurichten, dass das zweite Sendemesswandlernetz dem ersten Empfangsmesswandlernetz entspricht, bei einer Homothetie von 1/α.
Die während des passiven Anfangsschritts aufgefangene Schallemission kann in der Quelle stattfinden. Dieser Fall ist beispielsweise derjenige eines Risses in einem Teil, das einer zerstörungsfreien Prüfung durch Schallemission ausgesetzt wird, oder der einer Leckage an einer Gasleitung am Meeresboden.
Im ersteren Fall ist die Schallemission zurückzuführen auf Mechanismen wie Verzwillingung, Brechen oder Mikrospaltung, die durch eine mechanische Beanspruchung der Metalle oder durch Faserrisse in den Verbundmaterialien entstanden sind.
Im zweiten Fall ist die Schallemission zurückzuführen auf das Reibungsgeräusch, Turbulenzen und die Blasenbildung in der Nähe des Risses.
Ebenso kann die Schallemission aus einer Wechselwirkung der Quelle mit der Umgebung entstehen. Dies ist beispielsweise der Fall bei aerodynamischen oder hydrodynamischen Geräuschen, wenn zwischen der Quelle und der Umgebung, in der sie sich befindet, Bewegung stattfindet.
Wenn in dem umgebenden Milieu ein akustisches Umgebungsgeräusch vorhanden ist, das nicht von den Messwandlernetzen erzeugt wurde, kann die Schalleigenschaft der reflektierenden Quelle auch auf die Veränderung dieses akustischen Umgebungsgeräusches durch die Quelle selbst zurückgeführt werden (Reflexion oder Absorption oder Schirmwirkung).
Die Erfindung ist unabhängig davon anwendbar, ob die Ausstrahlung kontinuierlich oder intermittierend erfolgt.
Wenn das Netz bezogen auf die Quelle oder das Medium beweglich, aber unverformbar ist, kann während jedes Sendeschritts vorteilhafterweise ein zeitlich umgekehrtes Signal an die Sendemesswandler angelegt werden, das aus einem gewichteten Mittel aus den von verschiedenen angrenzenden Empfangsmesswandlern empfangenen Signalen erhalten wurde, wobei die Gewichtungskoeffizienten abhängig von der Beabstandung der Messwandler und der Bewegungsgeschwindigkeit des Netzes bestimmt werden.
Der Durchlassbereich der Messwandler wird abhängig von der Art der gesuchten Schallquellen und des Ausbreitungsmediums gewählt.
Zur Ermittlung der Geräuschquellen in Feststoffen bei der zerstörungsfreien Prüfung durch Schallemission wird im Allgemeinen ein Frequenzbereich von etwa hundert kHz bis etwa zehn MHz gewählt, beispielsweise um etwa 500 kHz.
Zur Ermittlung von in der Luft reflektierenden Schallquellen wird im Allgemeinen ein Frequenzbereich von einigen Hz und einigen Zehn kHz gewählt.
Zur Ermittlung von reflektierenden Quellen in flüssigen Medien, beispielsweise im Meer, wird im Allgemeinen ein Frequenzbereich mit einer Untergrenze von einigen Hertz, beispielsweise 3 Hz, und einer Obergrenze von einigen hundert kHz, beispielsweise 200 kHz, verwendet. Messwandler mit einem solchen Durchlassbereich werden bereits insbesondere in der Erdbeben- und Unterwasserforschung eingesetzt.
Eine größere Verstärkung ist während des Schritts (a) oder (e) erforderlich, wenn ein Nachweis über große Entfernungen erfolgen soll. Diese Verstärkung geht häufig von hundert bis zu mehreren hundert. Sie kann dann zur Verwendung von Sendemesswandlern führen, die sich von den Empfangsmesswandlern unterscheiden. Die Messwandler können in vorteilhafter, aber nicht einschränkender Weise so gewählt sein, dass sie vergleichbare Sende- und Empfangskeulen haben, wobei die möglichen Abweichungen zumindest teilweise durch Filtrierung kompensiert werden kann, wie vorstehend schon gesagt.
Die vorstehenden Merkmale sowie andere gehen besser aus der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung besonderer Ausführungsformen hervor, die als nicht erschöpfende Beispiele dienen sollen. Die Beschreibung bezieht sich auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen:
- Fig. 1 ein Prinzipschema ist, das die Elemente zeigen soll, die für die Anwendung der Erfindung bei zerstörungsfreier Prüfung von Teilen durch Schallemission verwendet werden;
- Fig. 2 eine Grafik ist, die schematisch die durch Anwendung der Erfindung erhaltenen Signale zeigt;
- Fig. 3 ein Schema ist, das einen anderen Anwendungsbereich der Erfindung veranschaulicht; und
- Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante von nach der Erfindung verwendbaren Messwandlernetzen ist.
Fig. 1 zeigt beispielhaft ein im Rahmen eines Arbeitsschritts einer zerstörungsfreien Prüfung durch Schallemissionswirkung zu testendes Metallteil 1. Dieses Teil wird auf strukturelle schadhafte Stellen hin untersucht.
Wird das Teil 1 mechanischen Belastungen ausgesetzt, die in Fig. 1 schematisch durch die Pfeile F dargestellt sind, können die Bereiche des Teils 1, die schadhafte Stellen 2 aufweisen, kaum wahrnehmbare Geräusche aussenden. Diese Geräusche breiten sich entsprechend den Wellenflächen 3 in dem Teil aus und erreichen Messwandler 4i (i = 1, 2, ..., p) eines Netzes 4 von Messwandlern, die auf einer Seite des Teils 1 platziert sind.
Bei der hier betrachteten Ausführungsform sind das vorstehend erwähnte erste, zweite, dritte, vierte und fünfte Netz die gleichen und werden von Sende-Empfangs-Messwandlern 4i gebildet. Natürlich kann dieses Netz im Allgemeinen mehrdimensional sein und können auch die Sendemesswandler andere sein als die Empfangsmesswandler. Die Anzahl p der Messwandler ist das Ergebnis eines Kompromisses zwischen den Leistungen der Vorrichtung und seiner Komplexität und hängt von der jeweiligen Anwendung ab.
Die Wellenflächen 3, die im Grenzbereich zur Quelle 2 im Wesentlichen kugelförmig sind, verformen sich im Laufe der Ausbreitung durch wechselnde Ausbreitungscharakteristika der Wellen im Medium des Teils 1, beispielsweise ihre Ausbreitunggeschwindigkeit.
Die während einer gegebenen Zeitspanne von den Messwandlern 4i kommenden elektrischen Signale werden, nachdem sie Schutzvorrichtungen 11i passiert haben, durch Verstärker 5i verstärkt, die durch Analog-Digital-Umsetzer 6i digitalisiert und in entsprechenden Speichern 7i gespeichert werden.
In Fig. 1 sind die Speicher 7i aus Anschaulichkeitsgründen als Speicher nach Art eines LIFO(last in -first out)-Speichers dargestellt, der den Vorgang der zeitlichen Umkehrung schematisch darstellt, den die Vorrichtung ausführt. In der Praxis können diese Speicher 7i aus verschiedenen Adressierungszonen einer gleichen Speicherebene 7 bestehen.
Ein Steuerungsprozessor 20 überwacht den Betrieb der Vorrichtung, insbesondere durch Kontrolle der Schreib- und Lesevorgänge im Speicher 7.
Die in einem Speicher 7i gelesenen Signale werden von einem Analog-Digital-Umsetzer 9i analog gemacht und dann von einem Leistungsverstärker 10i verstärkt. Die so erhaltenen verstärkten Signale werden durch Schutzvorrichtungen 11i hindurch an die Messwandler 4i adressiert. Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, werden diese Vorrichtungen 11i beispielsweise von Elektronikschaltern gebildet, die von dem Prozessor 20 gesteuert werden, um den Eingang der Verstärker 5i gegen die von den Leistungsverstärkern 10i in den Sendephasen erzeugte Energie zu schützen. Diese Schutzvorrichtungen 11 können auch Spannungsbegrenzungsvorrichtungen wie Dioden oder Entlader umfassen.
Der Betrieb der Vorrichtung wird durch den Prozessor 20 gesteuert, der den Befehlen eines geeigneten, vom Benutzer parametrierten Programms folgt.
In einem passiven Anfangsschritt, der auf die Anwendung der Belastungen F folgt, steuert der Prozessor 20 die Erfassung der von den Messwandlern 4i erzeugten Signale und die Speicherung dieser verstärkten und digitalisierten Signale Ri&sup0;(t). In dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel entspricht dieser Schritt der Erfassung der Signale Ri&sup0;(t) dem Zeitraum [t&sub0;, t'&sub0;]. Man sieht, dass die Erfassungszeiträume von Messwandler zu Messwandler unterschiedlich sein können. Bei diesen Signalen Ri&sup0;(t) kann sich der Beitrag der gesuchten Quellen (schadhafte Stellen 2) geringfügig vom Grundgeräusch unterscheiden.
Für jeden Messwandler 41 des Netzes 4 wählt der Prozessor 20 entsprechend der Position dieses Messwandlers bezogen auf die durchsuchte Zone ein Zeitfenster Wi&sup0; aus.
Der Prozessor 20 steuert dann das Einlesen in die Speicher 7i, um am Eingang der Schalter 9i zeitlich umgekehrte Digitalsignale Si&sup0;(T&sup0; - t) = Ri&sup0;(T&sup0; - t)·Wi&sup0;(T&sup0; - t) zu erzeugen. Wenn die verwendeten Fensterbildungsfunktionen Wi&sup0;(t) nicht rechtwinklig sind, werden Gewichtungsfilter 8i vorgesehen, welche am Eingang der Schalter 9i die Multiplikationen mit den geeigneten Gewichtungskoeffizienten vornehmen. Die zeitlich umgekehrten digitalen Signale entsprechen den in Fig. 2 für den Fall rechtwinkliger Fensterbildungsfunktionen dargestellten Signalen Ei&sup0;(t)/A&sup0;.
Nach der Konvertierung in analoge Signale legen die Leistungsverstärker 10i den Verstärkungsfaktor A&sup0; an, um die Ansteuerungssignale Ei&sup0;(t) an die Sendemesswandler 4i zu senden.
Die Messwandler 4i senden dann ein Bündel von akustischen Signalen aus, die der umgekehrten Bahn 13 als denjenigen 12 folgen, die den Wellenflächen 3 entsprechen und also zur möglichen Quelle 2 hin konvergieren. Da diese Quelle akustisch reflektiert, wirft sie einen großen Teil der einfallenden Energie zurück. Diese so reflektierten Wellen folgen Bahnen 14 und werden von den Messwandlern 4i erfasst.
Dadurch, dass die Signale Ri&sup0;(t) zeitlich umgekehrt werden, kann eine automatische Refokussierung der von den Messwandlern 4i zur Geräuschquelle zurückgesandten Wellen erfolgen, selbst wenn das Medium 1 von der Verbreitung her sehr heterogen ist.
Außerdem werden dadurch, dass das zeitlich umgekehrte Signal verwendet wird, automatisch eventuelle Störsignale an einem gegebenen Messwandler mit berücksichtigt, die durch Reflexionen der von der reflektierenden Quelle 2 ausgesandten oder reflektierten Wellen an akustischen Impedanzsprüngen in dem Medium 1 oder an seinen Grenzen entstanden sind. Beispielsweise zeigt Fig. 1 eine solche Wellenausbreitung in der Richtung 17, die sich nach Reflexion auf einer Fläche 19 des Mediums 1 zum Messwandler 4&sub2; hin in der gleichen Richtung 18 wie die direkt von der Quelle 2 zu diesem Messwandler ausgestrahlte Welle ausbreitet.
Nach einer Zeit, die etwa dem Zweifachen der Ausbreitungszeit der Schallwellen zwischen dem Messwandlernetz und dem durchsuchten Bereich entspricht, werden die von den Empfangsmesswandlern 4i erzeugten Signale Ri¹(t) erneut erfasst. Diese Signale schließen die akustischen Echos der auf die Quelle 2 durch den Prozess der zeitlichen Umkehrung fokussierten Welle ein, und man kann erwarten, dass dieser Beitrag der Quelle 2 eine größere relative Bedeutung hat als bei den Signalen Ri&sup0;(t), die während des passiven Anfangsschritts erhalten wurden.
In gleicher Weise wie vorstehend definiert der Prozessor 20 für jeden Messwandler 4i ein Zeitfenster Wi¹ für die Auswertung der Signale Ri¹(t).
Die Auswertung dieser Signale umfasst vorzugsweise n Wiederholungen des Prozesses der zeitlichen Umkehrung, Wiederausstrahlung und Erfassung der Echosignale. Nach n Wiederholungen (n ≥ 0), notiert man das bezüglich dem Messwandler 4i gespeicherte Signal mit Rin+1(t).
Die Auswertung der Signale Ri¹(t) kann in der Suche nach dem eventuellen Vorhandensein eines Signalpeaks auf mehreren Empfangswegen bestehen. Ebenso können Korrelationen zwischen den Signalen einzelner Wege i und j gesucht werden, nämlich Rin(t) und Rjn(t). Ebenso kann ein wie in dem Dokument EP-A-0 591 061 oder US-A-5 428 999 beschriebenes Verfahren angewandt werden.
Eine bevorzugte Erfassungsart nach n Wiederholungen (n ≥ 1) besteht darin, Interkorrelationsfunktionen Cin(t) entsprechend der Formel (2) zu berechnen und die Summe aus diesen Funktionen für die einzelnen Wege i zu ziehen, um eine Gesamt-Interkorrelationsfunktion Cn(t) zu erhalten, in der man das Vorhandensein von Peaks sucht, um eine reflektierende Schallquelle aufzuspüren.
Fig. 3 zeigt eine weitere Anwendung der Erfindung, bei der das Ausbreitungsmedium 31 das Meer und die reflektierende Quelle 32 eine Gasleckage in einer Gasleitung am Boden des Meeres ist. In diesem Fall bildet das Austreten von Blasen die Geräuschquelle, und diskontinuierliche akustische Impedanz zwischen dem Meerwasser und den Blasen und dem Meerwasser und der Gasleitung bilden die Reflexionsursache für die Wellen. Das Netz 34 aus den Messwandlern 34i befindet sich hier unter Wasser. Es kann insbesondere von einem Schiff 35 gezogen werden.
Auf die gleiche Art und Weise könnte man im Meerwasser jede reflektierende Quelle wie ein Unterseeboot 36 oder eine Seemine 37 aufspüren und lokalisieren.
Die Erfindung ist keineswegs auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt; sie schließt im Gegenteil alle Varianten ein. Eine besonders vorteilhafte Variante ist diejenige, bei der mit großer Präzision eine reflektierende Quelle lokalisiert werden soll, die Töne mit einer relativ niedrigen Frequenz erzeugt, was im Allgemeinen zu einer geringen Präzision bei der Lokalisierung führt. Um diese Präzision bei der Lokalisierung der reflektierenden Quelle wesentlich zu erhöhen, werden bei den Sende-/Empfangsphasen höhere Frequenzen als diejenigen verwendet, die im passiven Anfangsschritt erfasst wurden. Hierzu arbeiten die Empfangsmesswandler der ersten Netzes auf Niederfrequenz und arbeiten die des zweiten, dritten, vierten und fünften Messwandlernetzes (Senden-Empfang) auf höherer Frequenz. In Fig. 4 sieht man eine solche Einheit.
Beim ersten Horchen werden die p Empfangsmesswandler 41i des ersten Netzes 41 über einen Bereich mit seitlicher Abmessung A verteilt. Die anfangs von diesen Messwandlern empfangenen Signale werden wie vorstehend im Schritt (a) beschrieben verarbeitet, wobei zusätzlich ein Zeitkompressionsvorgang stattfindet. So wird das Ansteuerungssignal, das bei der ersten Wiederausstrahlung (Schritt (b)) wieder ausgestrahlt wird:
Ei&sup0;(t) = Ai&sup0;·Si&sup0;(Ti&sup0; - αt)
Wobei α ein Faktor größer 1 ist, der das Verhältnis zwischen den Sendefrequenzen und den beim anfänglichen Empfang enthaltenen ist.
Diese Signale werden von Messwandlern 42j ausgesandt, die auf die Knoten des zweiten Netzes 42 verteilt sind, das enger gefasst ist als das erste Netz 41 und eine seitliche Abmessung B < A aufweist. Es ist sinnvoll, ein zweites Netz 42 zu verwenden, das dem ersten Netz mit einer Homothetie mit einem Verhältnis von 1/α entspricht. Die Netze 41 und 42 umfassen die gleiche Anzahl p Messwandler (in dem vereinfachten Beispiel der Fig. 4 ist p = 4 und α 4). Die anfangs von jedem Messwandler empfangenen Signale 41i (Pfeile (a) in Fig. 4) sind an die entsprechenden Messwandler 42j adressiert, wobei bei der ersten Wiederausstrahlung (Pfeile (b)) j = i gilt. Auf diese Weise wird das als i = 1 empfangene Signale als j = 1 etc. wieder ausgestrahlt.
Bei der in Fig. 4 dargestellten bevorzugten Ausführung unterscheidet sich das dritte Netz 43 von den beiden ersten 41, 42 und besteht aus Sende-Empfangs-Messwandlern 43k mit k = 1, 2, ..., q (es ist mit dem "vierten" und "fünften" Netz zusammengefasst). Die Pfeile (c) bezeichnen die akustischen Echosignale, die von den Messwandlern 43k im Schritt (c) empfangen wurden.
Das Netz 43 hat größere Abmessungen als das zweite Netz 42 (üblicherweise in der Größenordnung von A) und umfasst mehr Messwandler: q > p. Eine solche Anordnung ermöglicht eine erheblich größere Präzision bei der Lokalisierung.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Beispiel ist q = 12 bei p = 4 und sind die Messwandler 43&sub5; bis 43&sub8; jeweils die Messwandler 42&sub1; bis 42&sub4; des Netzes 42. Da das zweite Netz 42 auf Hochfrequenz arbeiten soll, ist es nämlich sinnvoll, dieses so vorzusehen, dass es aus Sende-Empfangs-Messwandlern besteht, die darüber hinaus Teil des dritten Netzes 43 sind. Werden Breitband-Messwandler eingesetzt, kann andererseits kann auch vorgesehen werden, dass die Messwandler 42i des ersten Netzes 41 ebenfalls Teil des dritten Netzes 43 sind.

Claims

1. Verfahren zum Erkennen und/oder lokalisieren einer Schallquelle (2; 32), das einen passiven Anfangsschritt umfasst, in dem akustische Signale aufgefangen werden, die von Empfangs-Messwandlern (4i; 34i; 41i) empfangen werden, die sich an den Knoten eines ersten Netzes (4; 34; 41) befinden, und elektrische Signale gespeichert werden, die von den Empfangs-Messwandlem des ersten Netzes als Antwort auf die akustischen Signale erzeugt wurden, dadurch gekennzeichnet, dass es anschließend folgende Schritte umfasst:

(a) man kehrt mindestens ein Zeitfenster (Wi&sup0;) jedes im passiven Anfangsschritt gespeicherten elektrischen Signals (Ri&sup0;(t)) vorübergehend um und verstärkt es, um Anregungssignale (Ei&sup0;(t)) zu erzeugen;

(b) man legt die Anregungssignale an entsprechende Sende- Messwandler (4i; 34i; 42j) an, die sich an den Knoten eines zweiten Netzes (4; 34; 42) befinden, das räumlich dem ersten Netz (4; 34; 41) entspricht;

(c) man fängt Echosignale auf, die von Empfangs-Messwandlem (4i; 34i; 43k) empfangen wurden, die sich an den Knoten eines dritten Netzes (4; 34; 43) befinden, und speichert elektrische Signale, die von den Empfangs-Messwandlern des dritten Netzes als Antwort auf die genannten Echosignale erzeugt wurden; und

(d) man verwendet die in Schritt (c) gespeicherten elektrischen Signale (Ri¹(t)), um das mögliche Vorhandensein einer reflektierenden Schallquelle festzustellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (d) der Verwendung der in Schritt (c) gespeicherten Signale mindestens eine Wie¬ derholung eines Prozesses einschließt, der folgende Schritte umfasst:

(e) man kehrt mindestens ein Zeitfenster (Win) jedes der soeben gespeicherten elektrischen Signale vorübergehend um und verstärkt es, um Anregungssignale (Ein(t)) zu erzeugen;

(f) man legt die in Schritt (e) erzeugten Anregungssignale an Sende- Messwandler (4i; 34i; 43k) an, die sich an den Knoten eines vierten Netzes (4; 34; 43) befinden, das räumlich dem dritten Netz entspricht und

(g) man fängt Echosignale auf, die von Empfangs-Messwandlem empfangen wurden, die sich an den Knoten eines fünften Netzes (4; 34; 43) befinden und speichert elektrische Signale (Rin+1(t)), die von den Empfangs-Messwandlern des fünften Netzes als Antwort auf diese Echosignale erzeugt wurden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte, vierte und fünfte Netz (4; 34; 43) zusammengefasst sind und Sende-Empfangs-Messwandler (4i; 34i; 43k) umfassen.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte und fünfte Netz zusammengefasst sind, sowie dadurch, dass man nach einer Anzahl n Wiederholungen des Prozesses, die mindestens gleich 1 ist, zumindest für bestimmte der Empfangs-Messwandler des dritten Netzes (4; 34; 43) eine individuelle Interkorrelationsfunktion (Cin(t)) zwischen den elektrischen Signalen ermittelt, die in Bezug auf einen Empfangs-Messwandler des dritten Netzes unmittelbar vor der n-ten Wiederholung und im Schritt (g) der n-ten Wiederholung gespeichert wurden, und man das mögliche Vorhandensein einer reflektierenden Schallquelle auf der Basis der ermittelten individuellen Interkorrelationsfunktionen feststellt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Summe der individuellen Interkorrelationsfunktionen (Cin(t)) berechnet, die sich auf zumindest bestimmte der Empfangs-Messwandler des dritten Netzes (4; 34; 43) beziehen, um eine Gesamt-Interkorrelationsfunktion (Cn(t)) zu erhal¬ ten, und in der Gesamt-Interkorrelationsfunktion nach dem Vorhandensein eines Peaks sucht, um das mögliche Vorhandensein einer reflektierenden Schallquelle festzustellen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Netz (4; 34;) zusammengefasst sind und Sende- Empfangs-Messwandler (4i; 34i) umfassen.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste, zweite, dritte, vierte und fünfte Netz (4; 34) zusammengefasst sind.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungssignale (Ei&sup0;(t)) in Schritt (a) durch temporäres Umkehren erhalten werden, bei dem die Frequenzen, die in den im passiven Anfangsschritt gespeicherten Signalen (Ri&sup0;(t)) enthalten sind, mit einem Koeffizienten α multipliziert werden, der größer als 1 ist, sowie dadurch, dass das zweite Netz (42) von Sende-Messwandlern dem ersten Netz (41) von Empfangs- Messwandlem mit einer Homothetie mit einem Verhältnis von 1/α entspricht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Netz (42) aus Sende-Empfangs-Messwandlem (42j) besteht, die auch zum dritten Netz (43) gehören.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Netz (43) wesentlich größer ist als das zweite Netz (42) und mehr Messwandler (43k) umfasst.

11. Vorrichtung zum Erkennen und/oder Lokalisieren einer Schallquelle (2; 32), die ein erstes Netz (4; 34; 41) mit Empfangs-Messwandlem (4i; 34i; 41i) zum Auffangen akustischer Signale während eines passiven Anfangsschritts umfasst, sowie Speichervorrichtungen (7) zum Speichern elektrischer Signale, die von den Empfangs-Messwandiem des ersten Netzes als Antwort auf die akustischen Signale erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner umfasst:

- Verarbeitungsvorrichtungen (20, 8i, 10i) zum vorübergehenden Umkehren und Verstärkern mindestens eines Zeitfensters (Wi&sup0;) jedes elektrischen Signals (Ri&sup0;(t)), das in den Speichervorrichtungen (7) im passiven Anfangs- schritt zum Erzeugen von Anregungssignalen (Ei&sup0;(t)) gespeichert wurde;

- ein zweites Netz (4; 34; 42) mit Sende-Messwandlem (4i; 34i; 42j), das räumlich dem ersten Netz (4; 34; 41) entspricht, an welche die genannten Anregungssignale angelegt werden; und

- ein drittes Netz (4; 34; 43) mit Empfangs-Messwandlern (4i; 34i; 43k) zum Auffangen von Echosignalen als Antwort auf die von den Sende-Messwandlern des zweiten Netzes ausgestrahlten Wellen,

wobei die Speichervorrichtungen, die elektrische Signale speichern, die von den Empfangs-Messwandlem des dritten Netzes als Antwort auf die genannten Echosignale erzeugt wurden, und die Verarbeitungsvorrichtungen (20) so vorgesehen sind, dass sie die elektrischen Signale (Ri¹(t)) verwenden, die zum Erkennen des möglichen Vorhandenseins einer reflektierenden Schallquelle gespeichert wurden.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungsvorrichtungen (20) so vorgesehen sind, dass sie die gespeicherten elektrischen Signale verwenden und dabei mindestens eine Wiederholung eines Prozesses ausführen, der folgende Schritte umfasst:

(e) das vorübergehende Umkehren und Verstärken mindestens eines Zeitfensters (Win) jedes der soeben gespeicherten elektrischen Signale zum Erzeugen von Anregungssignalen (Ein(t));

(f) das Anlegen der in Schritt (e) erzeugten Anregungssignale an Sende- Messwandler (4j; 34i; 43k), die sich an den Knoten eines vierten Netzes (4; 34; 43) befinden, das räumlich dem dritten Netz entspricht; und

(g) das Auffangen von Echosignalen, die von Empfangs-Messwandlem empfangen wurden, die sich an den Knoten eines fünften Netzes (4; 34; 43) befinden, und das Speichern elektrischer Signale (Rin+1(t)), die von den Empfangs-Messwandlem des fünften Netzes als Antwort auf diese Echosignale erzeugt wurden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungsvorrichtungen (20) so vorgesehen sind, dass sie die erste Gruppe von Anregungssignalen (Ei&sup0;(t)) durch ein temporäres Umkehren erzeugen, bei dem die Frequenzen, die in den im passiven Anfangsschritt gespeicherten Signalen (Ri&sup0;(t)) enthalten sind, mit einem Koeffizienten α multipliziert werden, der größer als 1 ist, sowie dadurch, dass das zweite Netz (42) von Sende- Messwandlem dem ersten Netz (41) von Empfangs-Messwandlem mit einer Homothetie mit einem Verhältnis von 1/α entspricht.