EP1344198A1

EP1344198A1 - Verfahren und anordnung zur verarbeitung von geräuschsignalen einer geräuschquelle

Info

Publication number: EP1344198A1
Application number: EP01991835A
Authority: EP
Inventors: Michael Schliep; Szabolcs TÖRGYEKES; Rolf Witte; Walter Zipp
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2001-12-12
Publication date: 2003-09-17
Anticipated expiration: 2021-12-12
Also published as: WO2002052522A1; JP4167489B2; DE10064756A1; MXPA03005620A; US20040081322A1; DE50102884D1; BR0116418A; JP2004517309A; ES2223950T3; EP1344198B1

Abstract

Für eine Ortung, Identifizierung und Klassifizierung von Geräuschquellen innerhalb und ausserhalb von Räumen ist erfindungsgemäss ein Verfahren zur Verarbeitung von Geräuschsignalen einer Geräuschquelle vorgesehen, bei dem mehrere Geräuschsignale (SQ1 bis SQ4) ortsbezogen erfasst, mittels einer Schallanalyse anhand von Signalmerkmalen derart untersucht werden, dass der Geräuschquelle (G1 bis G4) zugrundeliegende Parameter bestimmt werden.

Description

Verfahren und Anordnung zur Verarbeitung von Geräuschsignalen einer Geräuschquelle

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verarbeitung von Geräuschsignalen einer Geräuschquelle, z.B. eines fahrenden Fahrzeugs, einer Werkhalle, in einem Raum, z.B. in der Umgebung. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Verarbeitung von Geräuschsignalen einer Geräuschquelle.

Zur Einhaltung von gesetzlichen Geräuschgrenzwerten, z.B. beim Betrieb einer Maschine in einer Werkhalle, beim Starten und Landen von Flugzeugen, in lärmkritischen Zonen, z.B. in Wohngebieten oder beim Vorbeifahren von Fahrzeugen, sind Objektseitige Maßnahmen zur Geräuschabsenkung bekannt, welche den auf die Umgebung einwirkenden Maschinen-, Flugzeug- bzw. Verkehrslärm senken und demzufolge das Arbeitsklima, Wohnklima und den Fahrkomfort verbessern sollen. Beispielsweise sind zur Schallreduktion von Objekten, z.B. von Straßen- oder Schienenfahrzeugen, Flugzeugen oder Maschinen, geräuscharme Abgas- und Ansauganlagen, weitgehend resonanzfreie Triebwerke bzw. schalldämmende Karosserien bekannt. Nachteilig dabei ist, daß die objektseifigen Maßnahmen zur Geräuschabsenkung und daraus resultierend die Absenkung des Geräuschpegels begrenzt sind. Den Geräuschpegel beeinflussende Maßnahmen oder Umweltbedingungen, wie z.B. geräuscharme Fahrbahn bzw. meteorologische Umgebungsbedingungen, werden derzeit im Hinblick auf die Einhaltung der Geräuschgrenzwerte nur ansatzweise berücksichtigt .

Darüber hinaus sind üblicherweise stationäre, passive Meßeinrichtungen zur Erfassung und Überwachung von Immissionswer- ten, wie z.B. von Benzol-, Ruß-Grenzwerten. Dabei wird ggf. auch der an diesem Ort der Meßeinrichtung auftretende Schallimmissionswert gemessen. Eine derartige passive, ortsbezogene Schallimmissionsmessung ist dabei nicht für eine Identifizierung und Klassifizierung von den Geräuschpegel erzeugenden Geräuschquellen geeignet. Darüber hinaus sind über die ob- jektseitigen Maßnahmen hinausgehenden Maßnahmen zur Geräuschabsenkung nicht ermöglicht.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Verarbeitung von Geräuschsignalen einer Geräuschquelle anzugeben, bei dem besonders einfach und sicher eine von der Geräuschquelle verursachte Geräuschemission oder Lärmabstrah- lung erfaßt und bestimmt wird. Darüber hinaus ist eine zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignete Anordnung anzugeben.

Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Verfahren zur Verarbeitung von Geräuschsignalen einer Geräuschquelle, bei dem mehrere Geräuschsignale ortsbezogen erfaßt, mittels einer Schallanalyse anhand von Signalmerkmalen untersucht und der Geräuschquelle zugrundeliegende Parameter bestimmt werden. Durch eine derartige gemeinsame Erfassung mehrerer Geräuschsignale und deren örtlichen und/oder zeitlichen Analyse ist eine Ortung, Identifikation, Klassifizierung und Bewertung der die Geräuschsignale erzeugenden Geräuschquelle ermöglicht. Bevorzugt werden die Geräuschsignale gleichzeitig erfaßt. Dabei kann das Verfahren sowohl in geschlossenen Räumen, als auch im Freien eingesetzt werden. Somit ist eine Identifizierung von kritischen Geräuschen im Freien, z.B. von einem lauten Knall, oder von zeitlich schwankenden Geräuschen in einem Raum, welche z.B. auf einen Funktions- oder Betriebsfehler oder eine Auslastung einer rotierenden Maschine in einer Maschinenhalle hinweisen, ermöglicht. Unter Verwendung geeigneter Meßsensoren und schneller Signalverarbeitung zur Überwachung von laufenden Maschinenanlagen, wie Motoren oder Turbinen, können anhand der Schall- analyse Hinweise auf eventuelle Betriebsstörungen gewonnen werden. Durch die Schallanalyse der Signalmerkmale der erfaßten Geräuschsignale und daraus resultierend anhand der Bestimmung von Parametern der die Schall- oder Geräuschsignale verursachenden Geräuschquelle ist eine Dokumentation von zeitlichen und/oder örtlichen Verhalten der Geräuschquelle ermöglicht. Alternativ oder zusätzlich können anhand der ermittelten Geräuschsignale und den ermittelten Parametern der zugrundeliegende Geräuschquelle Maßnahmen zur Geräuschminderung oder Geräuschsenkung ausgeführt werden, z.B. können geräuschreduzierende Regelungs- und/oder Steuerungsmaßnahmen unmittelbar bei der Geräuschquelle ausgeführt werden.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß zur Einhaltung von Lärmgrenzwerten im Freien, z.B. in Wohngebieten oder in der Nähe von Krankenhäusern, oder in geschlossenen Räumen, z.B. in Werks- oder Maschinenhallen, die in dieser Umgebung auftretende Schallimmission erfaßt und überwacht werden sollte. Dabei sollte nicht nur der Schallimmissionswert als lokale Größe erfaßt werden. Vielmehr sollte die diesen Schallimmissionswerte begründende Schall- oder Geräuschquelle bestimmt, geortet, klassifiziert und bewertet werden. Dazu werden vorteilhafterweise als Signalmerkmale des oder jeden erfaßten Geräuschsignals deren Amplitude, Frequenz und/oder Phase bestimmt und analysiert. Beispielsweise ist anhand eines Pegel- oder Amplitudenvergleichs der verschiedenen ortsbezogenen Geräuschsignale eine ortsbezogene Auswertung der diese Geräuschsignale verursachenden Geräuschquelle ermöglicht. Bei von beispielsweise drei örtlich an verschiedenen Stellen erfaßten Geräuschsignalen mit zeitlich signifikanten Merkmalen wird durch LaufZeitmessung und Triangulation die Geräuschquelle geortet. Darüber hinaus sind anhand der Amplitude oder des Schallintensitätspegels der jeweiligen Geräuschsignale Rückschlüsse auf die Schallleistung der Geräuschquelle möglich. P3 α> ιQ rr Q Φ r+ <! ω l-i Φ α ιQ t r+ h α tr H ¹ s CΛ H < ω ri- P sQ CΛ Cfl ^ N

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Zweckmäßigerweise wird mindestens eines der Signalmerkmale des Geräuschsignals in Form eines Geräuschmusters hinterlegt. Beispielsweise wird das Frequenzspektrum oder das Pegelspektrum von wiederholt auftretenden Geräuschsignalen für eine spätere Identifizierung bzw. Identifikation von gleichen zukünftigen Geräuschsignalen in Form von Mustern hinterlegt. Für eine besonders schnelle Identifizierung und/oder Klassifizierung der Geräuschsignale und somit der Geräuschquelle wird mindestens eines der Signalmerkmale des Geräuschsignals mit gespeicherten Geräuschmustern verglichen. Hierdurch ist eine besonders einfache und schnelle Bestimmung und Zuordnung von Parametern der zugrundeliegenden Geräuschquelle ermöglicht .

Alternativ oder zusätzlich werden vorzugsweise externe Daten, insbesondere meteorologische Daten, optische Daten, Zeitdaten, Uhrzeitdaten, bei der Schallanalyse der erfaßten Geräuschsignale berücksichtigt. Hierdurch können mögliche Störsignale, wie z.B. von Regengeräuschen, aus den im Freien erfaßten Geräuschsignale eliminiert werden. Darüber hinaus können die gespeicherten Signalmerkmale, Geräuschsignale bzw. Geräuschmuster im Zusammenhang mit den erfaßten Zeitdaten, insbesondere Uhrzeitdaten, für Auswertungen, z.B. Statistiken, herangezogen werden. Somit ist die Qualität der Identifizierung der zugrundeliegenden Geräuschquelle verbessert. Ferner sind Langzeitbetrachtungen von lokalen Schallimmissionen im Freien oder in einem Raum ermöglicht.

Darüber hinaus werden vorzugsweise optische Daten, z.B. ein Bild eines Objekts mit seiner Umgebung oder ein Bild eines Raums, erfaßt. Anhand der optischen Daten können mögliche Ab- sorptions- oder Reflexionsstellen identifiziert und bei der Schallanalyse berücksichtigt werden. Ferner können durch die aus dem Bild gewonnenen Daten der Geräuschquelle und die daraus ableitbaren Parameter, wie Typ, Form, Abmessung und/oder Zustand, z.B. Bewegung, zur Plausibilitätskontrolle der akustisch erfaßten Geräuschsignale und der daraus ermittelten l-i N o Φ O CL. H Ω N CΛ 3 σ d li < li a μQ rt φ tr O H d o < hi N M t s: tΛ

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hand der erfaßten Daten Aussagen über das stationäre, zyklische oder instationäre Verhalten von Geräuschquellen in besonders einfacher Art und Weise ermöglicht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig 1 schematisch eine Anordnung zur Verarbeitung von Geräuschsignalen mit mehreren Geräuschsensoren und einer zentralen Datenverarbeitungseinheit,

Fig 2 ein Diagramm für ein erstes Geräuschmuster,

Fig 3 ein Diagramm für ein zweites Geräuschmuster,

Fig 4 ein Diagramm für ein drittes Geräuschmuster,

Fig 5 ein Diagramm für ein viertes Geräuschmuster,

Fig 6 schematisch eine Alternative für die Anordnung gemäß Figur 1,

Fig 7 schematisch eine weitere Alternative für die Anordnung gemäß Figur 1, und

Fig 8 schematisch eine weitere Alternative für die Anordnung gemäß Figur 1.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In Figur 1 ist eine Anordnung 1 zur Verarbeitung von Geräuschsignalen SQl bis SQ3 einer Geräuschquelle Gl, G2 bzw. G3. Zur ortsbezogenen Erfassung der Geräuschsignale SQl bis SQ3 sind eine Mehrzahl von Geräuschsensoren Ml bis M7 an verschiedenen Orten im Freien angeordnet. Beispielsweise ist zur ortsbezogenen Erfassung von in einem Wohngebiet 2 imitierten Geräuschen der Geräuschsensor M6 vorgesehen. Zur Erfassung von Geräuschsignalen SQ2 oder SQl, welche durch die Geräuschquelle G2, z.B. eine Industrieanlage 4, bzw. durch die Geräuschquelle Gl, z.B. ein Lüfter einer Klimaanlage in einem Einkaufszentrum 6, verursacht sind, ist der Geräuschsensor M7 bzw. M5 vorgesehen. Für ein auf einer Fahrbahn 8 fahrendes Motorrad 10 sind zur unmittelbaren Erfassung der Geräuschsignale SQ3 der Geräuschquelle G3, z.B. des Motors, entlang der Fahrbahn 8 mehrere Geräuschsensoren Ml bis M4 angeordnet.

Die Geräuschsensoren Ml bis M7 sind über eine nicht näher dargestellte Datenübertragungseinheit mit einer zentralen Datenverarbeitungseinheit 12 zur Schallanalyse der mittels der Geräuschsensoren Ml bis M7 erfaßten Geräuschsignalen SQl bis SQ3 sowie zur Bestimmung von Parameter P einer im Moment der Meßerfassung unbekannten und nicht identifizierten Geräuschquelle Gl bis G3 verbunden. Als Datenübertragungseinheit sind beispielweise drahtlose oder drahtgebundene Systeme, z.B. Funksysteme oder Datenbussysteme, vorgesehen. Als Datenverarbeitungseinheit 12 dient beispielsweise ein Personalcomputer einer Immissionswerte überwachenden Umweltmeßstation. Als Geräuschsensoren Ml bis M7 werden beispielsweise Richtmikrofone, akustische Meßwandler, Luft- oder Körperschallsensoren, verwendet .

Mittels des in dem Wohngebiet 2 angeordneten Geräuschsensors Mβ werden folgende Geräuschsignale SQl bis SQ4 der vier Geräuschquellen Gl bis G4 erfaßt:

1. das von der Geräuschquelle Gl, einem Lüfter einer Klimaanlage des Einkaufszentrums 6, ausgehende Geräuschsignal SQl in unmittelbarer Nähe zum Wohngebiet,

2. das von der Geräuschquelle G2, einem Presswerk der Industrieanlage 4 , ausgehende Geräuschsignal SQ2 einige hundert Meter vom Wohngebiet entfernt,

3. das von der Geräuschquelle G3, dem Motorrad 10, ausgehende Geräuschsignal SQ3, und

4. ein von der Fahrbahn 8 einer Umgehungsstraße um das Wohngebiet 2, die einen 180°-Kreisbogen um den Geräuschsensor M6 beschreibt, ausgehendes Geräuschsignal SQ 4 der Ge- räuschquelle G4. Die zulässige Höchstgeschwindigkeit auf der Umgehungsstraße beträgt beispielsweise 100 km/h.

Am Geräuschsensor Mβ oder Kontrollmikrofon werden zum Zeitpunkt t = 0 empfangende Geräuschsignale SQl bis SQ4 mittels einer Schallanalyse, insbesondere einer Amplituden-, Frequenz- oder Phasenanalyse, zur Bestimmung von Parametern P der die Geräuschsignale SQl, SQ2, SQ3 oder SQ4 erzeugenden Geräuschquelle Gl, G2, G3 bzw. G4, insbesondere zur Identifizierung von die Geräuschquellen Gl bis G4 beschreibenden Geräuschmustern SMl bis SM4, untersucht. Ein Geräuschmuster SM1 bis SM4 kennzeichnet dabei charakteristische Geräuschpegel (oder Geräuschpegelverhältnisse) über die Frequenz und die Zeit der zugehörigen Geräuschquellen Gl bis G4.

Je nach Art und Aufbau der Datenverarbeitungseinheit 12 kann die Schallanalyse der erfaßten Geräuschsignale SQl bis SQ4 bei Überschreiten eines zulässigen oder maximalen Geräuschgrenzwertes, insbesondere eines Grenzwertes für den Geräuschpegel, und somit in Abhängigkeit von vorgebbaren und/oder momentanen akustischen oder optischen Bedingungen ausgeführt werden. Beispielsweise kann bei einem durch ein optischen System 14 erfaßtes Bild, welches eine kritische Situation, z.B. einen Verkehrsunfall oder einen Störfall im Preßwerk, z.B. einen Brand, darstellt, durch ein entsprechendes Signal die Schallanalyse mittels der Datenverarbeitungsanlage 12 ausgeführt werden. Durch eine derartige ereignisgesteuerte Schallanalyse kann die Anordnung 1 sowohl für eine akustische und/oder optische Ortung/Lokalisierung, Identifizierung, Klassifizierung und/oder Bewertung von Geräuschsignalen SQl bis SQ4 und/oder Geräuschquellen Gl bis G4 ausgeführt werden. Beispielsweise kann bei einem aufgrund der mittels des optischen Systems 14 erfaßten optischen Daten ein Brand erkannt werden. In Kombination mit der akustischen Auswertung von im selben Moment erfaßten Geräuschsignalen SQ mittels mindestens einer der Geräuschsensoren Ml bis M7 kann eine möglicherweise vorausgehende Explosion oder Detonation identifiziert werden.

In Figur 2 ist beispielhaft ein die Geräuschquelle Gl (= den Lüfter der Klimaanlage) beschreibendes Geräuschmuster SMl dargestellt. Der Lüfter läuft beispielsweise mit konstanter Drehzahl und erzeugt dabei stationäre Einzeltöne, die als Luftschall und somit Geräuschsignale SQl abgestrahlt werden. Diese Geräuschsignale SQl sind durch seine Drehzahl und die Anzahl seiner Rotorblätter bestimmt. Das durch die Einzeltöne, die als Geräuschsignale SQl empfangen werden, entstehende Geräuschmuster SMl des Lüfters ist in Figur 2 in Form eines Campbell-Diagramms dargestellt. Das Campbeil-Diagramm zeigt dabei Funktionen von zwei Veränderlichen - hier Pegel über Frequenz und Zeit. Das Campbell - Diagramm für den Lüfter der Klimaanlage des Einkaufszentrums ist durch solche charakteristischen Einzeltöne geprägt, die als feste Frequenzen mit über die Zeit konstantem Pegel im Diagramm erscheinen. Sie sind als gerade Linien parallel zur Zeitachse erkennbar und schneiden die Frequenzachse zum Zeitpunkt t = 0 s bei der jeweiligen Frequenz.

In Figur 3 ist beispielhaft ein die Geräuschquelle G2 beschreibendes Geräuschmuster SM2 dargestellt. Die Geräuschquelle G2, die Industrieanlage 4, z.B. ein Presswerk zur Blechverarbeitung, presst jede Sekunde ein Formteil. Das dabei erzeugte Geräuschsignal SQ2 weist einen typischen Impuls- Charakter auf. Die Bandbreite des zugehörigen Frequenzbereichs verläuft beispielsweise von 30 Hz bis 6800 Hz. Das Geräuschmuster SM2 ist beispielhaft in Form eines Campbell-Diagramms dargestellt. Das Campbeil-Diagramm für das Presswerk ist durch die charakteristischen Einzel-Impulse oder Geräuschsignale SQ2 geprägt, die parallel zur Frequenzachse von 30 Hz bis 6800 Hz im Abstand von einer Sekunde verlaufen. Die den jeweiligen Einzel-Impuls oder das Geräuschsignal SQ2 repräsentierende Linie beschreibt die frequenzbezogene Lautstärke des Einzel-Impulses gemäß der Textur-Skalierung.

In Figur 4 ist beispielhaft ein die Geräuschquelle G3 beschreibendes Geräuschmuster SM3 dargestellt. Die Geräuschquelle G3, z.B. ein Motorrad 10, biegt mit Schrittgeschwindigkeit aus dem Wohngebiet 2 in die Umgehungsstrasse am Punkt Pl (siehe Figur 1) ein. Das Motorrad 10 beschleunigt mit einer gleichmäßigen Änderung der Motordrehzahl von 1000 min^-1 zum Zeitpunkt ti = 0 s bis 11000 min^-1 um Zeitpunkt t₂ = 10 s. Das von der Zündfrequenz f dominierte Motorgeräusch und somit das empfangende Geräuschsignal SQ3 ergibt sich z. B. für einen 4-Zylinder-4Takt-Motor als Sweep (= sich ändernder Ton) mit der zweiten Motorordnung (zweifachen Motordrehzahl) als Frequenz. Dieser Sweep verläuft somit von fi = 33,3 Hz (2. Motorordnung bei 1000 min^-1) zum Zeitpunkt t_x = 0 s bis f₂ = 366,6 Hz (2. Motorordnung bei 11000 min^-1) zum Zeitpunkt t₂ = 10 s. Die Lautstärke dieses Sweeps steige dabei kontinuierlich an. Aufgrund der kreisförmigen Anordnung der Umgehungsstraße um den Geräuschsensor M6 oder dem Kontrollmikrofon im Wohngebiet 2 (siehe Figur 1) ist der Abstand zwischen der bewegten Lärm- oder Geräuschquelle G3 (also dem Motorrad 10) und dem Geräuschsensor (M6) annähernd konstant. Somit tritt keine Frequenzverschiebung nach dem akustischen Dopplereffekt auf. Somit verläuft das in Figur 4 in Form eines Campbell- Diagramms dargestellte Geräuschmuster SM3 für die Geräuschquelle G3 linear. Das Campbell - Diagramm für das Motorrad 10 und somit für die Geräuschquelle G3 ist durch den charakteristischen Verlauf des Sweeps infolge der Zündfrequenzänderung während des Beschleunigungsvorgangs beschrieben. Dieser charakteristische Verlauf ist als diagonale Linie erkennbar, die die Punkte Pl (ti = 0 s; f_x = 33,3 Hz) und P2 (ti = 10 s; f₂ = 366,6 Hz) verbindet. Die Lautstärkezunahme während dieser Drehzahländerung wird durch die Textur-Skalierung beschrieben.

In Figur 5 ist beispielhaft ein weiteres Geräuschmuster SM4 für mittels des Geräuschsensors M6 empfangende Geräuschsignale SQ6 dargestellt, welche eine Kombination aus Brumm- und Schlaggeräuschen beschreiben. Dazu biegt das Motorrad 10 (= Geräuschquelle G3) mit Schrittgeschwindigkeit aus dem Wohngebiet 2 in die Umgehungsstrasse (Punkt Pl in Figur 1) ein. Das Motorrad 10 beschleunigt mit einer gleichmäßigen Änderung der Motordrehzahl von 1000 min^-1 zum Zeitpunkt ti = 0 s bis 11000 min^-1 zum Zeitpunkt t₂ = 10 s. Im Profil des Reifens des Motorrads 10 hat sich ein Stein festgeklemmt, der bei jeder Radumdrehung einmal auf den Asphalt schlägt und dabei einen Impuls der Bandbreite 90 Hz bis 5 kHz erzeugt. Dieses schlagende Geräusch wird zusammen mit der sich ändernden Zündfrequenz des hochdrehenden Motors vom Geräuschsensor M6 im Wohngebiet 2 erfasst.

Das dadurch entstehende Geräuschmuster SM4 ist in Figur 5 in Form eines Campbell-Diagramms dargestellt. Das Geräuschmuster SM4 umfaßt dabei sich überlagernde die Geräuschquelle G3charakterisierende Geräuschsignale SQ3 bzw. SQ4, d.h. das Motor- und das Fahrgeräusch. Die schräg verlaufende Linie zwischen den Frequenzen fl und f2 beschreibt die sich verändernde Zündfrequenz des hochdrehenden Motors und somit das Geräuschsignal SQ3. Die parallel zur Frequenzachse verlaufenden Linien beschreiben die schlagenden Geräusche des Steins auf den Asphalt und somit das Geräuschsignal SQ4. Der zeitliche Abstand Δt zwischen zwei Schlägen entspricht einer Radumdrehung. Dieser verringert sich von der Anfangsdrehzahl (ni = 1000 min^-1) bis zur Enddrehzahl (n₂ = 11000 min^-1) des Motors kontinuierlich von Δti auf Δt₂. Im Betrieb der Datenverarbeitungseinheit 12 werden die erfaßten Geräuschsignale SQl bis SQ4 mittels einer Schallanalyse anhand von Signalmerkmalen derart untersucht, daß diese der zugrundenliegenden Geräuschquelle Gl bis G4 zugeordnet werden und der Geräuschquelle Gl bis G4 zugrundeliegende Parameter P, wie z.B. Lüfter in Betrieb oder Motorrad 10 fährt oder steht, bestimmt werden. Je nach Art und Aufbau der Datenverarbeitungseinheit 12 wird die Schallanalyse in Abhängigkeit von einem am Geräuschsensor M6 erfaßten Geräuschpegel, der einen Geräuschgrenzwert überschritten hat, ausgeführt. Die Datenverarbeitungseinheit 12 umfaßt dabei zur Grenzwertüberwachung ein entsprechendes Mittel, z.B. einen entsprechenden in Software realisierten Funktionsbaustein.

Die Schallanalyse kann dabei anhand verschiedener Analysen, z.B. Zeit-, Frequenz- und/oder Pegelanalysen ausgeführt werden. Die Schallanalyse umfaßt dazu Algorithmen, die das betreffende Geräuschsignal SQl bis SQ4 nach charakteristischen Signalmerkmalen, wie z. B. festen Frequenzen (Lüfter), kurzen breitbandigen Impulsen (Presswerk) und Sweeps (beschleunigendes Motorrad) untersuchen. Ein solcher Algorithmus ist z. B. die nachfolgend beschriebene Methode zur Identifikation von charakteristischen Signalmerkmalen der Geräuschsignale SQl bis SQ4 eines zugrundeliegenden Geräuschmusters SMl bis SM . Die charakteristischen Signalmerkmale des Geräuschmusters SMl bis SM4 werden als Identifikationskriterien für das jeweilige Geräuschmusters SMl bis SM4 verwendet, anhand derer ein Vergleich mit in einer Datenbank der Datenverarbeitungseinheit 12 abgelegten Geräuschmustern SM_a bis SM_Z und mit anhand der Geräuschsensoren Ml bis M7 erfaßten Geräuschmustern SMl bis SM4 erfolgt. Dieser Vergleich ermöglicht eine Zuordnung vom im Mikrofon M6 erfassten Geräusch- signalen SQl bis SQ4 zur verursachenden Geräuschquelle Gl bis G4.

Beispielsweise werden die erfassten Geräuschsignale SQl bis SQ4 der Messstellen oder Geräuschsensoren Ml bis M7 als Zeitdaten in einem Ringspeicher hinterlegt. Bei Überschreitung eines Schwellwertes oder Geräuschgrenzwertes, z. B. am Mikrofon M6 im Wohngebiet 2, wird der Inhalt des Ringspeichers mit einer vorgebbaren Vorlaufzeit vor Auftreten einer Überschreitung des Geräuschgrenzwertes gespeichert. Charakteristische Geräusch- oder Signalmerkmale werden anhand der Schallanalyse gemäß den grafischen Aspekten im Campbell- Diagramm analysiert. Ein Pixel im Campbell-Diagramm (je nach Auflösung der Fast-Fourier-Transformation (FFT) ) entspricht einem Lautstärkewert einer analysierten Frequenz- und Zeitbandbreite innerhalb der Erfassungsbereiche. Grafische Zusammenhänge (vgl. Geräuschmuster SMl bis SM4 in Figuren 2 bis 5) entsprechen akustischen Signalmerkmalen, die anhand des Datenbankvergleichs und des Vergleichs mit anderen Geräuschsignalen SQl bis SQ4 anderer Geräuschsensoren Ml bis M7 (z. B. Nahfeldmikrofonen, Richtmikrofonen) konkreten Verursachern o- der Geräuschquellen Gl bis G4 zugeordnet werden.

Eine bevorzugte Bewertung von erfaßten Geräuschsignalen SQl bis SQ4 ist z. B. die Fast-Fourier-Transformation (kurz FFT genannt) der Mikrofonsignale und die Berechnung des sogenannten A-bewerteten Schalldruckpegels. Der A-bewertete Schalldruckpegel ist wie folgt definiert:

mitP = gemessener Wechselschalldruck

Po = 2c^~5P_a

Maßgebliche Bewertungskriterien der FFT sind beispielsweise Abtastrate (fest gewählt z. B. bei 25 kHz) oder Blocklänge. Wenn zur Identifikation eines Geräuschmusters SMl bis SM4 dicht beieinander liegende Frequenzen aufzulösen sind, ist eine andere Blocklänge zu wählen als bei zeitlich dicht aufeinanderfolgenden Impulsen (gemäß Prinzip der Geräuschmuster SMl bis SM4) .

Eine Schall- oder Musteranalyse kann mehrere voneinander unabhängige Prozessen umfassen, die als Bewertungskriterien beispielsweise unterschiedliche Blocklängen der FFT anwenden. Diese exemplarische Wahl des Wertes eines Bewertungskriteriums kann vom laufenden Prozess selbst oder von externen Vorgaben abhängen. Bevorzugt weist die Datenverarbeitungseinheit 12 dazu ein Mittel zur Analyse der Parameter P anhand der Schallanalyse auf, wobei die Parameteranalyse in mehreren I- terationsschritten durchgeführt wird, um signifikante Aspekte oder Geräuschmuster SMl bis SM4 innerhalb eines erfaßten Geräuschssignals SQl bis SQ4 zu erkennen, wie z.B. Frequenz und Lautstärke eines Brummtons, Bandbreite, Lautstärke und zeitlicher Abstand eines wiederholt schlagenden Geräusches. Dabei können die Bewertungskriterien der Schallanalyse anhand von Eingangsgrößen verändert werden.

Als Eingangssignal kann analog der akustischen Mustererkennung auch eine optische Mustererkennung (über die Zeit) erfolgen. Dazu ist zusätzlich ein nicht dargestelltes optisches System zur Erfassung von optischen Daten der Umgebung oder eines Raumes vorgesehen. Anhand des Vergleichs der Analysen können Zusammenhänge von Ursachen und Auswirkungen beschrieben, bewertet und gespeichert werden. Ein anderer Anwendungsfall kann z. B. in einer konkreten Erkennungsvorgabe spezieller Vorgänge bestehen. Dies kann z. B. die gezielte Suche nach hochdrehenden Motorrädern oder anfahrenden Nutzfahrzeugen sein, deren Auftreten aus den erfassten Geräuschsignalen SQl bis SQ4 herausgefiltert wird. Ein weiterer Anwendungsfall ist z.B. bei lärmkritischen Wartungsarbeiten gegeben, wenn wegen der Nachtruhe unter normalen Witterungs- und Verkehrsbedingungen diese nicht durchgeführt werden können, so kann im Fall einer lautstarken Geräuschkulisse wie prasselnder Regen oder hohes Verkehrsaufkommen (infolge einer Umleitung wegen Unfall) die lärmkritische Tätigkeit dennoch zugelassen werden. Je nach Art und Ausführung der Datenverarbeitungseinheit 12 kann die Berücksichtigung der Daten von externen Systemen, wie z.B. von optischen, meteorologischen oder Navigationssystemen, bei der Schallanalyse anhand von Eingangsgrößen, z.B. Grenzwertüberschreitungen, und/oder Qualitätsmerkmalen bestimmt und gesteuert werden.

Figur 6 zeigt eine Ausführungsform für die Anordnung 1 für eine räumliche und zeitliche Bewertung von Geräuschquellen Gl bis G4. Die Anordnung 1 umfaßt fünf Geräuschsensoren Ml bis M5, die an einem Meßpunkt, z.B. dicht übereinander an einem Laternenmast an einer Fahrbahn oder an einer Träger in einer Werkshalle, angeordnet sind. Vier von den fünf Geräuschsensoren Ml bis M4 weisen dabei eine horizontale Richtcharakteristik in alle vier Himmelsrichtungen auf. Einer der fünf Geräuschsensoren M5 weist dabei eine vertikale Richtcharakteristik, insbesondere eine Kugelcharakteristik, auf. Ein den Geräuschgrenzwert überschreitendes Geräuschsignal SQl bis SQ4 wird mittels des Geräuschsensors M5 mit Kugelcharakteristik erfaßt. Anhand der Schall- oder Musteranalyse der Datenverarbeitungseinheit 12 wird mindestens ein Signalmerkmal des Geräuschsignals SQl bis SQ4, z.B. Pegel, Frequenz, Phase, untersucht und identifiziert. Das dabei ermittelte Geräuschmuster SMl bis SM4 wird mit den mittels der vier Richtmikrofone oder Geräuschsensoren Ml bis M4 empfangenden Geräuschsignalen SQl bis SQ4 auf Gleichheit verglichen, wodurch anhand desjenigen Geräuschsensors Ml bis M4 mit dem gleichen Geräuschmus- ter SMl bis SM4 und dem stärksten Pegel die Richtung bestimmt werden kann.

Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Anordnung 1 mit mehreren Geräuschsensoren Ml bis M5. Die Geräuschsensoren Ml bis M5 sind als Mikrofone mit einer vertikalen Kugelcharakteristik auf einem Untersuchungsgelände einer Industrieanlage gleichmäßig verteilt angeordnet. Alternativ können diese auch in einem geschlossenen Raum, z.B. in einer Werkhalle der Industrieanlage 4, angeordnet sein. Geräuschsignale SQl bis SQ4 derselben Geräuschquelle Gl bis G4, z.B. das Geräuschsignal SQl eines vorbeifahrenden Fahrzeugs 14 oder das Geräuschsignal SQ2 der Industrieanlage 4, wird von den örtlich an verschiedenen Stellen angeordneten Geräuschsensoren Ml bis M5 in Abhängigkeit von der zurückgelegten Schalllaufstrecke und der daraus resultierenden Schalllaufzeit zu verschiedenen Zeitpunkten empfangen. Anhand der gegebenen Position der Geräuschsensoren Ml bis M5 und der ermittelten Schalllaufstrecke bzw. Schalllaufzeit für den jeweiligen Geräuschsensor Ml bis M5 wird die Position der Geräusch- oder Schallquelle Gl oder G2, d.h. des Fahrzeugs 14 oder der Industrieanlage 4, ermittelt .

Eine weitere Ausführungsform der Anordnung 1 ist in Figur 8 dargestellt. Die Anordnung 1 umfaßt sechs Geräuschsensoren Ml bis M6. Die Geräuschsensoren Ml bis M6 sind als Mikrofone mit Kugelcharakteristik ausgeführt. Die Geräuschsensoren Ml bis M6 sind an verschiedenen Meßpunkten im Untersuchungsgebiet angeordnet. Die Geräuschsensoren Ml bis M4 sind entlang der Fahrbahn 8 angeordnet. Der Geräuschsensor M5 ist im Nahbereich der Industrieanlage 4 angeordnet. Der Geräuschsensor M6 ist in dem Wohngebiet 2 angeordnet. Im Betrieb der Anordnung 1 wird mittels des Geräuschsensors M6 ein den Geräuschgrenzwert überschreitendes Geräusch detektiert. Das diesem Ge- räuschsignal SQl zugrundeliegende Geräuschmuster SMl wird mit den von den anderen Geräuschsensoren Ml bis M4 empfangenden Geräuschmustern SMl bzw. von dem Geräuschsensor M5 empfangenden Geräuschmuster SM2 verglichen. Bei Übereinstimmung von Geräuschmustern SMl (Ml bis M4) = SMl (M6) von verschiedenen Geräuschsenso-ren Ml bis M4 bzw. M6 ist eine Identifizierung und Klassifizierung der Geräuschquelle SQl ermöglicht. Anhand einer Pegelanalyse ist auch eine Bewertung des erfaßten Geräuschsignals SQl und somit auch eine Bewertung der Geräuschquelle Gl gegeben. Beispielsweise ist anhand einer kombinierten Frequenz- und Pegelanalyse unter Berücksichtigung von externen Einflüssen oder Daten, wie z.B. unter Eliminierung von Stör- oder anderen Geräuschsignalen wie Regengeräusche, eine Aussage über den Zustand der Geräuschquelle Gl, z.B. das Fahrzeug 14 beschleunigt oder bremst, ermöglicht.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Verarbeitung von Geräuschsignalen (SQl bis SQ4) einer Geräuschquelle (Gl bis G4), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mehrere Geräuschsignale (SQl bis SQ4) ortsbezogen erfaßt, mittels einer Schallanalyse anhand von Signalmerkmalen untersucht und der Geräuschquelle (Gl bis G4) zugrundeliegende Parameter bestimmt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Signalmerkmale des Geräuschsignals (SQl bis SQ4) dessen Amplitude, Frequenz und/oder Phase bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schallanalyse anhand einer Zeit-, Frequenz- und/oder Pegelanalyse ausgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Parameter der Geräuschquelle (Gl bis G4) deren Typ, Position und/oder Zustand bestimmt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß bei Überschreiten eines Geräuschgrenzwertes die Schallanalyse ausgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die infolge einer Geräuschgrenzwertüberschreitung ausgeführte Schallanalyse einen Trigger zur Beibehaltung eines temporären Ringspeichers verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mindestens eines der Signalmerkmale des Geräuschsignals (SQl bis SQ4) in Form eines Geräuschmusters (SMl bis SM4) hinterlegt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mindestens eines der Signalmerkmale des Geräuschsignals (SQl bis SQ4) mit gespeicherten Geräuschmustern (SM_a bis SM_Z) zur Bestimmung und Zuordnung von Parametern der zugrundeliegenden Geräuschquelle (Gl bis G4) verglichen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß externe Daten, insbesondere meteorologische Daten, optische Daten, Zeitdaten, Betriebsparameter, berücksichtigt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Bestimmung und Klassifizierung der Signalmerkmale des Geräuschsignals (SQl bis SQ4) und/oder der Parameter der Geräuschquelle (Gl bis G4) ein selbstlernendes System verwendet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Signalmerkmale und/oder die Parameter einem Steue- rungs- und/oder einem Regelungssystem zugeführt werden.

12. Anordnung (1) zur Verarbeitung von Geräuschsignalen (SQl bis SQ4) einer Geräuschquelle (Gl bis G4), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Mehrzahl von Geräuschsensoren (Ml bis M7) zur ortsbezogenen Erfassung von Geräuschsignalen (SQl bis SQ4) und eine zentrale Datenverarbeitungseinheit (12) zur Schallanalyse der Geräuschsignale (SQl bis SQ4) anhand mindestens eines Signalmerkmals und zur Bestimmung mindestens eines die Geräuschquelle (Gl bis G4) charakterisierenden Parameters vorgesehen sind.

13. Anordnung nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Geräuschsensoren (Ml bis M7) Richtmikrofone vorgesehen sind.

14. Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Mittel zur Bestimmung von Amplitude, Frequenz und/oder Phase des Geräuschsignals (SQl bis SQ4) vorgesehen ist.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Mittel zur Bestimmung von Typ, Position und/oder Zustand der Geräuschquelle (Gl bis G4) vorgesehen ist.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Mittel zur Überwachung eines Geräuschgrenzwertes vorgesehen ist.

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Datenspeicher zur Hinterlegung mindestens eines der Signalmerkmale des Geräuschsignals (SQl bis SQ4) in Form eines Geräuschmusters (SMl bis SM4 ) vorgesehen ist.

18. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Datenbank umfassend eine Geräuschmusterbibliothek vorgesehen ist.

19. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Mittel zum Vergleich mindestens eines der Signalmerkmale des Geräuschsignals (SQl bis SQ4) mit gespeicherten Geräuschmustern (SM_a bis SM_Z) zur Bestimmung und Zuordnung von Parametern der zugrundeliegenden Geräuschquelle (Gl bis G4) vorgesehen ist.

20. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein optisches System zur Erfassung von optischen Daten vorgesehen ist.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Aufnahmeeinheit zur Erfassung von meteorologischen Daten vorgesehen ist.

22. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 21, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Mittel zur Bestimmung und Klassifizierung der Signalmerkmale des Geräuschsignals (SQl bis SQ4) und/oder der Parameter der Geräuschquelle (Gl bis G4) anhand eines selbstlernenden Systems vorgesehen ist.

23. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein externes Steuerungs- und/oder einem Regelungssystem vorgesehen ist.

24. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 23, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Mittel zur Analyse der Parameter (P) anhand der Schallanalyse in mehreren Iterationsschritten zur Erkennung von signifikanten Aspekten innerhalb eines Geräuschs vorgesehen ist.