EP0996310B1 - Verfahren zur Bestimmung des Ortes und der Schalleistung von Ersatzschallquellen - Google Patents

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EP0996310B1
EP0996310B1 EP19990810839 EP99810839A EP0996310B1 EP 0996310 B1 EP0996310 B1 EP 0996310B1 EP 19990810839 EP19990810839 EP 19990810839 EP 99810839 A EP99810839 A EP 99810839A EP 0996310 B1 EP0996310 B1 EP 0996310B1
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EP
European Patent Office
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sound
sound sources
substitute
sources
receivers
Prior art date
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EP19990810839
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English (en)
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EP0996310A1 (de
Inventor
Hans Rudolf Dr. Graf
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Sulzer Markets and Technology AG
Original Assignee
Sulzer Markets and Technology AG
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R3/00—Circuits for transducers
    • H04R3/005—Circuits for transducers for combining the signals of two or more microphones

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the location and the Sound power of replacement sound sources according to the generic term of independent claim.
  • Determining the sound power from many different places today typically takes place with an arrangement of microphones (Array measurement technique).
  • a microphone line (but also a surface arrangement of microphones) can be used.
  • Such an arrangement for determining the sound power is described for example in EP-A-0.847.224.
  • Patent Abstracts of Japan, vol. 17, no 481 JP-A-05 118906 discloses a deconvolution method for examining an object, in which the Object is excited with a special electrical signal. Purpose of this procedure is to reduce an influence of noise at low frequencies. It will be one Deconvolution carried out with a single, time-varying signal. In the Evaluation, the transfer function and the impulse response are determined.
  • Patent Abstracts of Japan, vol. 12, no 368 JP-A-63 1202278 discloses a method for locating sound sources that have the same frequency to have.
  • a measurement is carried out with two microphones, with a fixed one Microphone and a mobile.
  • An evaluation is carried out with complex FFT spectra. The purpose of this procedure is to locate sources with the same frequency.
  • EP-A-0 331 585 discloses a deconvolution method in which an arrangement of ".” multiple sound receivers the signature of a single sound source is determined.
  • US-A-4 980 870 discloses a "beam forming" system. What is a “beamforming” operation is described in Column 2, lines 45 to 56 are described. The beamforming corresponds to the registration generating the curve S shown in FIG. 1 by means of the microphones received signals.
  • a method as described by the features of the independent claim is characterized.
  • acts it is a method for determining the location and the Sound power of substitute sound sources, in which method with the help of a Arrangement of several sound receivers first of all actually existing sound is received and the corresponding signals of the Sound receivers are evaluated, e.g. with the help of the "Delay & Sum "method or with the help of other methods one or more essentially point-shaped substitute sound sources are determined, the determination of the location and the sound power of the individual in Substantially point-shaped substitute sound sources take place in such a way that the Superposition of the sound they generate as closely as possible total sound actually received by the sound receivers.
  • the fact that the sound actually received is quasi "simulated" due to the sound from essentially point-shaped substitute sound sources a resolution that can be achieved with conventional methods long ago would push boundaries.
  • the location is determined and the sound power of the essentially point-shaped substitute sound sources a deconvolution of those signals of the sound receivers has been carried out, that correspond to the sound actually received.
  • a deconvolution of those signals of the sound receivers can be associated with the respective arrangement of sound receivers Focus club are taken into account.
  • Deconvolution can be done in such a way that the weighted contribution from several fictitious, essentially punctiform sound sources on several different locations is taken into account. With the help of the weighted contribution These fictitious sound sources can then be the location and the sound power of the Substitute sound sources can be determined.
  • the weighting can be general so that the coefficients with which the individual fictitious Sound sources are weighted, in principle negative, positive or zero could be.
  • Weighting of fictitious sound sources can only be positive or zero.
  • This Variant corresponds to physical reality because it only has sound sources positive sound power or with sound power zero (no sound source).
  • Determining the location and the sound power of the essentially point-shaped substitute sound sources can then specifically with the measure that the mean squared error between the actually of the sound receivers and the sound received by the essential point-shaped substitute sound sources generated sound is minimal.
  • Another variant is characterized in that the Determination of the location and the sound power of the essentially punctiform substitute sound sources take place in such a way that the actually received sound signals from the local area into a "local" (in Difference to a temporal) frequency range can be transformed. There they are divided by a signal which corresponds to that from the local area in the local frequency range transformed signal of the focus lobe of the Arrangement of sound receivers corresponds. That from this division resulting signal is from the local frequency range in the Local area transformed back.
  • This variant takes into account that the signal is a point Sound source in the local area with the focus lobe of the arrangement of Sound receivers must be folded in order to actually exist Sound.
  • a fold in the local area corresponds to one Multiplication in the local frequency range. Because the actual one Sound and the focal lobe of the arrangement of sound receivers known are, but not the location of the point replacement sound source, must be in the local frequency range a division of the actually existing sound by means of the signal corresponding to the focus lobe. That from this The resulting signal must then be returned to the local area be transformed back.
  • Fig. 1 an example of actually existing sound S is shown (the Ordinate is e.g. a measure of the sound power), such as that of the microphones of a microphone line (not shown) has been received.
  • the Ordinate is e.g. a measure of the sound power
  • the microphones of a microphone line not shown
  • Microphone arrangements suitable for this are already mentioned in the introduction known EP-A-0.847.224 known. It doesn't have to be one Acting a "one-dimensional" microphone line, it is very possible to use one to use two-dimensional microphone arrangement. You can see that Sound occurs over a local area that is from the negative X coordinate -2 extends to the positive X coordinate 1.5. However, it is not possible to get more information about the exact distribution of sound sources do.
  • FIG. 2 shows a signal which is received by the microphone line has been.
  • This signal is from a point sound source with a normalized sound power at the X coordinate 0 in a given Distance from the microphone line has been created, i.e. the focus club of the Microphone line has been taken into account.
  • the goal is now, but not otherwise further resolvable local distribution of the sound from FIG. 1 resolve by the sound actually received by the microphone line is simulated as exactly as possible by substitute sound sources. Because exactly punctual sound sources do not exist in reality, one speaks often from essentially punctiform sound sources. With the signal in FIG. 2 you can see that a point-shaped sound source at the X coordinate 0 at the microphone line produces a signal which differs from the X coordinate -1 extends to positive X coordinate 1.
  • Fig. 3 you can see that the actually existing sound is simulated has been through the superposition of signals S1, S2, S3 from three onwards point-shaped arranged at different X coordinates Substitute sound sources with different sound power.
  • the single ones Solid lines S1, S2, S3 each correspond to the signal a certain place with a given distance from the Microphone line arranged point-like sound source, as easily from a Comparison with Fig. 2 can be seen.
  • the dashed line in Fig. 3 shows the Course of the actually existing sound S from FIG. 1, which is the Superposition of the signals S1, S2, S3 of the three punctiform Substitute sound sources correspond to different sound power. It is one Deconvolution of the sound S actually present from FIG. 1 Have been carried out.
  • FIG. 4 it results from FIG. 3 that in one specified distance from the microphone line at the X coordinate -1 a Substitute sound source Q1 is arranged, also at the X coordinate -0.5 one Substitute sound source Q2 and finally one at the X coordinate 0.5 Substitute sound source Q3.
  • the substitute sound sources Q1, Q2, Q3 each have one different sound power.
  • the superimposition of the signals from the three Substitute sound sources result in the actual sound S from FIG. 1 is still that the triangular distribution of the substitute sound sources Dirac impacts at the above-mentioned X coordinates, which are due to the selected resolution for the X coordinate when printing a triangular Have shape.
  • the difficulty with this procedure is to determine how many Substitute sound sources for an actually received sound S in one specified distance from the microphone line must be selected soft place they have to be arranged and which ones Sound power they must have to the actually received sound S reproduce as closely as possible.
  • the first alternative is based on several fictitious sound sources, spread over the entire local area of interest in one predetermined distance from the microphone line are arranged.
  • the The focus lobe of the microphone line points over the entire line of interest Area the same shape, it can - as explained at the beginning - electronically via the local area of interest bit by bit be pivoted. This depends on the swiveling interval of the focus lobe assumed fictitious sound sources are now using a Computer program weighted such that each fictitious sound source with a Weighted coefficient which is either positive, zero or negative.
  • the requirement is that the sound S actually received is as good as is possible simulated by substitute sound sources, their respective location and their respective sound power can still be found.
  • the second alternative is somewhat similar to the first alternative, but differs from it in that the coefficients with which the fictitious sound sources are to be weighted can only ever be positive or zero.
  • This alternative is particularly advantageous because it takes physical reality into account from the start - there are only sound sources with positive sound power or with no sound power (sound power zero, no sound source).
  • the criterion for determining the locations and the sound power of the substitute sound sources is such that the mean square error between the actual sound S and the sound generated by the substitute sound sources is ultimately minimal.
  • a computer program suitable for this procedure is, for example, the computer program known from the company "The Math Works Inc., 24, Prime Park Way, Natick, MA 01760-1500, USA, known as” nnls "( n on n egative l east s quares) ".
  • This calculation program is offered in an "Optimization Toolbox” of mathematical calculation programs for use together with the "Toolbox” MATLAB® already mentioned.
  • the computer program "nnls" determines the locations and the sound power of the substitute sound sources under the above-mentioned requirement.
  • the third alternative differs from the procedure basically of the two alternatives described above.
  • This third alternative is namely the actually received sound S from the local area (FIG. 1) via a Fourier transformation (for example via a discrete Fourier transformation FFT) into a local one Frequency range transformed.
  • a Fourier transformation for example via a discrete Fourier transformation FFT
  • FFT discrete Fourier transformation
  • Fig. 2 it results from an (to be determined) arrangement of Equivalent switching sources Q1, Q2, Q3 with a switching power to be determined and the signal coming from the microphone line from a punctiform Sound source is received, which is arranged at a specific location, the sound S by folding the respective (already weighted) Dirac collisions (Fig. 4) with the respective signal, which is the response of the Microphone line represents a point sound source (Fig. 2).
  • the Results of this convolution are shown in Fig. 3 and become additive superimposed.
  • a fold in the local area means nothing other than one Multiplication in a corresponding local frequency range.
  • Dirac shocks are with the in the local frequency domain transformed signal which is the answer represents the microphone line to a punctiform sound source multiply to the one transformed into the local frequency domain Signal of the sound actually present.
  • the local Distribution and weighting of Dirac shocks in the local area But finding out is exactly the problem to be solved. Accordingly, must thus the signal of the transformed into the local frequency range actually existing sounds are divided by the signal which the response of the microphone line to a punctiform sound source in the local Frequency range corresponds. This division then results in local Frequency range a signal which is in the local frequency range of Distribution and weighting of the Dirac shocks corresponds. By a Reverse transformation of this signal from the local frequency range into the The local area then results in the arrangement and the sound power of the Substitute sound sources.
  • a computer program suitable for this procedure with which such a transformation can be carried out from the local area into the local frequency range and also a corresponding inverse transformation from the local frequency range into the local area, is under the name "fft ( f ast F ourier t ransformation) Well-known computer program from the company "The Math Works Inc., 24, Prime Park Way, Natick, MA 01760-1500, USA”. This program is offered in a "toolbox” of mathematical computer programs under the name MATLAB®. The computer program "fft” then determines the locations and the sound power of the substitute sound sources, with the proviso that the sound S actually received is simulated as well as possible by substitute sound sources.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Ortes und der Schalleistung von Ersatzschallquellen gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs.
Die Bestimmung der Schalleistung, die von vielen unterschiedlichen Orten her kommt, erfolgt heute typischerweise mit einer Anordnung von Mikrofonen (Arraymesstechnik). Hierzu kann beispielsweise eine Mikrofonzeile (aber auch eine flächenmässige Anordnung von Mikrofonen) zum Einsatz kommen. Eine derartige Anordnung zur Bestimmung der Schalleistung ist beispielsweise in der EP-A-0,847,224 beschrieben.
Will man die Schalleistung bestimmen, die von vielen unterschiedlichen Orten her kommt, so ist es durchaus üblich Mikrofone einzusetzen, die für alle interessierenden Richtungen eine etwa gleiche Emfpindlichkeit aufweisen. Die Fokussierung einer solchen Mikrofonzeile in eine bestimmte Richtung (die im Unterschied hierzu bei einem Richtmikrofon durch die zugehörige sehr schmale Fokuskeule gegeben ist) kann bei Mikrofonen, welche für alle interessierenden Richtungen eine etwa gleiche Empfindlichkeit aufweisen, elektronisch bewirkt werden. Dazu werden die Unterschiede in der Laufzeit des Schalls bei der Auswertung der Signale der einzelnen Mikrofone berücksichtigt.
Sind beispielsweise alle Mikrofone auf einer Geraden angeordnet (Mikrofonzeile) und wird ein Ort untersucht, bei welchem die von diesem Ort ausgehende (vereinfacht angenommen: ebene) Schallwellenfront mit der Geraden, auf der die Mikrofone angeordnet sind, einen Winkel einschliesst (ebenes Problem), so kann aus dem Abstand der Mikrofone der Mikrofonzeile voneinander und aus dem besagten Winkel der Laufzeitunterschied ermittelt werden, der sich ergibt, wenn eine von dem in Rede stehenden Ort ausgehende Schallwellenfront auf die einzelnen Mikrofone der Mikrofonzeile auftrifft. Weil der Schall an einem etwas weiter von dem Ort der Schallquelle entfernt angeordneten Mikrofon der Mikrofonzeile später ankommt als an einem etwas näher an der Schallquelle angeordneten Mikrofon, wird bei der Auswertung der Mikrofonsignale bei dem etwas weiter entfernt angeordneten Mikrofon nur der um den ermittelten Laufzeitunterschied später ankommende Schall berücksichtigt. Dieses Verfahren wird für verschiedene Orte über den gesamten interessierenden Bereich durchgeführt. Derartige Vorgehensweisen sind als sogenannte "Delay&Sum"-Verfahren bekannt. Mit einem solchen Verfahren kann der tatsächlich vorhandene Schall erfasst werden. Allerdings entspricht die Auflösung infolge der beschränkten Anzahl der zur Verfügung stehenden Mikrofone in einigen Fällen nicht den Anforderungen oder Wünschen.
In der bereits weiter oben angesprochenen EP-A-0,847,224 ist ein Verfahren vorgeschlagen worden, was unter dem Namen "Sparse"-Technik bekannt ist. Dieses Verfahren berücksichtigt, dass bei einer Anordnung mit lauter gleich beabstandeten Mikrofonen einige Information redundant ist. Man kann dann Mikrofone, welche redundante Signale liefern, weglassen und dennoch zu gleich guten Ergebnissen gelangen. Die weggelassenen Mikrofone können dann zur Vergrösserung des Mikrofonarrays verwendet werden (wodurch die Auflösung bei gleicher Mikrofonanzahl verbessert werden kann).
Eine einmal gegebene Anordnung mit einer festen Anzahl von Mikrofonen weist für den oben genannten Typ von Mikrofonen (bei denen die Empfindlichkeit in allen interessierenden Richtungen in etwa gleich ist) als Ganzes eine wohldefinierte Fokuskeule auf, die für alle interessierenden Orte etwa gleich ist. Diese Fokuskeule weist eine bestimmte Breite auf. Durch diese gegebene Breite der Fokuskeule werden nahe beieinanderliegende Quellen "verschmiert" und können somit nicht als voneinander getrennte Quellen erkannt werden.
Patent Abstracts of Japan, vol. 17, no 481 (JP-A-05 118906) offenbart ein Deconvolutions-Verfahren zum Untersuchen eines Objekts, bei dem das Objekt mit einem speziellen elektrischen Signal angeregt wird. Zweck dieses Vorgehens ist, einen Einfluss des Rauschens bei tiefen Frequenzen zu reduzieren. Es wird eine Deconvolution mit einem einzelnen, zeitlich veränderlichen Signal durchgeführt. Bei der Auswertung wird die Übertragungsfunktion und die Impulsantwort bestimmt.
Patent Abstracts of Japan, vol. 12, no 368 (JP-A-63 120228) offenbart ein Verfahren zum orten von Schallquellen, welche die gleiche Frequenz haben. Eine Messung wird mit zwei Mikrofonen durchgeführt, mit einem ortsfesten Mikrofon und einem mobilen. Eine Auswertung erfolgt mit complexen FFT-Spektren. Zweck dieses Verfahrens ist es, Quellen mit gleicher Frequenz zu orten.
EP-A-0 331 585 offenbart ein Deconvolutions-Verfahren, bei dem mit einer Anordnung ("array") von mehreren Schallempfängern die Signatur einer einzigen Schallquelle bestimmt wird.
US-A-4 980 870 offenbart ein "Beamforming"-System. Was eine "Beamforming"-Operation ist, wird in Spalte 2, Zeilen 45 bis 56 beschrieben. Das Beamforming entspricht in der Anmeldung dem Erzeugen der in Fig. 1 gezeigten Kurve S mittels den von den Mikrofonen empfangenen Signalen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, für eine gegebene Anordnung mit einer festen Anzahl und gegebenen Abständen von Mikrofonen die örtliche Auflösung zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, wie es durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs charakterisiert ist. Insbesondere handelt es sich dabei um ein Verfahren zur Bestimmung des Ortes und der Schalleistung von Ersatzschallquellen, bei welchem Verfahren mit Hilfe einer Anordnung von mehreren Schallempfängern zunächst der tatsächlich vorhandene Schall empfangen wird und die entsprechenden Signale der Schallempfänger ausgewertet werden, z.B. mit Hilfe der genannten "Delay & Sum" - Methode oder mit Hilfe von anderen Methoden. Sodann werden eine oder mehrere im wesentlichen punktförmigen Ersatzschallquellen bestimmt, wobei die Bestimmung des Ortes und der Schalleistung der einzelnen im wesentlichen punktförmigen Ersatzschallquellen derart erfolgt, dass die Überlagerung des von ihnen erzeugten Schalls möglichst genau den gesamten von den Schallempfängern tatsächlich empfangenen Schall ergibt. Dadurch, dass der tatsächlich empfangene Schall quasi "nachgebildet" wird durch den Schall von im wesentlichen punktförmigen Ersatzschallquellen ist eine Auflösung erreichbar, die mit herkömmlichen Methoden längst an ihre Grenzen stossen würde.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsvariante wird zur Bestimmung des Ortes und der Schalleistung der im wesentlichen punktförmigen Ersatzschallquellen eine Dekonvolution derjenigen Signale der Schallempfänger durchgeführt, die dem tatsächlich empfangenen Schall entsprechen. Bei der Dekonvolution kann eine zu der jeweiligen Anordnung von Schallempfängern zugehörige Fokuskeule berücksichtigt werden.
Die Dekonvolution kann derart erfolgen, dass der gewichtete Beitrag von mehreren fiktiven, im wesentlichen punktförmigen Schallquellen an mehreren verschiedenen Orten berücksichtigt wird. Mit Hilfe des gewichteten Beitrags dieser fiktiven Schallquellen kann dann der Ort und die Schalleistung der Ersatzschallquellen ermittelt werden. Dabei kann die Gewichtung allgemein so erfolgen, dass die Koeffizienten, mit denen die einzelnen fiktiven Schallquellen gewichtet werden, vom Prinzip her negativ, positiv oder null sein können.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung dieses Verfahrens darf jedoch die Gewichtung der fiktiven Schallquellen nur positiv oder null sein. Diese Variante entspricht der physikalischen Realität, weil es nur Schallquellen mit positiver Schalleistung oder mit Schalleistung null (keine Schallquelle) gibt.
Die Ermittelung des Ortes und der Schalleistung der im wesentlichen punktförmigen Ersatzschallquellen kann dann speziell mit der Massgabe erfolgen, dass der mittlere quadratische Fehler zwischen dem tatsächlich von den Schallempfängern empfangenen Schall und dem durch die im wesentlichen punktförmigen Ersatzschallquellen erzeugten Schall minimal ist.
Eine andere Ausführungsvariante zeichnet sich dadurch aus, dass die Ermittelung des Ortes und der Schalleistung der im wesentlichen punktförmigen Ersatzschallquellen derart erfolgt, dass die tatsächlich empfangenen Schallsignale aus dem Ortsbereich in einen "örtlichen" (im Unterschied zu einem zeitlichen) Frequenzbereich transformiert werden. Dort werden sie durch ein Signal dividiert, welches dem aus dem Ortsbereich in den örtlichen Frequenzbereich transformierten Signal der Fokuskeule der Anordnung von Schallempfängern entspricht. Das aus dieser Division resultierende Signal wird aus dem örtlichen Frequenzbereich in den Ortsbereich zurücktransformiert.
Diese Variante berücksichtigt, dass das Signal einer punktförmigen Schallquelle im Ortsbereich mit der Fokuskeule der Anordnung von Schallempfängern gefaltet werden muss, um zu dem tatsächlich vorhanden Schall zu gelangen. Eine Faltung im Ortsbereich entspricht einer Multiplikation im örtlichen Frequenzbereich. Da der tatsächlich vorhandene Schall und die Fokuskeule der Anordnung von Schallempfängern bekannt sind, nicht jedoch der Ort der punktförmigen Ersatzschallquelle, muss im örtlichen Frequenzbereich eine Division des tatsächlich vorhandenen Schalls durch das der Fokuskeule entsprechende Signal erfolgen. Das aus dieser Division resultierende Signal muss dann wieder in den Ortsbereich zurücktransformiert werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von vorteilhaften Ausführungsvarianten des erfindungsgemässen Verfahrens anhand der Zeichnung.
In der Zeichnung zeigen schematisch:
Fig. 1
Ein Beispiel für tatsächliche vorhandenen Schall (Schalleistung), der mit Hilfe einer Anordnung von Schallempfängern empfangen und ausgewertet worden ist (z.B. mittels der "Delay & Sum" - Methode), aufgetragen über dem Ort,
Fig. 2
ein Beispiel für das von einer Anordnung von Schallempfängern empfangene Signal, welches von einer punktförmigen Schallquelle an einer normierten Stärke an einem vorgegebenen Ort erzeugt worden ist,
Fig. 3
eine Nachbildung des tatsächlich vorhandenen Schalls aus Fig. 1 durch drei Signale, die an drei verschiedenen Orten jeweils von einer punktförmigen Ersatzchallquelle einer unterschiedlichen Stärke erzeugt worden sind
und
Fig. 4
die zugehörige örtliche Verteilung der punktförmigen Ersatzchallquellen.
In Fig. 1 ist ein Beispiel für tatsächlich vorhandenen Schall S dargestellt (die Ordinate ist z.B. ein Mass für die Schalleistung), wie er beispielsweise von den Mikrofonen einer Mikrofonzeile (nicht dargestellt) empfangen worden ist. Hierfür geeignete Mikrofonanordnungen sind aus der eingangs bereits genannten EP-A-0,847,224 bekannt. Dabei muss es sich keinesfalls um eine "eindimensionale" Mikrofonzeile handeln, es ist sehr wohl auch möglich, eine zweidimenionale Mikrofonanordnung zu verwenden. Man erkennt, dass Schall über einen örtlichen Bereich verteilt auftritt, der von der negativen X-Koordinate -2 bis zur positiven X-Koordinate 1.5 reicht. Es ist jedoch nicht möglich, weitere Angaben über die genaue Verteilung der Schallquellen zu machen.
In Fig. 2 ist ein Signal dargestellt, welches von der Mikrofonzeile empfangen worden ist. Dieses Signal ist von einer punktförmigen Schallquelle mit einer normierten Schalleistung bei der X-Koordinate 0 in einem vorgegebenen Abstand von der Mikrofonzeile erzeugt worden, d.h. die Fokuskeule der Mikrofonzeile ist berücksichtigt worden. Ziel ist es nun, die ansonsten nicht weiter auflösbare örtliche Verteilung des Schalls aus Fig. 1 weiter aufzulösen, indem der tatsächlich von der Mikrofonzeile empfangene Schall durch Ersatzschallquellen so genau wie möglich nachgebildet wird. Da exakt punktförmige Schallquellen in der Realität nicht existieren, spricht man oft von im wesentlichen punktförmigen Schallquellen. Bei dem Signal in Fig. 2 erkennt man, dass eine punktförmige Schallquelle bei der X-Koordinate 0 bei der Mikrofonzeile ein Signal hervorruft, welches sich von der X-Koordinate -1 bis zu positiven X-Koordinate 1 erstreckt.
In Fig. 3 erkennt man, dass der tatsächlich vorhandene Schall nachgebildet worden ist durch die Überlagerung der Signale S1,S2,S3 von drei an unterschiedlichen X-Koordinaten angeordneten punktförmigen Ersatzschallquellen mit unterschiedlicher Schalleistung. Die einzelnen durchgezogenen Linien S1,S2,S3 entsprechen jeweils dem Signal einer an einem bestimmten Ort mit einem vorgegebenen Abstand von der Mikrofonzeile angeordneten punktförmigen Schallquelle, wie leicht aus einem Vergleich mit Fig. 2 zu erkennen ist. Die gestrichtelte Linie in Fig. 3 zeigt den Verlauf des tatsächlich vorhandenen Schalls S aus Fig. 1, welcher der Überlagerung der Signale S1,S2,S3 der drei punktförmigen Ersatzschallquellen unterschiedlicher Schalleistung entspricht. Es ist eine Dekonvolution des tatsächlich vorhandenen Schalls S aus Fig. 1 durchgeführt worden.
Wie man aus Fig. 4 erkennen kann, resultiert aus Fig. 3, dass in einem vorgegebenen Abstand von der Mikrofonzeile bei der X-Koordinate -1 eine Ersatzschallquelle Q1 angeordnet ist, ferner bei der X-Koordinate -0.5 eine Ersatzschallquelle Q2 und schliesslich bei der X-Koordinate 0.5 eine Ersatzschallquelle Q3. Die Ersatzschallquellen Q1,Q2,Q3 weisen jeweils eine unterschiedliche Schalleistung auf. Die Überlagerung der Signale der drei Ersatzschallquellen ergibt den tatsächlichen Schall S aus Fig. 1. Anzumerken ist noch, dass die dreieckförmige Verteilung der Ersatzschallquellen Dirac-Stösse bei den obengenannten X-Koordinaten sind, die aber aufgrund der gewählten Auflösung für die X-Koordinate beim Drucken eine dreieckförmige Gestalt aufweisen.
Die Schwierigkeit bei diesem Verfahren ist, zu ermitteln, wie viele Ersatzschallquellen bei einem tatsächlich empfangenen Schall S in einem vorgegebenen Abstand von der Mikrofonzeile gewählt werden müssen, an weichem Ort sie jeweils angeordnet werden müssen und welche Schalleistung sie aufweisen müssen, um den tatsächlich empfangenen Schall S möglichst genau nachzubilden. Hierzu bieten sich mehrere Alternativen an, von denen drei nachfolgend genauer beleuchtet werden.
Bei der ersten Alternative geht man von mehreren fiktiven Schallquellen aus, die über den gesamten interessierenden örtlichen Bereich verteilt in einem vorgegebenen Abstand von der Mikrofonzeile angeordnet sind. Die Fokuskeule der Mikrofonzeile weist über den gesamten interessierenden Bereich die gleiche Gestalt auf, sie kann - wie eingangs erläutert - elektronisch über den interessierdenden örtlichen Bereich Stück für Stück geschwenkt werden. Diese je nach Schwenkintervall der Fokuskeule angenommenen fiktiven Schallquellen werden nun mit Hilfe eines Rechenprogrammes derart gewichtet, dass jede fiktive Schallquelle mit einem Koeffizienten gewichtet wird, der entweder positiv, null oder negativ ist. Die Massgabe dabei ist, dass der tatsächlich empfangene Schall S so gut wie möglich nachgebildet wird durch Ersatzschallquellen, deren jeweiliger Ort und deren jeweilige Schalleistung noch zu finden sind. Ein für diese Vorgehensweise geeignetes Rechenprogramm ist beispielsweise das unter der Bezeichnung "deconv" bekannte Rechenprogramm von der Firma "The Math Works Inc., 24, Prime Park Way, Natick, MA 01760-1500, USA". Dieses Programm wird in einer "Toolbox" von mathematischen Rechenprogrammen angeboten unter dem Namen MATLAB®. Das Rechenprogramm "deconv" ermittelt dann die Orte und die Schalleistung der Ersatzschallquellen unter der oben genannten Massgabe.
Die zweite Alternative ähnelt in gewisser Weise der ersten Alternative, weicht aber insofern von dieser ab, als die Koeffizienten, mit denen die fiktiven Schallquellen zu gewichten sind, stets nur positiv oder null sein können. Diese Alternative ist deshalb besonders vorteilhaft, weil sie der physikalischen Realität von Anfang an Rechnung trägt - es gibt ja nur Schallquellen mit positiver Schalleistung bzw. mit keiner Schalleistung (Schalleistung null, keine Schallquelle). Die Massgabe bei der Ermittlung der Orte und der Schalleistung der Ersatzschallquellen ist hier so, dass der mittlere quadratische Fehler zwischen dem tatsächlichen Schall S und dem durch die Ersatzschallquellen erzeugten Schall letztlich minimal ist. Ein für diese Vorgehensweise geeignetes Rechenprogramm ist beispielsweise das unter der Bezeichnung "nnls" (non negative least squares) bekannte Rechenprogramm der Firma "The Math Works Inc., 24, Prime Park Way, Natick, MA 01760-1500, USA". Dieses Rechenprogramm wird in einer "Optimization Toolbox" von mathematischen Rechenprogrammen für den Gebrauch zusammen mit der bereits gennannten "Toolbox" MATLAB® angeboten. Das Rechenprogramm "nnls" ermittelt die Orte und die Schalleistung der Ersatzschallquellen unter der oben genannten Massgabe.
Die dritte Alternative unterscheidet sich von der Vorgehensweise grundsätzlich von den beiden vorstehend beschriebenen Alternativen. Bei dieser dritten Alternative wird nämlich der tatsächlich empfangene Schall S aus dem Ortsbereich (Fig. 1) über eine Fouriertransformation (beispielsweise über eine diskrete Fouriertransformation FFT) in einen örtlichen Frequenzbereich transformiert. Wenn man nämlich Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 betrachtet, so ergibt sich aus einer (zu bestimmenden) Anordnung von Ersatzschaltquellen Q1,Q2,Q3 mit einer zu bestimmenden Schalleistung und dem Signal welches von der Mikrofonzeile von einer punktförmigen Schallquelle empfangen wird, die an einem bestimmten Ort angeordnet ist, der Schall S durch eine Faltung der jeweiligen (bereits gewichteten) Dirac-Stösse (Fig. 4) mit dem jeweiligen Signal, welches die Antwort der Mikrofonzeile auf eine punktförmige Schallquelle darstellt (Fig. 2). Die Ergebnisse dieser Faltung sind in Fig. 3 dargestellt und werden additiv überlagert.
Eine Faltung im Ortsbereich bedeutet aber nichts Anderes als eine Multiplikation in einem korrespondierenden örtlichen Frequenzbereich. Die in den örtlichen Frequenzbereich transformierten Dirac-Stösse sind mit dem in den örtlichen Frequenzbereich transformierten Signal, welches die Antwort der Mikrofonzeile auf eine punktförmige Schallquelle darstellt, zu multiplizieren, um zu dem in den örtlichen Frequenzbereich transformierten Signal des tatsächlich vorhandenen Schalls zu gelangen. Die örtliche Verteilung und die Gewichtung der Dirac-Stösse im Ortsbereich herauszufinden ist aber gerade das zu lösende Problem. Demzufolge muss also das in den örtlichen Frequenzbereich transformierte Signal des tatsächlich vorhandenen Schalls durch das Signal dividiert werden, welches der Antwort der Mikrofonzeile auf eine punktförmige Schallquelle im örtlichen Frequenzbereich entspricht. Aus dieser Division ergibt sich dann im örtlichen Frequenzbereich ein Signal, welches im örtlichen Frequenzbereich der Verteilung und Gewichtung der Dirac-Stösse entspricht. Durch eine Rücktransformation dieses Signals aus dem örtlichen Frequenzbereich in den Ortsbereich ergibt sich dann die Anordnung und die Schalleistung der Ersatzschallquellen.
Ein für diese Vorgehensweise geeignetes Rechenprogramm, mit welchem eine derartige Transformation aus dem Ortsbereich in den örtlichen Frequenzbereich durchgeführt werden kann und ebenso eine entsprechende Rücktransformation aus dem örtlichen Frequenzbereich in den Ortsbereich, ist das unter dem Namen "fft (fast Fourier transformation) bekannte Rechenprogramm der Firma "The Math Works Inc., 24, Prime Park Way, Natick, MA 01760-1500, USA". Dieses Programm wird in einer "Toolbox" von mathematischen Rechenprogrammen angeboten unter dem Namen MATLAB®. Das Rechenprogramm "fft" ermittelt dann die Orte und die Schalleistung der Ersatzschallquellen, mit der Massgabe, den tatsächlich empfangenen Schall S so gut wie möglich durch Ersatzschallquellen nachzubilden.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Bestimmung des Ortes und der Schalleistung von Ersatzschallquellen, bei welchem Verfahren mit Hilfe einer Anordnung von mehreren Schallempfängern zunächst der tatsächlich vorhandene Schall (S) empfangen wird und die entsprechenden Signale der Schallempfänger ausgewertet werden, und bei welchem Verfahren dann eine oder mehrere im wesentlichen punktförmigen Ersatzschallquellen (Q1,Q2,Q3) bestimmt werden, wobei eine Dekonvolution zur Bestimmung des Ortes und der Schalleistung der einzelnen im wesentlichen punktförmigen Ersatzschallquellen (Q1,Q2,Q3) derart durchgeführt wird, dass die Überlagerung des von den Ersatzschallquellen erzeugten Schalls möglichst genau den gesamten von den Schallempfängern tatsächlich empfangenen Schall (S) ergibt, und die Dekonvolution derjenigen Signale der Schallempfänger durchgeführt wird, die dem tatsächlich empfangenen Schall (S) entsprechen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Dekonvolution eine zu der jeweiligen Anordnung von Schallempfängern zugehörige Fokuskeule berücksichtigt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Dekonvolution der gewichtete Beitrag von mehreren fiktiven, im wesentlichen punktförmigen Schallquellen an mehreren verschiedenen Orten berücksichtigt wird, und dass mit Hilfe des gewichteten Beitrags dieser fiktiven Schallquellen dann der Ort und die Schalleistung der Ersatzschallquellen (Q1,Q2,Q3) ermittelt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtung der fiktiven Schallquellen nur positiv oder null sein darf.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittelung des Ortes und der Schalleistung der im wesentlichen punktförmigen Ersatzschallquellen (Q1,Q2,Q3) mit der Massgabe erfolgt, dass der mittlere quadratische Fehler zwischen dem tatsächlich von den Schallempfängern empfangenen Schall (S) und dem durch die im wesentlichen punktförmigen Ersatzschallquellen (Q1,Q2,Q3) erzeugten Schall minimal ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 2, dass die Ermittelung des Ortes und der Schalleistung der im wesentlichen punktförmigen Ersatzschallquellen derart erfolgt, dass die tatsächlich empfangenen Schallsignale aus dem Ortsbereich in einen örtlichen Frequenzbereich transformiert werden, dort durch ein Signal dividiert werden, welches dem aus dem Ortsbereich in den örtlichen Frequenzbereich transformierten Signal der Fokuskeule der Anordnung von Schallempfängern entspricht, und dass das aus dieser Division resultierende Signal aus dem örtlichen Frequenzbereich in den Orstbereich zurücktransformiert wird.
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