EP3178184B1

EP3178184B1 - Trennbauteil zur beeinflussung der schallübertragung

Info

Publication number: EP3178184B1
Application number: EP15750979.5A
Authority: EP
Inventors: Philip Leistner; Horst Drotleff; Andreas Liebl; Xiaoru Zhou
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-08-08
Filing date: 2015-08-07
Publication date: 2021-04-28
Anticipated expiration: 2035-08-07
Also published as: EP3178184A2; DE102014111365A1; WO2016020511A2; WO2016020511A3

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Trennbauteil zur Beeinflussung der Schallübertragung. Es soll dazu dienen Störungen zu vermeiden und Lauschangriffe abzuwehren.

Stand der Technik

Es gibt im Wesentlichen zwei Motivationen die Verständlichkeit eines Sprachsignals senken zu wollen. Es ist bekannt, dass Sprachsignale einen Menschen stärker ablenken als Signale ohne erkennbaren Informationsgehalt, auch wenn die Lautstärke höher ist. Dies gilt in gewissem Umfang auch dann, wenn die Signale ohne erkennbaren Informationsgehalt lauter sind als das Sprachsignal. Eine Ablenkung durch Sprachsignale tritt etwa in Großraumbüros auf. Gerade weil durch Schalldämmung und Schalldämpfung ein niedriger Lautstärkepegel in Großraumbüros erreicht werden kann, ist die Ablenkung durch ein Sprachsignal relevant. Ein Ansatz ist die Überlagerung des Sprachsignals etwa mit einem Rauschsignal, so dass ein unverständlicher Überlagerungsschall entsteht. Nachteilig daran ist, dass der Überlagerungsschall einen vergleichsweise hohen Geräuschpegel aufweist.
Die Verständlichkeit von Sprachsignalen soll häufig auch gesenkt werden, um einen Lauschangriff zu erschweren. Bei der Abhörsicherheit von Gesprächen steht der nachrichtentechnische Lauschangriff auf Funk- oder Kabelübertragungen zweifellos im Vordergrund. Technologisch betrachtet lassen sich diese informationstechnischen Systeme mittels spezieller technischer Maßnahmen und Verhaltensweise schützen, auch wenn es temporär zu eingeschränkter Effizienz und Bequemlichkeit führt. Anders verhält es sich mit dem gesprochenen Wort in Räumen von Gebäuden, selbst wenn Faradaysche Käfige vorhanden, Datenleitungen gekappt und mobile Kommunikationsgeräte ausgeschaltet sind. Auch durch dicke Betonmauern hindurch lässt sich mit einfachen technischen Hilfsmitteln, z.B. Körperschallsensoren, das im Raum gesprochene Wort erfassen und verständlich aufbereiten. Bei der Gebäudehülle - ob opak oder transparent - ermöglichen modifizierte Laservibrometer den unsichtbaren und unbemerkten Lauschangriff selbst aus größerer Entfernung. In "normalen Gebäuden" reichen dafür empfindliche Mikrofone oder das bloße Hinhören in sonst ruhiger Umgebung. Schließlich sind auch die verschiedenen haustechnischen Installationen, z.B. Heizungsleitungen oder Lüftungskanäle, Schallübertrager durch das gesamte Gebäude. Bauliche und technische Empfehlungen nach dem Stand der Technik zur Minimierung der Abhörbarkeit umfassen daher z.B. den Verzicht von Fenstern, eine lückenlose Massivbauweise, Schutz vor Körperschallausbreitung und absolut schmucklose Räume. Derartige Räume wiedersprechen jedoch vollständig den Vorstellungen der Nutzer.
Ein tragfähiger Lösungsansatz muss daher in typische Gebäudestrukturen und Trennbauteile, z.B. Fassaden, Wände, Decken usw., integriert werden können, um möglichst vollständig abhörsichere Räume zu erreichen. Dies gilt sowohl für den Neubau als auch für die Nachrüstung bestehender Räume. Ausgangspunkte sind dabei die baulich-technische Substanz und die zeitgemäßen Bauteile von Bürogebäuden und deren verfügbares Schallschutz-Potential. Da es sich zumeist um mehrlagige und mehrschalige Fassaden, Wände, Decken usw. handelt, liegen deren realistische Schalldämmwerte zwischen ca. 25 und 55 dB, bei schweren Geschossdecken auch etwas darüber. Diese Werte lassen sich natürlich steigern, aber nur durch mehr Masse oder teurere Bautechnologien. Zu diesen teuren und komplexen technischen Ansätzen zur Erhöhung der Schalldämmung zählen auch aktive Systeme, bestehend aus (vibro-) akustischen Sensoren, Aktuatoren und einer Signalverarbeitung, zur Beeinflussung des Schwingungsverhaltens von Trennbauteilen ("Active Control of Vibration" Elsevier Ltd. 1996, "Active control of noise and vibration" CRC Press 1996), z.B. Platten oder Scheiben ( DE 102005044448 , DE 19826171 ). Die Beeinflussung kann dabei als Schwingungsdämpfung oder -überlagerung erfolgen. Sie erweist sich insbesondere bei tiefen Frequenzen als wertvoll, da in diesem Bereich die Schalldämmung aller Wände, Decken usw. insgesamt oder zum Teil resonanzartig gering ist. Der Frequenzbereich von verständlicher Sprache liegt allerdings bei mittleren und hohen Frequenzen, wo eine mit aktiven Systemen erhöhte Schalldämmung nicht oder kaum erreichbar ist.
Im Unterschied dazu ist ein Ansatz zur Verringerung der Abhörbarkeit das Überlagern von Sprache mit maskierenden Signalen, so dass ein Geräusch zwar gehört oder detektiert werden kann, aber sein Inhalt unverständlich ist. Diese Maskierungssysteme müssen einerseits den nach außen dringenden Sprachinhalt so verfremden, dass er nicht entschlüsselt werden kann. Sowohl die Wort- als auch die Satzverständlichkeit sind daher auf ein semantisch nicht mehr rekonstruierbares Maß zu reduzieren. Andererseits darf keine spürbare akustische Störung (Belästigung) im Raum oder außerhalb auftreten, da davon die Akzeptanz seitens der Nutzer abhängt. Ein alles übertönendes Rauschen ist daher keine annehmbare Lösung, da es den Sprachsignalpegel erheblich überschreiten müsste. Herkömmliche Systeme zur Verrauschung von vertraulichen Sprachinformationen, wie z. B. die in "http://www.global-security.org/de/produkte/lauschabwehr/76-akustisches-verrauschungssystem" beschriebene Vorrichtung, unterliegen deshalb hinsichtlich ihrer praktischen Anwendung starken Einschränkungen. Zudem kann mit entsprechendem Aufwand und geeigneten mathematischen bzw. elektronischen Verfahren das kohärente Sprachsignal aus dem inkohärenten Rauschen zumindest teilweise extrahiert werden.
Aus der US 3,213,199 A ist ein Verfahren bekannt bei dem Schall in einem Raum mit einem Mikrophon aufgenommen wird. Der Raum ist mit einer Trennwand zum Nachbarraum getrennt. Um zu verhindern dass im Raum geführte Gespräche im Nachbarraum abgehört werden, ist ein Lautsprecher vorgesehen, der abhängig von der Frequenz und der Amplitude des im Raum aufgenommen Schalls jederzeit im Nachbarraum einen Maskierschall erzeugt.
Aus der CA 2,461,148 ist ein spezielles Verfahren zur Erzeugung von Maskierschall unter Verwendung eines Frequenzfilters bekannt. Der zu maskierende oder zu verschlüsselnde Schall wird in Zeitblöcke zerlegt. Das Frequenzspektrum und der Leistungspegel werden bestimmt und es wird kontinuierlich breitbandiger Schall mit einem passenden Pegelspektrum zur Maskierung erzeugt. Dabei ist die Amplitude des Maskierschalls vergleichsweise klein, wenn es um reine Maskieranwendungen geht, und hoch, wenn eine Verschlüsselung erreicht werden soll.
Aus der US 2012/031689 A1 ist ein elektronisches Gerät zur Erzeugung von Maskierschall mit einer Vielzahl von Mikrophonen und einem Lautsprecher bekannt. Dabei werden Sprachsignale und Umgebungssignale erfasst. Abhängig davon wird ein Maskierschall erzeugt.
Aus der DE 10 2010 014 819 A1 ist ein Aufbau für eine aktive Geräuschunterdrückung in einem Fahrzeuginnenraum bekannt. Die aktive Geräuschunterdrückung erfolgt dabei abhängig vom Pegel des zu unterdrückenden Schalls. Dabei wird berücksichtigt, dass nach Dämpfung des zu unterdrückenden Schalls die aktive Geräuschunterdrückung schwächer sein kann.
Auch aus der WO2004/107806 A1 ist ein System bekannt, mit dem Schall maskiert werden kann.
Aus der US 2005/0065778 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Maskieren von Sprachschall bekannt. Dabei kann die Amplitude und die Frequenz des Maskiersignals in bestimmten Zeitabschnitten variiert werden. Die Zeitabschnitte können eine feste, veränderliche oder zufällige Länge haben. Unter Verwendung eines sogenannten "babble generators" wird ein sprachähnliches Signal, eine künstliche Stimme als Maskiersignal erzeugt. Anschließend wird das im "babble generator" erzeugte künstliche Sprachsignal, das Maskiersignal mit dem wirklichen Sprachsignal überlagert.
Aus der US 2003/0002687 A1 ist ein Aufbau und ein zugehöriges Verfahren zur akustischen Verbesserung einer Umgebung bekannt. In einer Ausgestaltung ist ein Trennelement nach Art eines Vorhangs vorhanden, um eine Unstetigkeit in einem schallleitenden Medium, etwa Luft, bereitzustellen und um Schall zu absorbieren. Ein oder mehrere Mikrophone nehmen akustische Energie auf einer Seite des Trennelements auf und wandeln den Schall um in elektrische Signale. Diese werden einer digitalen Signalverarbeitung zugeführt. Diese nutzt einen Algorithmus zur Analyse der elektrischen Signale und zur Bereitstellung eines Steuersignals, das auf der Analyse basiert. Aus dem Steuersignal wird ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das in Schall umgewandelt wird. Insgesamt wird - jedenfalls weitgehend - verhindert, dass der Schall von einer akustisch belasteten Seite des Trennelements auf die andere Seite des Trennelements gelangt. Zugleich wird auf der akustisch nicht belasteten Seite des Trennelements ein Schall bereitgestellt, der aber angenehmer sein soll als auf der akustisch belasteten Seite.
Aus der US 2009/0175848 A1 ist bekannt etwa in einer Büroumgebung Systeme ohne akustische Funktion in ein System verteilter Audioquellen zur aktiven Schallkontrolle zu wandeln.
Aus der US 5,834,647 A ist eine Anordnung zur Dämpfung von Schall aus bewegten Quellen bekannt. Dazu ist ein Satz von elektroakustischen Quellen vorhanden, die Antischallwellen als Reaktion auf eine einfallende Schallwelle emittieren. Die elektroakustischen Quellen sind bevorzugt so ausgebildet, eine synchrone Antischallwelle mit einem Krümmungsradius etwa so groß wie der einfallenden Schallwelle zu emittieren.
Die Ansprüche an weitestgehend abhörsichere Trennbauteile mit aufgesetzten Maskierungssystemen für einen Raum bestehen also sowohl in der Minimierung der Sprachverständlichkeit und unterbundenen Rekonstruierbarkeit des nach außen dringenden Sprachsignals als auch in einem minimierten akustischen Störpotential für die Nutzer der angrenzenden Räume.
Aufgabe der Erfindung ist es also eine verbesserte Abhörsicherheit von Räumen, in denen vertrauliche Gespräche geführt werden, zu erreichen. Die Lösung wird im unabhängigen Ansprüchen angegeben. Die abhängigen Ansprüche lehren vorteilhafte Ausgestaltungen. Die Beschreibung und die Zeichnungen geben weitere Erläuterungen.

Lösungsweg

Zunächst soll ein Verfahren geschildert werden, das sich für die später beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung besonders eignet. Es wurde erkannt, dass hierzu ein
Verfahren zur Senkung der Verständlichkeit eines Sprachsignals mit folgenden Schritten bereitzustellen ist.

a) Erfassung von Amplitude, Zeit und Frequenz des Sprachsignals; wobei die Zeit als Parameter dabei nicht der Zeitpunkt der Signalerfassung, sondern wie aus Schneider-Stickler, B.; Bigenzahl, W.: Stimmdiagnostik. Springer-Verlag Wien, 2013 (ab S. 153) bekannt und vom Fachmann angenommen, die zeitliche Fluktuation der Sprache, sprich die zeitliche Änderung des Frequenz-Amplitudenspektrums ist.
b) Erzeugung eines Maskierschalls, der von Amplitude, Zeit und Frequenz des Sprachsignals so abhängig ist, dass durch Überlagerung des Sprachsignals mit dem Maskierschall ein unverständlicher Überlagerungsschall entsteht, wobei der Überlagerungsschall keine wesentlich höhere Lautstärke hat als das Sprachsignal.

Kerngedanke ist also, dass der Maskierschall in differenzierter Weise vom Sprachsignal, dessen Verständlichkeit es abzusenken gilt, abhängt und spezifisch auf das Sprachsignal abgestimmt ist. Stand der Technik ist, dass ein Maskierschall mit einer höheren Lautstärke bereitgestellt wird, wenn das Sprachsignal lauter ist. Das vorliegende Verfahren nutzt dagegen, dass ein auf das Sprachsignal abgestimmter Maskierschall, der neben der Amplitude auch Zeit und Frequenz des Sprachsignals berücksichtigt, bereits mit einer Lautstärke im Bereich der Lautstärke des Sprachsignals zu einem unverständlichen Überlagerungsschall überlagert werden kann. So ist es möglich, dass der Überlagerungsschall keine wesentlich höhere Lautstärke hat als das Sprachsignal. Dabei kann der Maskierschall selbst ein mehr oder weniger verständlicher Sprachschall sein. Im Stand der Technik wird durch unspezifisches Rauschen, welches lauter als das Sprachsignal ist, das Sprachsignal schlicht übertönt, so dass der Überlagerungsschall nicht verständlich ist. Vorliegend könnte der Maskierschall auch leiser sein als das Sprachsignal. Der Überlagerungsschall freilich ist etwas lauter als das Sprachsignal, allerdings nicht wesentlich lauter.
Es soll erwähnt werden, dass die Erzeugung des Maskierschalls in Echtzeit erfolgen muss, da für die Überlagerung der Maskierschall gleichzeitig mit dem Sprachsignal vorliegen muss. Besonders komplizierte, rechenaufwändige Verfahren zur Erzeugung des Maskierschalls scheiden daher aus. Wie später nochmals an einem Beispiel dargestellt, erfolgen die Erfassung des Sprachsignals, die Erzeugung des Maskierschalls und die daraus folgende Überlagerung an verschiedenen Orten. Somit hat das Sprachsignal eine gewisse Laufzeit, bis es zur Überlagerung mit dem Maskierschall kommt. Diese Zeit kann genutzt werden, um den Maskierschall zu erzeugen.
Vorliegend wird das Sprachsignal in Intervalle zerlegt. Der Maskierschall wird durch zeitliche Inversion der kurzen Intervalle gebildet. Um es anschaulich auszudrücken: Während das Sprachsignal in üblicher Weise vorwärts gesprochenen Text enthält, handelt es sich beim Maskierschall gleichsam um rückwärts "gesprochene" Sequenzen. Der Überlagerungsschall ergibt sich somit aus der Überlagerung des Sprachsignals mit zeitlich invertierten Sequenzen des Signals. Schon aufgrund der oben genannten Forderung den Maskierschall in Echtzeit bereitzustellen, können keine langen Sequenzen invertiert werden. Vielmehr handelt es sich um kurze Intervalle, die beispielsweise eine Länge von 20 ms bis 200 ms, insbesondere 50 ms bis 100 ms haben, d.h. die Länge der Intervalle ist in diesen Intervallgrenzen willkürlich variabel.
An dieser Stelle soll zum Verständnis erwähnt werden, dass der Maskierschall unmittelbar aus dem Sprachsignal gebildet wird. Das heißt beim vorliegenden Verfahren wird nur das Sprachsignal genutzt und verändert, um das Sprachsignal dann in veränderter Form als Maskierschall mit sich selbst zu überlagern. In der US 3,213,199 A wird dagegen aus der Amplitude und der Frequenz des Primärsignals, also des erfassten Sprachsignals, ein neues Signal erzeugt.
Demnach unterliegt die Erzeugung des Maskierschalls einer zufälligen Veränderung. Es versteht sich, dass diese zufällige Veränderung in einem Rahmen bleiben muss, der gewährleistet, dass der Überlagerungsschall unverständlich bleibt. Die Senkung der Verständlichkeit eines Sprachsignals kann auch dazu dienen, das Belauschen eines Gesprächs zu verhindern. In diesem Fall könnte eine Erzeugung des Maskierschalls nach einem stets unveränderten Verfahren, vorliegend ergibt sich die Veränderung des Maskierschalls nicht aus der Änderung der Maskiervorschrift, sondern aus der Variation der Intervalllänge, dazu führen, dass das Verfahren vom Lauscher erkannt wird und damit eine Rekonstruktion des Sprachsignals möglich würde. Durch die zufällige Veränderung der Erzeugung des Maskierschalls wird eine solche Rekonstruktion erheblich erschwert. Der Weg zur zufälligen Veränderung ist die Änderung der Länge der oben beschriebenen kurzen Zeitintervalle gemäß einer Zufallsfunktion. Es soll erwähnt werden, dass das in US 2005/0065778 A1 beschriebene Verfahren sich davon unterscheidet. In der US 2005/0065778 A1 soll die Art und Weise, wie innerhalb der Zeitintervalle abhängig vom erfassten Sprachsignal ein Maskierschall erzeugt wird, verändert werden. Diese Variation soll vorliegend nicht ausgeschlossen werden. Entscheidend aber ist, dass vorliegend eine zufällige Veränderung der Zeitintervalle als ausreichend erkannt worden ist, um die Maskierungsvorschrift insgesamt zu verschlüsseln.
Ausgehend von den obigen Überlegungen ist eine Vielzahl von Verfahren denkbar, mit denen der Maskierschall erzeugt werden kann.
In einer Ausführungsform werden die Zeitintervalle in einem Bereich von 20 ms bis 200 ms, insbesondere in einem Bereich von 50 ms bis 100 ms zufällig verändert.
In einer Ausführungsform wird eine Dämmung und/oder Dämpfung des Sprachsignals bei der Erzeugung des Maskierschalls berücksichtigt, wobei insbesondere ein Maskierschall mit niedriger Lautstärke bereitgestellt wird, wenn der Überlagerungsschall aus der Überlagerung des Maskierschalls mit dem gedämmten und/oder gedämpften Sprachsignal erfolgt. Es wird in vielen Fällen möglich sein, das Sprachsignal, bevor es in einen Bereich gelangt, in dem eine Störung erfolgt oder ein Lauschangriff abzuwehren ist, zu dämmen oder zu dämpfen. Damit genügt auch ein Maskierschall mit niedrigerer Lautstärke. Entsprechend ist der Überlagerungsschall ebenfalls weniger laut, so dass mögliche Störungen weiter abgesenkt werden. Soweit weiter oben ein Vergleich zwischen der Lautstärke des Maskierschalls, des Überlagerungsschalls und des Sprachsignals vorgenommen wird, so ist sinnvollerweise auf das Sprachsignal nach einer gegebenenfalls erfolgten Dämmung oder Dämpfung abzustellen.
Wie weiter oben erwähnt gilt es insbesondere die Abhörsicherheit von Räumen zu erhöhen. Entsprechend betrifft die Erfindung ein Trennbauteil zur Trennung eines Raums von einer Raumumgebung. Bei der Raumumgebung handelt es sich im Regelfall um den Außenbereich eines Gebäudes. Es ist aber auch denkbar, dass es sich um einen Nachbarraum in einem Gebäude handelt. Das Trennbauteil enthält Sensoren, Aktuatoren und eine Signalverarbeitungseinheit zur Beeinflussung der Schallübertragung. Das Trennbauteil zeichnet sich durch nachfolgend beschriebene Komponenten aus:
Es sind Sensoren zur Erfassung des aus dem Raum kommenden Sprachsignals vorhanden. Ferner sind Aktuatoren zur Erzeugung eines Maskierschalls vorhanden. Der Maskierschall ist dabei von Amplitude, Zeit und Frequenz des Sprachsignals abhängig. Wie bereits weiter oben erläutert, genügt es nicht allein die Lautstärke zu berücksichtigen, vielmehr ist auch Zeit und Frequenz des Sprachsignals zu berücksichtigen. Wesentlich ist hierzu, dass eine Signalverarbeitungseinheit vorhanden ist, welche die von den Sensoren erfassten Signale so verarbeiten kann, dass die Aktuatoren einen solchen Maskierschall erzeugen können, dass durch Überlagerung des Maskierschalls mit dem Sprachsignal in der Raumumgebung ein unverständlicher Überlagerungsschall entsteht, ohne dass der Überlagerungsschall eine wesentlich höhere Lautstärke als das Sprachsignal aufweisen muss. Der Maskierschall selbst hat etwa die Lautstärke des Sprachsignals in der Raumumgebung, kann aber auch leiser sein.
Die Sensoren und die Aktuatoren sind definiert beabstandet, so dass das Sprachsignal eine gewisse Laufzeit hat, bis es zur Überlagerung mit dem Maskierschall kommt. In der US 3,213,199 A sind die Sensoren und Aktuatoren auch beabstandet. Wie im Rahmen der vorliegenden Erfindung erkannt worden ist, kann der Abstand aber nicht berücksichtigt oder gar genutzt werden. Bei einem, wie in Figur 1 der US 3,213,199 A gezeigten Mikrophon als Sensor in der Mitte des Raums ist das Sprachsignal ausgehend von einem Sprecher nahe der Trennwand schneller an der Trennwand als am Mikrophon angekommen. Bei einem Sprecher, der von der Trennwand abgewandt sitzt, ist das Sprachsignal eher am Mikrophon als an der Trennwand. Eine angemessene Berücksichtigung der Laufzeit des Sprachsignals von den Sensoren zu den Aktoren ist somit in der US 3,213,199 A nicht möglich. Dies ist für die Ausführung des in US 3,213,199 A beschriebenen Maskierverfahrens auch nicht erforderlich, weil der Maskierschall nicht unter Verwendung des primären Sprachsignals selbst, sondern lediglich aus dessen spezifischen Parametern Frequenz und Amplitude zeitnah erzeugt und überlagert wird. Beim vorliegenden Trennbauteil hingegen ist dies wie nachfolgend geschildert möglich und auch zur Erfüllung der erfindungsmäßen Aufgabe erforderlich. Entsprechend ist die Signalverarbeitungseinheit ausgebildet den Maskierschall zeitlich gegenüber dem Sprachsignal zu verzögern, um Laufzeiten des Sprachsignals im Trennbauteil zu berücksichtigen. Hierbei ist zu bedenken, dass die Laufzeit des elektrischen Signals von den Sensoren und der Signalverarbeitungseinheit zu den Aktuatoren im Regelfall sehr viel kürzer ist als die Laufzeit des Schalls im Trennbauteil. Befinden sich nun die Sensoren im Bereich der Seite des Trennbauteils, die dem Raum zugewandt ist und die Aktuatoren im Bereich der Seite des Trennbauteils, die der Raumumgebung zugewandt ist, ist eben diese Laufzeit des Schalls von den Sensoren zu den Aktuatoren hin zu berücksichtigen. Diese Laufzeit wird erfindungsgemäß vorteilhaft genutzt, indem die sich aus der Signallaufzeit ergebende zeitliche Verzögerung ausreichend gestaltet ist, dass die Signalverarbeitungseinheit den Maskierschall unmittelbar, d.h. in Echtzeit erzeugen und für die Überlagerung bereitstellen kann.
In einer Ausführungsform ist das Trennbauteil so ausgebildet, dass die Erzeugung des Maskierschalls einer zufälligen Veränderung unterliegt. Damit kann die Erzeugung des Maskierschalls, wenn überhaupt, nur noch sehr erschwert reproduziert werden. Dies verhindert, dass das Sprachsignal rekonstruiert werden kann. Wie bereits bei der Schilderung des Verfahrens dargestellt, darf die Veränderung nur innerhalb von Grenzen liegen, die eine Entstehung von unverständlichem Überlagerungsschall erlauben.
In einer wichtigen Ausführungsform ist das Trennbauteil so ausgebildet, dass das oben beschriebene Verfahren mit all seinen Vorteilen und in den verschiedenen Ausführungsformen des Verfahrens ausgeführt werden kann.
In einer Ausführungsform ist das Trennbauteil mehrlagig oder mehrschalig ausgebildet. Solche Aufbauten sind verbreitet und gut erhältlich. Zudem sind Zwischenräume verwirklicht, so dass dort etwa die Signalverarbeitungseinheit gut untergebracht werden kann.
In einer Ausführungsform ist das Trennbauteil so eingerichtet, dass die Überlagerung des Maskierschalls mit dem Sprachsignal innerhalb des Trennbauteils erfolgt. Damit kann erreicht werden, dass in einem der Raumumgebung zugewandten Bereich des Trennbauteils sich ein Körperschall ausbildet, der unverständlichen Überlagerungsschall in die Raumumgebung abstrahlt.
Alternativ, unter bestimmten Bedingungen auch zusätzlich, ist das Trennbauteil so eingerichtet, dass in der Raumumgebung eine Überlagerung des durch das Trennbauteil gelangenden Anteil des Sprachsignals mit dem Maskierschall erfolgt. Dies ist vor allem dann gegeben, wenn die Aktuatoren zur Erzeugung des Maskierschalls sich auf der der Raumumgebung zugewandten Seite des Trennbauteils befinden. In diesem Fall gelangt ein durch das Trennbauteil stark reduzierter Anteil des Sprachsignals durch das Trennbauteil. Dieser wird dann, sozusagen erst in der Raumumgebung durch eine Überlagerung mit dem Maskierschall zu einem unverständlichen Überlagerungsschall.
Beide Ansätze haben Vorteile. Eine entsprechende Überlagerung innerhalb des Trennbauteils, so dass wie in der ersten beschriebenen Alternative in dem der Raumumgebung zugewandten Bereich des Trennbauteils sich ein Körperschall ausbildet, der unverständlichen Überlagerungsschall in die Raumumgebung abstrahlt, dürfte ein Lauschangriff noch schwieriger sein. Ein Abgreifen des Körperschalls auf der der Raumumgebung zugewandten Seite ist damit nicht mehr möglich.
In einer Ausführungsform sind die Sensoren als vibroakustische Sensoren ausgebildet. Vibroakustische Sensoren eignen sich zur genauen Erfassung eines Sprachsignals.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Sensoren zur Erfassung des Sprachsignals an der dem Raum zugewandten Seite des Trennbauteils oder in diesem Bereich angebracht. Dort hat das Sprachsignal die höchste Intensität, so dass Sensoren dort das Sprachsignal gut erfassen können. Alternativ oder zusätzlich sind die Aktuatoren zur Erzeugung des Maskierschalls an der der Raumumgebung zugewandten Seite des Trennbauteils oder in diesem Bereich angebracht. Der Maskierschall wird in der Raumumgebung benötigt, so dass eine Anbringung der Aktuatoren in diesem Bereich sinnvoll ist. Freilich ist es auch denkbar, etwa bei einem mehrlagigen Trennbauteil, die Aktuatoren an einer Lage nahe dem Raum anzubringen.
Es versteht sich, dass all die oben genannten Maßnahmen einen Lauschangriff nicht gänzlich unmöglich machen können. Die Erfindung kann allerdings einen wichtigen Beitrag leisten, einen solchen Lauschangriff wesentlich zu erschweren. Dies ist in vielen Fällen ausgesprochen erwünscht.

Ausführungsbeispiel

Auch anhand der Figur 1, welche eine schematische Darstellung einer doppelschaligen Trennwand mit erfindungsgemäß integriertem vibroakustischen System zur Maskierung der Sprachschallübertragung zwischen zwei Räumen zeigt, soll nachfolgend die Erfindung näher beschrieben werden.
Ausgangspunkt ist, wie in Figur 1 zu erkennen, ein mehrschaliges Trennbauteil 1, z.B. eine doppelschalige Wand- oder Deckenkonstruktion oder eine einschalige Wand mit Vorsatzschale, mit angemessener Schalldämmung im informationshaltigen Sprachfrequenzbereich. Dieser akustische Übertragungsweg zwischen dem abhörgeschützten Raum 2 und dessen die Raumumgebung bildender äußerer Umgebung 3 wird mittels eines vibroakustischen Sprachsignalmaskierungssystems nichtlinear manipuliert. Es umfasst (vibro-) akustische Sensoren 4 und Aktuatoren 5 sowie ein Signalverarbeitungsmodul 6, die in das mehrschalige Trennbauteil 1 integriert werden. Bei diesem Verfahren zur Sprachmaskierung wird aus dem auf der Raumseite 7 des Trennbauteils 1 detektierten primären Sprachsignal 8 in Echtzeit ein als Maskierschall dienendes modifiziertes Sprachsignal 9 generiert, das mittels der Aktuatoren 5 in das mehrschalige Trennbauteil 1 eingespeist wird bzw. vorzugsweise dessen Außenseite 10 zur Schallabstrahlung anregt. Die Art, Anzahl und Verteilung der Sensoren 4, Aktuatoren 5 usw. richtet sich u.a. nach der Konstruktion des Trennbauteils 1. Schließlich führt die überlagerte Abstrahlung beider Signale, also des gedämmten primären Schallsignals 11 und des modifizierten Sprach- bzw. Maskier-Signals 9, auf der Außenseite 10 zu einem leisen und zugleich unverständlichen Überlagerungsschall 12. Die oben erwähnte Generierung des modifizierten Sprachsignals 9 in Echtzeit soll schlicht bedeuten, dass die Überlagerung des primären Sprachsignals 8 und des modifizierten Sprachsignals 9 zum Überlagerungsschall in der äußeren Umgebung 3 gleichzeitig erfolgen muss. Das primäre Sprachsignal 8 benötigt von den vibroakustischen Sensoren 4 bis zu den Aktuatoren 5 eine gewisse Laufzeit. Dies ist insofern günstig, da die Generierung des modifizierten Sprachsignals 9 gewisse Zeit in Anspruch nimmt.
Dieses System lässt sich auch in Verbindung mit massiven Bauteilen verwenden. Hier besteht z.B. die Möglichkeit, die Sensoren 4 und Aktuatoren 5, ähnlich wie bei
Anschlussdosen für elektrischen Strom oder Datennetzwerke, direkt in das Bauteil zu integrieren. Alternativ kann das Bauteil raumseitig auch mit einer Vorsatzschale versehen werden, bei Decken z.B. auch in Form eines schwimmenden Estrichs, wobei das Sprachmaskierungssystem seinen Platz im Spalt zwischen Vorsatzschale und massivem Bauteil findet. Die Vorsatzschale muss generell nicht schalldämmenden Zwecken dienen, sondern kann auch als Schallabsorber im Raum 2 zur Verbesserung der Raumakustik fungieren. In jedem Fall bietet die Mehrschaligkeit oder Mehrlagigkeit den Vorteil, dass der von der Außenseite 10 des Trennbauteils 1 abgestrahlte Maskier-Schall 9 den Raum 2 nicht oder nur geschwächt erreicht und somit nicht als störend wahrgenommen wird. Unter diesem Aspekt kommt einem asymmetrischen Aufbau des Trennbauteils 1 eine besondere Bedeutung zu.
Der Algorithmus zur Generierung des modifizierten Sprachsignals 9 greift auf das detektierte primäre Sprachsignal 8 zurück. Der Erfassung folgt eine Filterung, zeitliche Verzögerung sowie eine zeitliche Invertierung von getrennten Signalabschnitten. Dabei werden die bekannten Schallübertragungseigenschaften (Pegel, Phasen- und Frequenzverhalten) des Trennbauteils 1 berücksichtigt. Im Endergebnis lässt sich an Stelle von leiserer Sprache auf der Außenseite 10 des Trennbauteils 1 nur noch eine Art "Babylonisches Sprachengewirr" mit geringem Pegel wahrnehmen. Die Sprach- und Sprechererkennung sowie die damit verbundene Abhörbarkeit werden dadurch erheblich erschwert oder sogar vollständig unterbunden.
Die Filterung, zeitliche Verzögerung und zeitliche Invertierung kurzer Signalabschnitte beruht auf der Erkenntnis, siehe z.B. Sound Masking Performance of Time-Reversed Masker Processed from the Target Speech. Acta Acustica United with Acustica. Vol. 98 (2012), S. 135-141, dass diese Manipulation bei zeitgleicher Darbietung des Originalsprachsignals eine deutlich höhere Maskierwirkung erreicht, als die Überlagerung mit den bekannten, meist unterschiedlich gefilterten Rauschsignalen. Diese Erkenntnis entstand im Kontext der Sprachmaskierung zwischen Arbeitsplätzen in Großraumbüros, um die störende Wirkung verständlicher Hintergrundsprache zu reduzieren. Abhörsicherheit oder dergleichen ist dort kein relevantes Ziel.
Die erfindungsgemäße Sprachmaskierung ist abhängig von der im Anwendungsfall vorherrschenden Sprache, da sich die Sprachmuster unterscheiden. An den prinzipiellen Manipulationsschritten ändert sich zwar nichts, aber einige Details, wie z.B. Filtereckfrequenzen und -algorithmen, lassen sich sprachspezifisch optimieren. Als eine Ausgestaltung ist daher die sprachabhängige Auswahl und Anpassung der Systemeigenschaften vorgesehen.
In diesem Zusammenhang kann auch ein algorithmisches Zusatzmodul zur Spracherkennung in zweierlei Hinsicht integriert werden. Einerseits unterscheidet es Sprache von anderen nichtsprachlichen Geräuschen. Derartige Algorithmen existieren bereits. Andererseits erkennt es die Sprachfamilie.
Ein ergänzendes Merkmal ist eine Art Regelungs- bzw. Rückkopplungsstruktur, mit der sich der Erfolg und das Maß der Sprachunverständlichkeit nahezu in Echtzeit prüfen lassen, um daraufhin die Parameter des zu erzeugenden Maskiergeräusches anzupassen.
Bei der Umsetzung und Anpassung des erfindungsgemäßen vibroakustischen Systems zur Sprachmaskierung der Schallübertragung leichter Trennwände bestehen mehrere Gestaltungsmöglichkeiten. So ist bei gegenseitiger Abhörgefahr zwischen zwei benachbarten Räumen ein bidirektionales System möglich, das separat oder aufeinander abgestimmt in beide Richtungen funktioniert. Alle genannten Merkmale lassen sich auf so genannte flankierende Bauteile übertragen, also z.B. auf Wände, die senkrecht zum eigentlichen Trennbauteil 1 verlaufen und eine Längs-Schallübertragung zwischen Räumen ermöglichen. Analog gilt die flankierende Schallübertragung aber auch für Leitungen, Kanäle, Rohre usw., die vom Schall im Raum 2 angeregt Sprachsignale im Gebäude übertragen. In diesem Fall besteht das Trennbauteil 1 aus einer mehrschaligen Kanalummantelung mit ansonsten gleichem Aufbau der Elemente des erfindungsgemäßen vibroakustischen Systems zur Sprachmaskierung. Eine besondere Herausforderung stellen Fugen dar, insbesondere unvermeidlich Funktionsfugen, z.B. bei Türen. Sowohl bei einer grundsätzlich vorteilhaften überdeckten Ausführung von Tür und Zarge als auch bei einem speziellen Element zur Überdeckung der Fuge kann aber das erfindungsgemäße vibroakustische System zur Sprachmaskierung wieder angewendet werden. In diesem Fall ist eine auf das eigentliche Trennbauteil 1, also z.B. die Tür, abgestimmte Ausführung vorgesehen.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen vibroakustischen Systems zur Sprachmaskierung ist nicht nur auf Gebäude beschränkt, sondern kann auch in Fahrzeugen und Verkehrsmitteln unterschiedlicher Art vorteilhaft genutzt werden.

Claims

Trennbauteil (1) zur Trennung eines Raums (2) von einer Raumumgebung (3) mit Sensoren (4), Aktuatoren (5) und einer Signalverarbeitungseinheit (6), zur Beeinflussung der Schallübertragung, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennbauteil (1) folgende Komponenten aufweist:
Sensoren (4) zur Erfassung des aus dem Raum (2) kommenden Sprachsignals (8); Aktuatoren (5) zur Erzeugung eines Maskierschalls, der von Amplitude, Zeit und Frequenz des Sprachsignals (8) abhängig ist;

eine Signalverarbeitungseinheit (6), welche die von den Sensoren (4) erfassten Signale so verarbeiten kann, dass die Aktuatoren (5) einen solchen Maskierschall (9) erzeugen können, dass durch Überlagerung des Maskierschalls (9) mit dem Sprachsignal (11) in der Raumumgebung ein unverständlicher Überlagerungsschall (12) entsteht, ohne dass der Überlagerungsschall (12) eine wesentlich höhere Lautstärke als das Sprachsignal (11) aufweisen muss, wobei die Sensoren (4) und die Aktuatoren (5) beabstandet sind, so dass das Sprachsignal (8) eine gewisse Laufzeit hat, bis es zur Überlagerung mit dem Maskierschall (9) kommt, wobei die Signalverarbeitungseinheit (6) ausgebildet ist, den Maskierschall (9) zeitlich gegenüber dem Sprachsignal (8) zu verzögern, um Laufzeiten des Sprachsignals (8) im Trennbauteil (1) zu berücksichtigen.
Trennbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennbauteil (1) so ausgebildet ist, dass die Erzeugung des Maskierschalls (9) einer zufälligen Veränderung unterliegt.
Trennbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennbauteil (1) ausgebildet ist, ein Verfahren mit folgenden Schritten durchzuführen.
a) Erfassung von Amplitude, Zeit und Frequenz des Sprachsignals (8);

b) Erzeugung eines Maskierschalls (9), der von Amplitude, Zeit und Frequenz des Sprachsignals (8) so abhängig ist, dass durch Überlagerung des Sprachsignals (8) mit dem Maskierschall (9) ein unverständlicher Überlagerungsschall (12) entsteht, wobei der Überlagerungsschall (12) keine wesentlich höhere Lautstärke hat als das Sprachsignal, wobei die Erzeugung des Maskierschalls (9) einer zufälligen Veränderung unterliegt und wobei das Sprachsignal (8) in Intervalle zerlegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Intervalle gemäß einer Zufallsfunktion zufällig verändert werden.
Trennbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Intervalle in einem Bereich von 20 ms bis 200 ms, insbesondere in einem Bereich von 50 ms bis 100 ms, zufällig verändert werden.
Trennbauteil nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dämmung und/oder Dämpfung des Sprachsignals (8) bei der Erzeugung des Maskierschalls (9) berücksichtigt wird, wobei insbesondere ein Maskierschall (9) mit niedriger Lautstärke bereitgestellt wird, wenn der Überlagerungsschall (12) aus der Überlagerung des Maskierschalls (9) mit dem gedämmten und/oder gedämpften Sprachsignal (11) erfolgt.
Trennbauteil nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Maskierschall (9) durch zeitliche Inversion der kurzen Intervalle gebildet wird.
Trennbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennbauteil (1) mehrlagig oder mehrschalig ist.
Trennbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennbauteil so eingerichtet ist, dass die Überlagerung des Maskierschalls (9) mit dem Sprachsignal (8) innerhalb des Trennbauteils (1) erfolgt, so dass in einem der Raumumgebung (3) zugewandten Bereich (10) des Trennbauteils (1) sich ein Körperschall ausbildet, der unverständlichen Überlagerungsschall (12) in die Raumumgebung (3) abstrahlt.
Trennbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennbauteil (1) so eingerichtet ist, dass in der Raumumgebung (3) eine Überlagerung des durch das Trennbauteil (1) gelangenden Anteil des Sprachsignals (11) mit dem Maskierschall (9) erfolgt.
Trennbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (4) als vibroakustische Sensoren ausgebildet sind.
Trennbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (4) an der dem Raum (2) zugewandten Seite (7) des Trennbauteils (1) oder in diesem Bereich (7) und/oder die Aktuatoren (5) an der der Raumumgebung (3) zugewandten Seite (10) des Trennbauteils (1) oder in diesem Bereich (7) angebracht sind.
Trennbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennbauteil (1) als Tür zwischen Raum (2) und Raumumgebung (3) ausgebildet ist.
Trennbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennbauteil (1) als massives Bauteil ausgeführt ist.
Trennbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennbauteil (1) durch ein wandartiges Bauteil mit einer Vorsatzschale gebildet ist.