DE9116653U1 - Überwachungsschaltung zur Überwachung der Scheiben eines Raumes mit Ultraschall - Google Patents

Description

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Siemens Aktiengesellschaft

Überwachungssystem zur Überwachung der Scheiben eines Raumes mit Ultraschall

Die Erfindung geht von dem im Oberbegriff des Schutzanspruches 1 definierten Gegenstand aus, der für sich vorbekannt ist, vgl.

DE-Al-35 04 552.

Ein ähnliches System, welches Ultraschall sogar noch höherer Frequenzen zur Überwachung von Scheibenbrüchen verwendet, ist in der nicht vorveröffentlichten

Anmeldung PCT/DE 90/00274 ( = GR 89 P 1266 P ) beschrieben. Dort ist aber nicht die Verwendung von zwei unterschiedlich ausgewerteten Frequenzbändern beschrieben.

Die Erfindung wurde zwar zunächst für die Innenraumüberwachung eines KFZ mittels Ultraschall entwickelt. Es zeigte sich aber, daß sie darüber hinaus auch auf andere, unter den genannten Oberbegriff fallende Systeme anwendbar ist. Die Erfindung ist nämlich z.B. auch für die Überwachung der Scheiben anderer Fahrzeuge, z.B. auch von LKWs und Bussen geeignet, sowie zur Überwachung der Scheiben, die nicht zu Fahrzeugen gehören, nämlich z.B. der Scheiben von Ausstellungskästen eines Museumsraumes.

Die Erfindung basiert auf eigenen experimentellen Untersuchungen des beim Bersten zuerst auftretenden, z.B. 1 Millisekunde dauernden Ultraschallknalles. Es wurden jeweils mit sehr hoher zeitlicher Auflösung die Verläufe des Ultraschallknalles am Beginn des Zertrümmerns einer sehr großen Zahl von KFZ-Scheiben gemessen und präzis registriert, um daraus zuverlässige Kriterien für einen gewaltsamen Einbruch abzuleiten. In die eigenen Untersuchungen wurden übrigens möglichst alle gewieften Methoden,

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welche Einbrecher mitunter zur SchallVermeidung anwenden, miteinbezogen, um auch unter solchen erschwerten Umständen eine besonders hohe Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Überwachungssystemes zur Erkennung gewaltsamer Einbrüche zu erreichen.

Die Aufgabe,

eine erhöhte Zuverlässigkeit zu erreichen, mit welcher ein Einbruch durch Messung der Luftschwingungen alleine schon durch ein passives Überwachungssystem selbst dann erkennbar ist, wenn die Form der Hüllkurve des beim Zertrümmern empfangbaren Ultraschallknalles nicht gemessen wird,

aber zulassen zu können, daß die Auswerteschaltung bei Bedarf mittels des Sensors zusätzlich die Amplitude der Hüllkurve des Ultraschallknalles mißt und auswertet, sowie

den erhöhten Aufwand an Hardware und an elektrischer Energie zur Anwendung eines aktiven, auf Radarbasis arbeitenden Überwachungssystemes zu vermeiden, wird erfindungsgemäß durch das im Schutzanspruch 1 definierte Überwachungssystem gelöst.

Die Erfindung nutzt also die zeitliche Veränderung des Spektrums der Ultraschallfrequenzen während des Ultraschallknalles als alarmrelevantes Kriterium. Nach den eigenen experimentellen Untersuchungen bildet nämlich das Frequenzspektrum des Ultraschallknalles ein sehr breitbandiges Rauschen. Auffallend ist, daß besonders am Beginn des Ultraschallknalles die hochfrequenten Ultraschall-Rauschanteile typischerweise besonders stark sind, und daß am Beginn des Ultraschallknalles der Verlauf der Luftschwingungen stärker durch die hochfrequenten Ultraschall-Rauschanteile geprägt ist als später in der Mitte und vor allem als gegen Ende des betreffenden Ultraschallknalles. Wenn auch die niedrigfrequenten Rauschanteile gegen Ende des Ultraschallknalles ebenfalls abklingen, - gegen Ende

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des Ultraschallknalles sind die höherfrequenten Rauschanteile verhältnismäßig noch stärker abgeklungen.

Dieses rasche Ausklingen der hochfrequenten Rauschanteile ist für das gewaltsame Zertrümmern der Scheibe selbst dann typisch, wenn der Einbrecher gewiefte Schalldämpfungsmethoden anwendet, um keinen hörbaren Lärm zu erzeugen : Die Erfindung erwies sich selbst dann als wirksam.

Weitere Details über diese Untersuchungen und über die daraus für die Erfindung abgeleiteten Lösungsmerkmale werden unten beschrieben.

Die in den Unteransprüchen definierten Gegenstände gestatten, zusätzliche Vorteile zu erreichen. U.a. gestatten nämlich die zusätzlichen Maßnahmen gemäß Schutzanspruch

2, Schläge mit folgendem Bruch als solche zu erkennen und durch sie den Alarm auszulösen,

3, die Erfindung mehr oder weniger optimal an Innenräume der heute meistens üblichen Größe, auch an KFZ-Innenräume, anzupassen,

4, die durch jene gewieften Einbrechermethoden leicht unterdrückbaren Luftschwingungen von noch niedrigeren Frequenzen bei der Auswertung von vornherein zu nicht mitauszuwerten, aber möglichst weitgehend alle darüber liegenden, durch die Rißbildung erzeugten Frequenzanteile des Ultraschallknalles auszuwerten,

5, besonders breite Frequenzbänder zur Messung der dann besonders großen empfangbaren akustischen (Rausch-) Leistungen bzw. Energien auszunutzen,

6, signifikant auch Schläge ohne folgendem völligen Bruch, sondern Schläge mit Auftreten keiner oder höchstens einzelner Sprünge, als solche zu erkennen und durch sie bei Bedarf ebenfalls einen Alarm auslösen zu können,

7, einen besonders einfachen Aufbau der Anordnung zu ermöglichen,

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8, nach dem Vorbild der oben genannten, nicht vorveröffentlichten Anmeldung PCT/DE 90/00274 besonders auch die hochfrequenten Rauschanteile des Ultraschallknalles von entfernteren, zu überwachenden Scheiben mit vergleichsweise großer Leistung empfangen zu können, auch wenn der Abstand zu den entfernteren Scheiben viel größer als zu den nahen Scheiben ist,

9 und 10, einen für die Überwachung eines KFZ-Innenraumes besonders günstigen Ort für die Anbringung des Sensors zu wählen, sowie

11, einen besonders einfachen Aufbau der Anordnung zu ermöglichen.

Die Erfindung und Weiterbildungen derselben werden anhand der in den vier Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele der Erfindung weiter erläutert, welche der Übersichtlichkeit wegen jeweils möglichst einfach dargestellt wurden. Dabei zeigt die Figur

1 ein Beispiel einer Schaltung, welche die von einem hier einzigen - Sensor empfangenen Schwingungen erfindungsgemäß auswerten kann, sowie

2 und 3 jeweils Beispiele zur Überwachung der verschiedenen Scheiben eines KFZ ebenfalls mit einem einzigen Sensor, der hier zusätzlich eine bestimmte Richtcharakteristik aufweist.

Die Figuren 2 und 3 zeigen also jeweils ein KFZ mit der Front F und dem Heck H. Das KFZ ist durch ein erfindungsgemäßes Überwachungssystem geschützt, welches zur Überwachung der Scheiben des Innenraumes I mit Ultraschall dient, um einen Einbruch durch abrupten Bruch einer seiner vielen, in seinen Wänden W angebrachten Scheiben zu erkennen. Im gezeigten Fall schützt das Überwachungssystem die Frontscheibe GF, die Türscheiben GV, GS und die Heckscheiben GH, sowie die kleinen hinteren Seitenscheiben GK. Das Überwachungssystem kann zusätzlich weitere, nicht gezeigte

Scheiben mitschützen, also z.B. eine hier nicht gezeigte gläserne Dachluke bzw. Schiebedach.

Wird in dem überwachten Raum, also hier in dem überwachten Innenraum I eines KFZ, eine der Scheiben GF, GV, GS, GK, GH eingeschlagen, dann entsteht im Innenraum I zunächst ein kurzer Ultraschallknall nicht nur im hörbaren, sondern auch im Ultraschallbereich. Der Sensor S des Überwachungssystemes überwacht, ob ein Ultraschallknall mit den typischerweise bei einem Scheibenbruch auftretenden Frequenzanteilen oberhalb von 100 kHz, evtl. zusätzlich auch unter 100 kHz, auftritt.

Dazu ist der Sensor S - es könnten erfindungsgemäß auch mehrere Sensoren S im KFZ an verschiedenen Orten der Innenraumes I angebracht sein - im Innenraum I, und/oder an zumindest einer der Wände W des Raumes I, jeweils ohne mechanische Berührung der zu überwachenden Scheiben GF, GV, GS, GK, GH, GD so befestigt, daß der betreffende Sensor S jeweils im wesentlichen nur die von der Innenraumluft I übertragenen Luftschwingungen empfangen kann. Der Sensor S reagiert also nicht oder kaum auf den durch die Scheiben und Wände W übertragenen Körperschall, sondern vor allem auf den bei Scheibenbruch von den Scheiben ausgehenden, von der Innenraumluft I übertragenen Ultraschallknall.

Irgendwo im KFZ, z.B. zusammen mit dem Ultraschallsensor S im Innenrückspiegel des KFZ, ist eine Auswerteschaltung K angebracht, welche die vom Sensor S empfangenen Signale auswertet um zu erkennen, ob ein gewaltsamer Scheibenbruch stattfand. Dazu enthält die Auswerteschaltung K zwei Bandpaßfilter El, E2, nämlich das Filter E2 für ein oberes und das Filter El für ein unteres Frequenzband. Diese Filter El, E2 filtern jeweils aus dem vom Ultraschallsensor S momentan empfangenen Signalspektrum einen ihrem Frequenzband zugeordneten Spektrumsanteil heraus. Der Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung ist besonders einfach, wenn die

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Auswerteschaltung K nur diese zwei Filter El, E2 für das obere und das untere Frequenzband enthält. Wenn man nämlich bei der Erfindung mehr als zwei Frequenzbänder anwenden will, steigt der Aufwand an Filtern entsprechend.

Außerdem enthält die Auswerteschaltung K die Verstärker Vl und V2 und vor allem noch die Leistungsmesser Ml, M2, welche mit besonders wenig Aufwand auch die Rauschleistungen innerhalb der zugeordneten Spektrumsanteile zu messen gestatten. Diese (Rausch-)Leistungsmesser Ml, M2 messen also jeweils insbesondere die momentane Rauschleistung im vom vorgeschalteten Filter El, E2 durchgelassenen Frequenzband.

Ferner enthält die Auswerteschaltung Analog-Digital-Umwandler Dl, D2 sowie den Vergleicher P, die gemeinsam z.B. einen entsprechend programmierten Mikroprozessor P gebildet werden können. Dieser Vergleicher P vergleicht zumindest grob angenähert die akustischen Leistungen bzw. Energien in den beiden Frequenzbändern El, E2 der von dem Sensor S empfangenen Luftschwingungen. Die beiden Frequenzbänder El, E2 sind so gewählt, daß der Vergleicher P die Leistungen des akustischen Rauschens in einem mehr oder weniger oberhalb einer Mittenfrequenz liegenden Frequenzband E2 mit den Leistungen des akustischen Rauschens in einem mehr oder weniger unterhalb der Mittenfrequenz liegenden Frequenzband El vergleicht.

Ferner bewertet der Vergleicher V sein Vergleichsergebnis in erfindungsgemäßer Weise, nämlich danach, ob das Abklingen der höherfrequenten Rauschanteile, vgl. E2/M2, schneller ist als das Abklingen der niedrigfrequenten Rauschanteile, vgl. El/Ml. Sobald die Auswerteschaltung K durch diesen Vergleich ein alarmrelevantes Kriterium erkennt, löst sie mittels des Relais R und der Hupe L einen Alarm aus. Die Auswerteschaltung K kann aber z.B. - zusätzlich

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oder ausschließlich - die Zündung, den Anlasser &ogr;.dgl. des KFZ unterbrechen.

Störeinflüsse sind bei der Erfindung relativ unwichtig
bzw. leicht unterdrückbar oder vermeidbar : Fremdgeräusche im Ultraschallbereich aus der Umgebung, hier aus der Umgebung des KFZ, werden durch die - im Regelfall ohnehin geschlossenen - Glasscheiben stark gedämpft und haben damit
einen entsprechenden Signalpegelabstand zum vom Sensor S
zu empfangenden Nutzsignal.

Der Aufwand für die Erfindung ist schon deswegen nicht
groß, weil es genügt, wenn die Anzahl der Sensoren S kleiner ist als die Anzahl der zu überwachenden Scheiben GF,
GV, GS, GK, GH. Vorteilhafterweise kann bei der Erfindung
auch der Verkabelungsaufwand, hier im KFZ, gering sein,
weil die Orte für den Einbau des Sensors S und der Auswerteschaltung K weitgehend beliebig wählbar sind. Außerdem
können im Prinzip sogar alle Scheiben, hier des KFZ, sogar mit einem einzigen Sensor S überwacht werden. Überdies muß bei der Erfindung im allgemeinen kein zusätzlicher Ultraschallsender - z.B. auf Radarbasis - angebracht sein, weil die gesamte Anordnung rein passiv darauf überwacht, ob das vom Sensor S empfangene Signal einen für das Bersten von
Scheiben typischen Ultraschallknall darstellt oder nicht.
Das System ist also besonders einfach und damit kostengünstig und überdies in hohem Maße zuverlässig.

Im Vergleich mit einem Stande der Technik, bei welchem der Sensor die Scheibe berührt, vermeidet die Erfindung überdies den dann oft gegebenen Nachteil, daß - z.B. wegen der unterschiedlichen Übertragungswege auf der Scheibe vom
Bruch zum Sensor - ein relativ kleiner Bruch einer Scheibe schwer oder nicht mehr als Scheibenbruch erkannt wird, besonders wenn der Bruch weit abseits jener Stelle ist, an
welchem der Sensor die Scheibe berührt. Vor allem gestattet die Erfindung zu vermeiden, daß der Übertragungsweg

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des Schalles in der Scheibe vom Bruch zum die Scheibe berührenden Sensor auch für hochfrequenten Ultraschall durch einen Einbrecher künstlich gedämpft werden kann, z.B. indem er vor deren Zertrümmern jene die Schallausbreitung dämpfenden Klebefolien auf die Scheibe aufklebt. Bei der Erfindung wird ja die Schallausbreitung in der Innenraumluft I zur Erkennung des Scheibenbruches ausgenutzt, wobei erfindungsgemäß zusätzlich das beschriebene besondere, beim Scheibenbruch typischerweise praktisch immer auftretende Verhalten des Spektrums während des Ultraschal lknalles zur Scheibenbrucherkennung ausgenutzt wird.

Die Erfindung nutzt also die durch die eigenen Untersuchungen gewonnene Erkenntnis über den zeitlichen Verlauf des Frequenzspektrums während des unmittelbar beim Bersten zuerst auftretenden Ultraschallknalles, welcher z.B. 1 Millisekunde, manchmal mehr, aber oft auch deutlich weniger dauert. Die Auswerteschaltung der Erfindung wertet dazu das WÄHREND des anfänglichen Ultraschallknalles meßbare ZEITLICHE Verhalten des VERHÄLTNISSES der akustischen Leistungen bzw. Energien im oberen Frequenzband

zu den akustischen Leistungen bzw. Energien im unteren

Frequenzband
aus.

Mathematisch gesehen kann dieses Verhältnis aber sehr verschieden definiert werden : z.B. bereits unmittelbar durch den Quotienten der gemessenen Leistungen bzw. Energien, oder z.B. durch letztendlich von diesem Quotienten mathematisch ableitbare Größen bzw. Einheiten wie z.B. das Quadrat dieses Quotienten.

Die Auswerteschaltung kann zur mathematischen Auswertung der in den Frequenzbändern gemessenen Werte im Prinzip auch das Verhältnis in indirekter Weise auswerten, nämlich in eine indirekt das Verhältnis erfassende alarmrelevante

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Größe umrechnen - z.B. in die Differenz jenes Quotienten mit einer Konstanten - , um aus dem dann erhaltenen Ergebnis das für das betreffende System benutzte alarmrelevante Kriterium abzuleiten. Wesentlich ist nur, daß die Auswertung letztendlich die beschriebene zeitliche Veränderung des Frequenzspektrums während des ersten Ultraschallknalles ausnutzt.

In jedem Falle wird also das erfindungsgemäße Überwachungssystem benutzt, wenn das Ergebnis direkt oder indirekt auf der Messung beruht, ob während der Ultraschallknalles die akustischen Leistungen bzw. Energien der hochfrequenten Rauschanteile des Ultraschallknalles schneller abklingen als die akustischen Leistungen bzw. Energien der niedrigfrequenten Rauschanteile des Ultraschallknalles, wie auch immer die physikalische Dimension der zum Vergleichen errechneten Größe und die konkrete Formel zur Errechnung des betreffenden, zum Vergleich benutzten Betrages ist und,

bezogen auf die Figur 1 als Beispiel, wie hoch auch die Pegel der betreffenden Rauschanteile El/Vl, E1/V2 in den verschiedenen Ultraschallknallphasen sind, also wie hoch auch immer z.B. die einzelnen, vielleicht unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren der Verstärker Vl, V2 sowie wie breit auch immer die Bandbreiten der Filter El, E2 sowie wie hoch auch immer die jeweiligen Pegel an den Eingängen der Analog-Digital-Umwandler Dl, D2 sind.

Beim Bersten der Scheiben entstehen an sich zusätzlich in den einzelnen - teilweise sehr großen, oft teilweise sehr kleinen - Splittern auch mehr oder weniger rasch abklingende Körperschallschwingungen, welche im Prinzip ebenfalls für die Erkennung des Einbruches auswertbar sind und welche - wegen der sehr hohen Schallgeschwindigkeit in Glas - oft besonders hohe Frequenzen und vor allem mitunter eine ganz erhebliche Leistung bzw. Energie aufweisen,

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besonders wenn der Einbrecher die Entstehung von solchen Körperschallschwingungen nicht gezielt durch seine gewieften Methoden mehr oder weniger vermeidet.

Für die Erfindung reicht es aber, daß für den Einbrecher unabhängig von gewieften Methoden - die durch die Rißbildung erzeugten Ultraschall-Luftschwingungen stets unvermeidbar sind. Soweit die in der Luft meßbaren Luftschwingungen zusätzlich Anteile von akustischen Leistungen aufweisen, welche zuvor durch Körperschallresonanzen innerhalb der Splitter entstanden, gilt übrigens ebenfalls das erfindungsgemäß ausgenutzte Gesetz : daß sich nämlich im zeitlichen Verlauf während des (ersten) Ultraschallknalles das Verhältnis der Leistungen der Luftschwingungen in den verglichenen Frequenzbändern jeweils in für einen gewaltsamen Einbruch typischer Weise ändert. Durch die Erfindung wird also ein Einbruch stets mit demselben Kriterium erkannt, ob (evtl. auch Eigenresonanzen der) Körperschallschwingungen auftreten oder nicht, und ob der Einbrecher seine vermeintlich gewieften Methoden anwendet oder nicht.

Erfindungsgemäß soll der ausgenutzte Frequenzbereich mehrere - mindestens zwei - Frequenzbänder umfassen, in denen mehr oder weniger genau - oft genügt eine geringe Genauigkeit - die Leistung (bzw. Energie und / oder andere davon ableitbare Beträge für physikalische Größen bzw. Einheiten) des empfangenen Ultraschalles getrennt ermittelt werden und zusätzlich das während des Ultraschallknalles auftretende zeitliche Verhalten der gemessenen Werte verglichen wird. Die benutzten Frequenzbänder dürfen sich hierbei überlappen, sie dürfen aber auch unmittelbar aneinander grenzen, sie dürfen aber sogar auch einen großen Abstand voneinander aufweisen, so daß dann die Leistung des empfangenen Ultraschalles innerhalb dieses Abstandes gar nicht gemessen wird.

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Es zeigte sich nämlich, daß es zur Erkennung des Einbruches im Prinzip schon ausreicht, während des Ultraschallknalles das Verhalten des Verhältnisses der Leistungen des empfangenen Ultraschalles in einem einzigen höheren und einem einzigen niedrigeren Frequenzband zu messen - im Prinzip überdies oft mit nur mäßiger Genauigkeit zu messen - , und im Verlauf des Ultraschallknalles die (Rausch-) Leistungen im oberen Frequenzband mit den (Rausch-)Leistungen im unteren Frequenzband mit ausreichender zeitlicher Auflösung zu vergleichen.

Die Ursachen für das Entstehen und das Abklingen der Ultraschall-Rauschanteile in den beiden Frequenzbändern, scheinen auf folgenden Umständen zu beruhen :

Die zu überwachenden Scheiben sind meistens etwas über 1 Millimeter dick, also z.B. 3 oder 6 Millimeter dick. Wenn eine solche Scheibe zerspringt, entstehen - oft mit einer viel größeren Geschwindigkeit als mit der Schallgeschwindigkeit in Luft - sich öffnende Risse von unterschiedlicher Tiefe, welche sich schlagartig mit Luft füllen und dadurch jenen Ultraschallknall auslösen, der ein sehr breitbandiges Ultraschallrauschen darstellt. Die Tiefe der Risse kann identisch, auch sogar größer, aber vor allem vielfach auch viel kleiner sein als die Scheibendicke, besonders wenn beim Bersten auch kleinste Splitter entstehen. Die Ultraschall-Luftschwingungen, welche durch das schlagartige Auffüllen der Risse mit Luft entstehen, breiten sich durch die Luft über den Raum aus und werden erfindungsgemäß mit mindestens einem Ultraschallsensor ermittelt.

Daher entsteht beim Bersten jeweils der typische Ultraschallknall als kurz andauerndes, mehr oder weniger rein statistisches Ultraschallrauschen mit Luftwellenlängen von z.B. 10 Millimeter bis tief in den Mikrometerbereich. Dies entspricht - gemessen an der Schallgeschwindigkeit in Luft

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- einem Frequenzbereich von rund 30 kHz bis zu vielen 100 kHz. Diese Ultraschall-Luftschwingungen entstehen beim
Bersten der Scheibe selbst dann, wenn die gleichzeitig in den Splittern entstehenden Körperschal!schwingungen durch die genannten gewieften Einbruchsmethoden so stark gedämpft werden, daß nahezu kein hörbarer Lärm entsteht.

Warum sich das betreffende Verhältnis während des einzelnen Ultraschallknalles in der beschriebenen Weise ändert, mag damit zusammenhängen, daß die in den Rissen erzeugten Ultraschallschwingungen mehr oder weniger nach einer bestimmten ANZAHL von Schwingungen abklingen, ähnlich wie
die Schwingungen in Orgelpfeifen und elektrischen Schwingkreisen beim abrupten Stoppen der Luftzufuhr / Energiezufuhr erst nach mehreren Schwingungsperioden voll abklingen.

Es ist also günstig, während des Ultraschallknalles die
Rauschleistung in einem möglichst hohen Ultraschall-Frequenzband mit der Rauschleistung in einem tiefen - aber
besonders wegen der gewieften Einbrechermethoden nicht zu tiefen - Ultraschall-Frequenzband zu vergleichen. Zu beachten ist hierbei im Einzelfall aber hinsichtlich der
höchsten noch ausgewerteten Ultraschallfrequenzen, daß
Luft - abhängig von der Luftfeuchtigkeit - die Ausbreitung von extrem kurzwelligen Ultraschall oft stark dämpft. Je
nach den besonderen Umständen des zu überwachenden Raumes sind daher andere Frequenzbänder zu wählen, wobei aber die optimalen Frequenzbänder durch Versuche leicht feststellbar bzw. mit Erfahrung leicht erratbar sind.

Zur ersten groben Abschätzung von sinnvollen Dimensionierungen der Frequenzbänder seien einige Anhaltspunkte gegeben, obwohl im Einzelfall das Optimum weit ab von den hier angegebenen Werten liegen mag :

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Man kann mit oft besonders wenig Hardwareaufwand die Erfindung an die heute meistens üblichen Größe der zu überwachenden Räume, auch an KFZ-Innenräume, anpassen, wenn man als Mittenfrequenz - also eine mittlere Frequenz zwischen dem ausgenutzten oberen Frequenzband E2 und dem ausgenutzten unteren Frequenzband El - z.B. eine Frequenz etwa zwischen 90 kHz und 130 kHz wählt.

Für Entfernungen, wie sie z.B. im Innenraum eines KFZ gegeben sind, eignet sich die Auswertung der Luftschwingungen in zwei Frequenzbändern innerhalb eines Gesamtfrequenzbereiches

von z.B. 70 kHz bis 160 kHz (dann also im unteren Frequenzband z.B. 70 kHz bis 110 kHz und im oberen Frequenzband z.B. 100 kHz bis 160 kHz),

aber auch z.B. 50 kHz bis erheblich über 200 kHz (also im unteren Frequenzband z.B. 50 kHz bis 90 kHz und im oberen Frequenzband z.B. 120 kHz bis 250 kHz) und zwar vor allem je nach der Empfindlichkeit (und den oft unerwünschten Eigenresonanzen) des verwendeten Sensortypes besonders bei hohen Frequenzen, je nach dem Ort, an dem der Sensor oder die Sensoren anzubringen sind, auch je nach dem maximal zugelassenen Aufwand an Hardware für die Anordnung und je nach dem Grad der Zuverlässigkeit, mit welchem man das Bersten auch kleinerer Scheiben aus größerer Entfernung erkennen will.

Je dicker die zu überwachenden Scheiben sind, umso niedrigere Frequenzen können im Prinzip in dem unteren Frequenzband miteinbezogen werden, ohne sich Sorgen wegen gewiefter Einbrechermethoden machen zu müssen. Man kann jene durch die gewieften Einbrechermethoden leicht unterdrückbaren niederfrequenten Luftschwingungen von vornherein bei der Auswertung unbeachtet lassen, aber die höher liegenden, durch die Rißbildung erzeugten Ultraschallfrequenzanteile des Ultraschallknalles noch ausreichend im niedrigfrequenten Frequenzband, vgl. El, erfassen, wenn man das

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untere Frequenzband bzw. dessen Bandpaßfilter z.B. so dimensioniert, daß es die Frequenzen oberhalb etwa 50 kHz erfaßt.

Aus dem Ergebnis der oben beschriebenen Untersuchungen über das Verhalten besonders der hohen Frequenzen des Ultraschallknallspektrums und aus der angegebenen, darauf basierenden erfindungsgemäßen Lösung geht aber hervor, daß an sich - auch zugunsten der Minimierung der Anzahl der verschiedenen, erfindungsgemäß betriebenen Produkttypen auf die Einbeziehung der besonders niedrigen Ultraschallfrequenzen auch leicht verzichtet werden kann, weil gerade das Verhalten bei den hohen und höchsten Frequenzen besonders signifikant ist.

Besonders wenn man mehrere Scheiben von unterschiedlicher Dicke und unterschiedlicher Sprödigkeit gleichzeitig überwacht, ist es günstig, die Frequenzbänder sowohl des Bandpasses E2 für das obere als auch des Bandpasses El für das untere Frequenzband jeweils sehr breit zu wählen. Das gelingt besonders leicht, wenn man das obere und untere Frequenzband E2/E1 aneinander angrenzen oder gar sich deutlich im Bereich der Mittenfrequenz überlappen läßt. Solche besonders breiten Frequenzbänder gestatten übrigens auch sonst, besonders große akustischen (Rausch-)Leistungen bzw. Energien für die Messung zu auszuwerten, wodurch der Verstärkungsfaktor von den Verstärkern, vgl. Vl und V2, entsprechend niedrig sein kann bzw. solche Verstärker mitunter auch weggelassen werden können.

Sobald die Scherben nach dem Bersten gegeneinander stoßen - auch sobald sie auf den Boden fallen - und hierbei weiter zerbrechen, entstehen weitere, meistens vergleichsweise ziemlich energiearme Ultraschallknalle. Kräftige weitere Ultraschallknalle entstehen aber übrigens, wenn der Einbrecher nacheinander mehrere Scheiben zerschlägt.

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Durch die Erfindung wird aber bereits vom ERSTEN kurzen z.B. 1 Millisekunde dauernden - Ultraschallknall der Alarm ausgelöst. Deswegen brauchen spätere kräftige Ultraschallknalle, welche durch das Zerschlagen weiterer Scheiben erzeugt werden, für die Auslösung des Alarmes nicht mehr ausgewertet zu werden. Weil außerdem bei der Erfindung der Alarm ohnehin bereits durch den ersten Ultraschallknall ausgelöst wird, kann auch das sich an den ersten Ultraschallknall anschließende Klirren und Splittern der Bruchstücke der Scheibe - zumindest im allgemeinen - unausgewertet bleiben, obwohl in besonderen Bedarfsfällen zusätzlich besonders auch dieses anschließende Klirren und / oder Splittern mitausgewertet werden kann.

Als Ultraschallsensoren S eignen sich oft bereits keramische Schichtwandler S. Man kann auch andere Typen, auch z.B. Miniatur-Elektrete S verwenden.

Bei den eigenen Untersuchungen mit hochwertigen eigenresonanzarmen Ultraschallsensoren bzw. Ultraschallmikrofonen zeigte sich übrigens deutlich besonders in eigenresonanzarmen Innenräumen, daß zwischen einem Schlag auf die Scheibe ohne folgendem Bruch und einem Schlag mit folgendem Bruch keine zuverlässig auswertbaren, signifikanten Pegelunterschiede, jedoch große Unterschiede in den Dauern der beobachteten Ultraschallschwingungen bestehen :

Bei einem Schlag mit Bruch entsteht zuerst jeweils der beschriebene kurze Ultraschallknall, bei welchem anfänglich die hochfrequenten Rauschanteile relativ stark sind. Bei einem Schlag ohne Bruch entstehen vergleichsweise sehr lange andauernde Schwingungen ohne jene starken hochfrequenten Rauschanteile. Das kann man dadurch erklären, daß die Scheiben eine vergleichsweise geringe akustische Dämpfung und nur bei vergleichsweise sehr niedrigen Frequenzen Resonanzen in den unterschiedlichsten Moden aufweisen, wodurch ihre sehr niederfrequenten Körperschallschwingungen

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vergleichsweise nur sehr langsam ausklingen, wenn nicht dieses Ausklingen durch einen Bruch gestört bzw. abgebrochen wird.

Weil diese bei einem Schlag ohne Bruch auftretenden Körperschallschwingungen in der Luft ebenfalls gewisse Ultraschal !schwingungen anregen können, werden bei der Erfindung mit deren Sensor dann aber im wesentlichen nur die hierfür signifikanten, relativ lang andauernden niedrigfrequenten Ultraschallschwingungen, aber nicht oder kaum die hochfrequenten Frequenzanteile empfangen. Bei einer Weiterbildung der Erfindung kann daher zusätzlich bei Bedarf auch das Auftreten im wesentlichen allein der niedrigfrequenten Frequenzanteile zur Anzeige eines Schlages ohne Bruch - also z.B. zur Anzeige eines versuchten, aber unvollendeten Einbruches - verwendet werden können. Die Erfindung gestattet also, signifikant auch Schläge ohne völligem Bruch der Scheibe, auch Schläge, bei denen zwar einzelne Sprünge auftreten aber noch kein Bruch, als solche zu erkennen und durch sie bei Bedarf ebenfalls einen Alarm auszulösen. Dazu kann die Auswerteschaltung K übrigens zusätzlich noch die Dauer des Ultraschallknalles überwachen, zumindest falls während des Ultraschallknalles kaum hochfrequente Rauschanteile E2, sondern vor allem die niedrigfrequenten Rauschanteile El auftreten.

Besonders günstig ist oft, den Sensor S an einem solchen Ort des zu überwachenden Raumes zu befestigen, bei welchem auch der hochfrequente Frequenzanteil des Ultraschalles von den brechenden Scheiben direkt statt um Hindernisse herum zum Sensor gelangen kann - vor allem weil die Spektrumsanteile mit den höchsten Ultraschallfrequenzen nur noch schwach von solchen Hindernissen gebeugt werden. Eine Anordnung der Sensoren nahe an den Glasscheiben ist aber nicht nötig, eben weil die Luft als Übertragungsmedium für den Ultraschallknall verwendet wird.

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Durch die erfindungsgemäße Ausnutzung der Veränderung des Ultraschallspektrums während des Ultraschallknalles kann man also eine erhöhte Zuverlässigkeit erreichen, mit welcher ein Einbruch durch Messung der Luftschwingungen alleine schon durch ein passives Überwachungssystem selbst dann erkennbar ist, wenn die Form der Hüllkurve des beim Zertrümmern empfangbaren Ultraschallknalles nicht gemessen wird. Die Erfindung läßt aber zu, daß der Sensor bei Bedarf zusätzlich zur Messung und Auswertung der Amplitude der Hüllkurve des Ultraschallknalles verwendet wird. Überdies ist bei der Erfindung besonders der Aufwand an Hardware und an elektrischer Energie zur Anwendung eines aktiven, auf Radarbasis arbeitenden Überwachungssystemes vermeidbar.

Um mit noch größerer Zuverlässigkeit einen durch einen Scheibenbruch erzeugten Ultraschallknall von einem ähnlich strukturierten, aber auf andere Weise erzeugten Ultraschallknall unterscheiden zu können, kann die Auswerteschaltung K - besonders wenn sie einen durch einen Prozessor P gebildeten Vergleicher P enthält - so dimensioniert werden, daß sie nur dann einen Einbruch meldet, wenn die Leistung im oberen Frequenzband, vgl. E2, ihr Maximum nahe an der Vorderflanke des empfangenen Ultraschallknalles aufweist, - und nicht etwa erst nach der Mitte des Ultraschallknalles .

Ein besonders einfacher Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung wird ermöglicht, wenn sie einen Mikroprozessor K bzw. Mikrocomputer K enthält, welcher die wesentlichen Funktionen der gesamten Auswerteschaltung übernimmt, vgl. El, E2, Vl, V2, Ml, M2, Dl, D2 und P.

Überdies gestattet die Erfindung, zusätzlich Maßnahmen gemäß der oben genannten, nicht vorveröffentlichten Anmeldung PCT/DE 90/00274 auszunutzen :

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So kann der Sensor S - trotz der Dämpfungen der sehr hohen Ultraschallfrequenzanteile in Luft - auch die hochfrequenten Rauschanteile des Ultraschallknalles mit relativ hoher Leistung empfangen, wenn man einen Sensor S mit einer dem zu überwachenden Raum angepaßten Richtcharakteristik wählt, vgl. C in Figur 2 und 3. Das ist besonders günstig, wenn der Abstand zu den entfernteren, zu überwachenden Scheiben ziemlich viel größer als zu den naher, zu überwachenden Scheiben ist, erst recht dann, wenn man nur einen einzigen Sensor S anbringt. Dann empfängt dieser Sensor S die hochfrequenten Anteile der Luftschwingungen, welche bei einem Bruch einer entfernt liegenden Scheibenfläche entstehen, vgl. in Figur 2: GH, GK; in Figur 3: GF, GV, zumindest in der Regel mit ähnlich großer Empfindlichkeit wie die hochfrequenten Anteile der Luftschwingungen, welche bei einem Bruch von einer in der Nähe liegenden Scheibenfläche entstehen, vgl. in Figur 3 : GF, GV; in Figur 4 : GH, GK, GS.

Wenn man also beim erfindungsgemäßen Überwachungssystem mindestens einen, eine Richtcharakteristik C aufweisenden, also je nach Richtung unterschiedliche Empfindlichkeiten aufweisenden Sensor verwendet, und wenn er seine Keule / seine Keulen der Richtcharakteristik auf die entfernt liegenden Scheiben richtet, dann kann man in vielen Fällen nicht nur mit einem einzigen Sensor auskommen, sondern man kann auch eine hohe Zuverlässigkeit des Überwachungssystemes für alle zu überwachenden Scheiben des Raumes erreichen, selbst wenn die Anzahl der zu überwachenden Scheiben hoch ist und wenn zusätzlich manche der zu überwachenden Scheiben nahe am Sensor und andere sehr weit entfernt von Sensor sind.

Für die Überwachung eines KFZ-Innenraumes ist es besonders günstig, den Sensor S nahe dem oberen Rand der Frontscheibe GF oder der Heckscheibe GH anzubringen. Dann sind Hindernisse, z.B. Nackenstützen, zwischen dem Sensor S und

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den zu überwachenden Scheiben leicht vermeidbar. Zusätzlich kann ein Einbrecher nur viel schwerer gleichzeitig die Scheibe und den Sensor S zerstören, als wenn der Sensor S z.B. am unteren Rand dieser Scheiben angebracht wäre. Überdies kann dann der Sensor S sogar im Innenrückspiegel, z.B. an dessen Fuß, oder auch in der Nähe einer dort angebrachten Innenbeleuchtung angebracht werden und dadurch eine besonders unauffällige, vom Design her besonders ansprechende Lösung ermöglichen.

Wenn man aber bei einem erfindungsgemäßen Überwachungssystem eines KFZ den betreffenden Sensor nahe dem oberen Rand der Heckscheibe, vgl. GH, anbringt, kann man ebenfalls eine günstige Lösung für ein KFZ erreichen : Der Sensor kann dann auch recht unauffällig in der dortigen Dachverkleidung angebracht werden, wobei dann ebenfalls Hindernisse, z.B. Nackenstützen, zwischen dem Sensor und den zu überwachenden Scheiben leicht vermeidbar sind. Zusätzlich kann ein Einbrecher auch dann nur viel schwerer gleichzeitig die Scheibe und den Sensor zerstören, als wenn der Sensor am unteren Rand dieser Scheibe angebracht wäre.

Wenn der betreffende Sensor, vgl. die Figuren 2 und 3, jeweils in der Mitte des oberen Randes der betreffenden Scheibe, vgl. GF, GH, angebracht wird, kann man zusätzlich einen Sensor mit leicht herstellbarer spiegelsymmetrischer Richtcharakteristik C verwenden, also z.B. einen Sensor, dessen Richtcharakteristik C gemäß den Figuren 2 und 3 in besonders leicht herstellbarer Weise angenähert zwei sich schwach überlappende Keulen bildet.

Claims (11)

GI 73 Schutzansprüche

1. Überwachungssystem zur Überwachung der Scheiben (GF, GV, GS, GK,

GH) eines Raumes (I), um einen Einbruch durch abrupten Bruch einer oder mehrerer, z.B. in den Wänden (W) des Raumes angebrachter Scheiben (GF, GV, GS, GK, GH) zu erkennen,

mindestens ein für Ultraschall empfindlicher Sensor (S) jeweils im Inneren des Raumes (I) und / oder an der Wand (W) des Raumes (I) so befestigt ist, daß er bei einem Einbruch im wesentlichen nur die Luftschwingungen, nämlich den von der Luft übertragenen Ultraschallknall der berstenden Scheibe (GF, GV, GS, GK, GH) empfangen kann, und

eine Auswerteschaltung (K bzw. El, E2, Vl, V2, Ml, M2, Dl, D2, P) zumindest grob angenähert die akustischen Leistungen bzw. Energien der von dem Sensor (S) in zwei verschiedenen Ultraschall-Frequenzbändern (El, E2) empfangenen Luftschwingungen vergleicht, nämlich die Leistungen des akustischen Rauschens in einem mehr oder weniger oberhalb (E2) einer Mittenfrequenz mit denen in einem mehr oder weniger unterhalb der Mittenfrequenz liegenden Frequenzband (El),

z.B. zur Überwachung eines Kfz-Innenraumes (I) auf Einbruch, dadurch gekennzeichnet, daß das obere der beiden Frequenzbänder (E2) Frequenzen oberhalb von 100 kHz erfaßt, und

die Auswerteschaltung (K) ein Auslöseorgan (R/L) aufweist, das dann einen Alarm auslöst, wenn während der Dauer des empfangenen Ultraschallknalles das Verhältnis der Leistung im oberen Frequenzband (E2) zur Leistung im unteren Frequenzband (El) abklingt.

2. Überwachungssystem nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslöseorgan der Auswerteschaltung (K) nur dann einen Einbruch meldet, wenn die Leistung im oberen Frequenzband (E2) ihr Maximum nahe an der Vorderflanke des empfangenen Ultraschanknalles aufweist.

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3. Überwachungssystem nach Schutzanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittenfrequenz zwischen den beiden Frequenzbändern im Bereich zwischen 90 kHz bis 130 kHz liegt.

4. Überwachungssystem nach Schutzanspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Frequenzband (El) Frequenzen oberhalb 50 kHz erfaßt.

5. Überwachungssystem nach Schutzanspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das obere und untere Frequenzband (El, E2) aneinander angrenzen oder sich überlappen.

6. Überwachungssystem nach einem der vorhergehenden Schutzansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (K) auch die Dauer des Ultraschallknalles überwacht, zumindest falls während des Ultraschallknalles kaum hochfrequente Rauschanteile (E2), sondern vor allem niedrigfrequente Rauschanteile (El) auftreten.

7. Überwachungssystem nach einem der vorhergehenden Schutzansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (K) zwei Bandpaßfilter (El, E2) enthält, nämlich eines (E2) für das obere und eines (El) für das untere Frequenzband.

8. Überwachungssystem nach Schutzanspruch 7, z.B zur Überwachung

eines KFZ-Innenraumes (I),
dadurch gekennzeichnet, daß nur ein einziger Sensor (S) angebracht ist (Figur 2 bis 4), und der Sensor (S) eine solche Richtcharakteristik (C) hat, daß er die von ihm zu überwachenden Luftschwingungen, welche er bei einem Bruch von entfernt liegenden, von ihm (S) zu überwachenden Scheibenflächen (in FIGUR 3 : GH, GK; in FIGUR 4 : GF, GV) empfängt, zumindest in der Regel mit ähnlich großer Empfindlichkeit

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empfangen kann wie die von ihm (S) zu überwachenden Luftschwingungen, welche er (S) bei einem Bruch von in der Nähe liegenden, von ihm (S) zu überwachenden Scheibenflächen (in FIGUR 3 : GF, GV; in FIGUR 4 : GH, GK, GS) empfängt.

9. Überwachungssystem zur Überwachung eines KFZ-Innenraumes (I) nach

Schutzanspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (S) nahe dem oberen Rand der Frontscheibe (GF) oder der Heckscheibe (GH) angebracht ist.

10. Überwachungssystem nach Schutzanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (S) im oder nahe dem Innenrückspiegel angebracht ist.

11. Überwachungssystem nach einem der Schutzansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Mikroprozessor (K) bzw. Mikrokomputer (K) enthält, welcher die wesentlichen Funktionen der Auswerteschaltung (El, E2, Vl, V2, Ml, M2, Dl, D2, P) übernimmt.