VORRICHTUNG, SYSTEM UND VERFAHREN ZUR RÄUMLICHEN LOKALISIERUNG VON SCHALLQUELLEN DEVICE, SYSTEM AND METHOD FOR THE SPATIAL LOCALIZATION OF SOUND SOURCES
TECHNISCHES GEBIET TECHNICAL AREA
[0001] Die vorliegende Beschreibung betrifft eine Vorrichtung, ein System sowie ein Verfahren zur räumlichen Lokalisierung von Schallquellen und ist daher dem Gebiet der akustischen Messtechnik zuzuordnen. The present description relates to a device, a system and a method for the spatial localization of sound sources and is therefore assigned to the field of acoustic measurement technology.
HINTERGRUND BACKGROUND
[0002] Die räumliche Ortung von akustischen Schallquellen ist eine wesentliche Aufgabe bei der Quantifizierung von Lärm- und Vibrationscharakteristika von Produkten im Auto motive- und Aerospace-Sektor sowie in den Sektoren Consumer Electronics und Industrial Equipment. Diese Aufgabe wird im Produktentwicklungsprozess Noise, Vibration, Harsh- ness (NVH) Testing genannt. Um Produkte zu entwickeln, die sowohl regulative als auch kundenrelevante Anforderungen hinsichtlich Lärmgrenzen und Klangempfinden erfüllen, ist NVH Testing unerlässlich und dementsprechend müssen Produkte mit entsprechender Zuverlässigkeit und Genauigkeit vermessen werden. Die Ortung von Schallquellen ist nicht nur auf Produkte der oben genannten Industriesektoren eingeschränkt, sondern findet auch Anwendung in anderen Bereichen, wie z.B. bei der Umgebungslärm- Messung am Ar beitsplatz, in öffentlichen Bereichen zur Identifikation von akustischen Störquellen oder bei der bauakustischen Evaluierung von Schalldämmungen. Anwender von Systemen zur räumlichen Ortung von akustischen Quellen sind u.a. Hersteller von Produkten aus oben genannten Industriesektoren, Ingenieursdienstleister, Bauakustiker, Firmen des Baugewer bes und öffentliche Einrichtungen. The spatial location of acoustic sound sources is an essential task in the quantification of noise and vibration characteristics of products in the automotive and aerospace sector and in the consumer electronics and industrial equipment sectors. This task is called Noise, Vibration, Harshness (NVH) Testing in the product development process. In order to develop products that meet both regulatory and customer requirements in terms of noise levels and sound perception, NVH Testing is essential and therefore products must be measured with the appropriate reliability and accuracy. The location of sound sources is not limited only to products of the above industrial sectors, but also finds application in other fields, such as e.g. for environmental noise measurement in the workplace, in public areas for the identification of acoustic sources of interference or in the building acoustics evaluation of sound insulation. Users of systems for spatial location of acoustic sources are i.a. Manufacturer of products from the above-mentioned industrial sectors, engineering service providers, building acoustics, construction companies and public institutions.
[0003] Speziell die Verifikation von regulativen Anforderungen und gewünschten Klang qualitäten findet relativ spät im Produktentwicklungsprozess statt. An diesem Punkt benö tigen Produktentwickler einfach zu verwendende und intuitive Werkzeuge, die sie bei der Analyse von NVH-Problemen und Entscheidungsfindung hinsichtlich der Erfüllung von Produktspezifikationen unterstützen. Ähnlich gelagerte Probleme sind im Bereich der Bau akustik bei der In-Situ- Verifikation von baulichen Maßnahmen, der Qualitätsüberwachung in der Fertigung von Produkten und bei der Zustandsüberwachung von Maschinen und Prozessen zu finden.
[0004] Aus dem Stand der Technik sind sogenannte akustische Kameras bekannt, mit de nen akustische Quellen visualisiert werden können. Solche akustischen Kameras weisen typischerweise ein Mikrofon- Array mit einer hohen Anzahl an Mikrofonen auf, die auf ei ner scheibenförmigen Oberfläche angeordnet sind. Der Aufbau solcher akustischen Kame ras ist häufig komplex, und insbesondere werden in der Regel eine hohe Anzahl an Mikro fonen verbunden mit leistungsfähigen Systemen zur parallelen Datenerfassung und -Verar beitung benötigt. Specifically, the verification of regulatory requirements and desired sound qualities takes place relatively late in the product development process. At this point, product developers need easy-to-use and intuitive tools to help them analyze NVH issues and make decisions about meeting product specifications. Similar problems are to be found in the field of building acoustics in the in-situ verification of structural measures, quality monitoring in the manufacture of products and in condition monitoring of machines and processes. So-called acoustic cameras are known from the prior art, with de nen acoustic sources can be visualized. Such acoustic cameras typically have a microphone array with a high number of microphones arranged on a disk-shaped surface. The design of such acoustic cameras is often complex and, in particular, a large number of microphones are usually required, combined with powerful systems for parallel data acquisition and processing.
[0005] Der Erfinder hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine Vorrichtung zur räumlichen Ortung und Visualisierung von akustischen Quellen und deren Visualisierung bereitzustel len, die beispielsweise intrinsische technische Vorteile in der Bildqualität im Vergleich zum Stand der Technik liefern können, im Speziellen im Bereich des Kontrastumfangs, der örtlichen Auflösung und der maximal darstellbaren Frequenz der Schallquellen und dar über hinaus besonders einfach zu handhaben und aufgrund der reduzierten technischen Komplexität kostengünstig herzustellen ist. The inventor has made it his mission to provide a device for the spatial location and visualization of acoustic sources and their visualization bereitzustel len, for example, can provide intrinsic technical advantages in image quality compared to the prior art, in particular in the field of Contrast range, the local resolution and the maximum reproducible frequency of the sound sources and beyond particularly easy to handle and is inexpensive to manufacture due to the reduced technical complexity.
ZUSAMMENFASSUNG SUMMARY
[0006] Die oben genannte Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 und 18, ein System gemäß Anspruch 7 sowie durch ein Verfahren gemäß den Ansprü chen 10, 13 und 31 gelöst. Verschiedene Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. The above object is achieved by a device according to claims 1 and 18, a system according to claim 7 and by a method according to the claims chen 10, 13 and 31. Various embodiments and further developments are the subject of the dependent claims.
[0007] Es wird eine Vorrichtung beschrieben, welche mindestens ein erstes Mikrofon, das beweglich angeordnet ist, mindestens ein zweites ortsfestes Mikrofon und mindestens einen Sensor umfasst. Die Mikrofone können die von akustischen Quellen emittierten Schallwellen erfassen, und der Sensor kann Raumkoordinaten des ersten Mikrofons erfas sen. A device is described which comprises at least a first microphone, which is movably arranged, at least one second stationary microphone and at least one sensor. The microphones can detect the sound waves emitted by acoustic sources, and the sensor can detect spatial coordinates of the first microphone.
[0008] Es wird außerdem ein System mit einer entsprechenden Vorrichtung beschrieben, das ein ortsfestes Datenverarbeitungsgerät umfasst, an dem die Vorrichtung um die Dreh achse drehbar gelagert ist. Das Datenverarbeitungsgerät kann Messdaten aus der Vorrich tung empfangen und akustische Quellstärken des zu vermessenden Objekts darstellen.
[0009] Ein Verfahren nach einem Ausführungsbeispiel umfasst die Schritte: Bereitstellen einer drehbar gelagerten Vorrichtung mit mindestens einem ersten Mikrofon, das beweg lich angeordnet ist, und mindestens einem zweiten ortsfesten Mikrofon; Drehen der Vor richtung um eine Drehachse, wobei das erste Mikrofon mitdreht und das zweite Mikrofon fest bleibt; Erfassen durch das erste und das zweite Mikrofon von Schallwellen, die von ei nem zu vermessenden Objekt emittiert werden und gleichzeitiges Erfassen von Raumkoor- dinaten des ersten Mikrofons; Berechnen und Abbilden von Quellstärken des schallemittie renden Objekts ausgehend von den erfassten Messdaten. It also describes a system with a corresponding device comprising a stationary data processing device on which the device is rotatably mounted about the rotation axis. The data processing device can receive measurement data from the Vorrich device and represent acoustic source strengths of the object to be measured. A method according to an embodiment comprises the steps of: providing a rotatably mounted device having at least a first microphone, which is arranged Lich movable, and at least one second stationary microphone; Turning the device in front of an axis of rotation, with the first microphone rotating and the second microphone being fixed; Detecting, by the first and second microphones, sound waves emitted from an object to be measured and simultaneously acquiring spatial coordinates of the first microphone; Calculating and mapping source strengths of the sound emitting object based on the acquired measurement data.
[0010] Die Erfindung beschreibt auch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur bildgeben den Darstellung von akustisch emittierenden Objekten durch die Aufnahme (i) von akusti schen Größen des Schallfeldes mit einem bewegten und einem ortsfesten Sensor, (ii) von Bahnkoordinaten des bewegten Sensors und (iii) eines optischen Abbildes der zu vermes senden Szene durch eine Kamera, sowie die Aufnahme der Daten in einer mit der Sensorik mitbewegten elektronischen Einheit und Weiterleitung an ein Endgerät zur Verarbeitung der Daten und Darstellung der Ergebnisse als Überlagerung des farbkodierten akustischen Bildes mit dem optisch erfassten Bild des zu vermessenden Objekts. The invention also relates to a method and a device for imaging the representation of acoustically emitting objects by recording (i) acoustic quantities of the acoustic field with a moving and a stationary sensor, (ii) track coordinates of the moved sensor and ( iii) an optical image of the scene to be sent by a camera, as well as the recording of the data in a moving together with the sensor electronic unit and forwarding to a terminal for processing the data and displaying the results as a superposition of the color-coded acoustic image with the optically detected Image of the object to be measured.
[0011] Die hier beschriebenen Vorrichtungen können in einer Vielzahl von Anwendun gen eingesetzt werden, insbesondere zur Verifikation von regulativen Anforderungen und gewünschter Klangqualitäten von Produkten aus den Industriesektoren Automotive, Aeros- pace, Consumer Electronics und Industrial Equipment, aber auch im Bereich der Bauakus tik, Qualitätsüberwachung in der Fertigung von Produkten und der Zustandsüberwachung von Maschinen. The devices described here can be used in a variety of applications, in particular for the verification of regulatory requirements and desired sound qualities of products from the industrial sectors automotive, aerospace, consumer electronics and industrial equipment, but also in the field of architectural acoustics , Quality control in the production of products and the condition monitoring of machines.
[0012] Die hier beschriebenen Konzepte zur bildgebenden Darstellung von akustisch emittierenden Objekten können in verschiedenen Anwendungen von Nutzen sein, bei spielsweise weil der Messmittelaufwand im Vergleich zu bekannten Systemen mit ver gleichbarer Leistungsfähigkeit und Bildqualität basierend auf einem Sensorarray und Beamforming-Technologien klein ist. Durch die damit einhergehende Kostenreduktion wird die Technologie einem weiten Anwenderkreis verfügbar gemacht. Die massive Re duktion hinsichtlich Größe und Gewicht erleichtert die Transportfähigkeit und die verrin gerte Komplexität reduziert die Rüstzeit für die Messung und erhöht die Zuverlässigkeit im Betrieb.
[0013] In manchen Anwendungen können die hier beschriebenen Konzepte vorteilhaft eingesetzt werden, da im Vergleich zu bekannten Sensor- Array und Beamforming-Techni- ken eine um ein bis zwei Größenordnungen geringere Datenmenge verarbeitet werden muss, und somit die Anforderungen an die zu verwendende Hardware für Datenerfassung und -Verarbeitung signifikant reduziert sind und das Ergebnis in Form einer Abbildung von akustischen Quellen signifikant schneller berechnet werden kann. The concepts described here for the imaging of acoustically emitting objects can be useful in various applications, for example, because the measuring equipment costs compared to known systems with ver comparable performance and image quality based on a sensor array and beamforming technologies is small. The associated cost reduction makes the technology available to a wide range of users. The massive reduction in size and weight facilitates transportability and the reduced complexity reduces set-up time for the measurement and increases reliability during operation. [0013] In some applications, the concepts described here can be used advantageously, since compared to known sensor arrays and beamforming techniques, a data volume that is smaller by one to two orders of magnitude has to be processed, and thus the requirements for the hardware to be used for data acquisition and processing are significantly reduced and the result in the form of a mapping of acoustic sources can be calculated significantly faster.
KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
[0014] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von den in den Abbildungen dargestell ten Beispielen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Aspekte. Vielmehr wird Wert daraufgelegt, die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. Zu den Abbildungen: The invention will be explained in more detail with reference to the dargestell th in the drawings examples. The illustrations are not necessarily to scale and the invention is not limited to the aspects presented. Rather, it is important to present the principles underlying the invention. To the pictures:
[0015] Figur 1 illustriert anhand eines Blockschaltbildes ein Beispiel einer Methode zur Berechnung eines Abbilds von akustisch emittierenden Objekten basierend auf der Mes sung akustischer Größen und gemessener Eigenschaften der Sensorbewegung. FIG. 1 illustrates a block diagram of an example of a method for calculating an image of acoustically emitting objects based on the measurement of acoustic quantities and measured properties of the sensor movement.
[0016] Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung in einer Vorderan sicht (links, inkl. Blockschaltbild der Elektronikeinheit), sowie in einer Schnittdarstellung (rechts). Figure 2 shows a first embodiment of a device in a front view (left, incl. Block diagram of the electronic unit), as well as in a sectional view (right).
[0017] Figur 3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Vorrichtung in einer Vor deransicht (links, inkl. Blockschaltbild der Elektronikeinheit), einer Schnittdarstellung (Mitte) sowie in einer Rückansicht (rechts, ohne Gehäuseabdeckung und Antrieb). Figure 3 shows an alternative embodiment of the device in a front view (left, incl. Block diagram of the electronics unit), a sectional view (center) and in a rear view (right, without housing cover and drive).
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DETAILED DESCRIPTION
[0018] Die vorliegende Erfindung adressiert das Problem der räumlichen Lokalisierung von akustischen Quellen und wird in der Literatur als„ Direction of A ήna (DoA) Prob lem bezeichnet. Es sei darauf hingewiesen, dass das DoA-Problem und zugehörige Lösun gen in nahezu allen Situationen relevant sein können, in denen die zugrundeliegende Phy sik durch die Ausbreitung von Wellen charakterisiert wird, z.B. Radar, Sonar, Seismologie, Drahtloskommunikation, Radioastronomie, bildgebende Verfahren in der Medizintechnik,
Akustik, etc. Im Falle der Akustik besteht die Aufgabe darin, basierend auf der Messung von physikalischen Größen des Schallfeldes (z.B. mittels Mikrofonen) die Richtung bzw. Position von akustischen Quellen in Bezug auf die Position und Orientierung des beobach tenden Messsystems zu rekonstruieren. The present invention addresses the problem of spatial location of acoustic sources and is referred to in the literature as the "Direction of A" (DoA) problem. It should be noted that the DoA problem and associated solutions may be relevant in almost all situations where the underlying physics is characterized by the propagation of waves, eg radar, sonar, seismology, wireless communication, radio astronomy, imaging in medical technology, Acoustics, etc. In the case of acoustics, the task is based on the measurement of physical quantities of the sound field (eg by means of microphones) to reconstruct the direction or position of acoustic sources with respect to the position and orientation of the observer measuring system.
[0019] Die hier beschriebenen Messmittel- und verfahren werden in kommerziell verfüg baren Lösungen mit einer Videokamera, einem Datenrecorder mit Anschluss an Sensoren und einem Rechner zur Implementierung von Algorithmen zur Rekonstruktion der akusti schen Abbildung kombiniert, siehe z.B. die Systembeschreibung in der Publikation WO 2004/068085 A2. The measuring means and methods described herein are combined in commercially available solutions with a video camera, a data recorder with connection to sensors and a computer for implementing algorithms for reconstructing the acoustic imaging, see e.g. the system description in the publication WO 2004/068085 A2.
[0020] Folgende physikalische Größen und zugehörige Sensortechnologien werden in kommerziell verfügbaren Lösungen zur Schallquellenlokalisierung betrachtet: Druck (un gerichtetes Druckmikrofon); Schallschnelle (Flitzdrahtmikrofon), Schallintensität (Zwei mikrofontechnik); Brechungsindex Luft (Laser-Doppler- Vibrometer); Transversalge schwindigkeit von reflektierenden Oberflächen (Laser-Doppler-Vibrometer). In der wis senschaftlichen Literatur wird auch die Messung der Transversalgeschwindigkeit einer op tisch reflektierenden und akustisch transparenten Membrane mittels eines Laser-Doppler- Vibrometer zur räumlichen Ortung von akustischen Quellen beschrieben. Gewöhnlich wer den die mit den verschiedenen Sensortechnologien erfassten physikalischen Größen elektrisch gewandelt, mit entsprechenden ein- oder mehrkanaligen Datenerfassungssyste men digital erfasst, vorverarbeitet und schließlich dem eigentlichen Messverfahren zuge führt werden. The following physical quantities and associated sensor technologies are considered in commercially available solutions for sound source localization: pressure (un directed pressure microphone); Sonic speed (Flitzdrahtmikrofon), sound intensity (two microphone technology); Refractive index air (laser Doppler vibrometer); Transversal speed of reflecting surfaces (laser Doppler vibrometer). Scientific literature also describes the measurement of the transversal velocity of an optically reflective and acoustically transparent membrane by means of a laser Doppler vibrometer for the spatial location of acoustic sources. Usually, the physical quantities recorded with the various sensor technologies are electrically converted, digitally recorded, preprocessed and finally fed to the actual measuring method by means of corresponding single- or multi-channel data acquisition systems.
[0021] Für die weitere Betrachtung ist die Gliederung der Verfahren in eine erste Gruppe mit mehreren ortsfesten, zeitlich synchronisierten Sensoren (z.B. Mikrofonen), die in der Literatur als Sensor Array bezeichnet wird, und eine zweite Gruppe von Verfahren mit ein zelnen oder mehreren bewegten, zeitlich synchronisierten Sensoren sinnvoll. Sensor Ar- rays können in Abhängigkeit der Anwendung ein-, zwei- oder dreidimensionale geometri sche Anordnungen aufweisen, z.B. linear, ringförmig, kreuzförmig, spiralförmig, kugelför mig, regelmäßig oder zufällig verteilt in einer Ebene oder einem Volumen. Eine Variante in Form eines Rades mit lateral versetzen Speichen ist in der Publikation US 7,098,865 B2 (Originalpublikation DK 174558 B l) beschrieben. Die Konfiguration eines Arrays hin sichtlich der Abstände der Sensoren untereinander bzw. der räumlichen Ausdehnung des
Arrays (Apertur) ist in allen nachstehenden Verfahren maßgeblich für die erreichbare örtli che Auflösung, die Unterdrückung von Artefakten und den maximal erfassbaren Fre quenzinhalt der zu vermessenden akustischen Quellen. For further consideration, the structure of the method in a first group with a plurality of stationary, time-synchronized sensors (eg microphones), which is referred to in the literature as a sensor array, and a second group of methods with a single or several moving , temporally synchronized sensors make sense. Sensor arrays may, depending on the application, have one-, two- or three-dimensional geometrical arrangements, eg linear, annular, cross-shaped, spiral-shaped, spherical, regularly or randomly distributed in one plane or one volume. A variant in the form of a wheel with laterally offset spokes is described in the publication US Pat. No. 7,098,865 B2 (original publication DK 174558 B1). The configuration of an array towards the distances of the sensors with each other or the spatial extent of the Arrays (Apertur) is in all of the following methods for the achievable local resolution, the suppression of artifacts and the maximum detectable Fre quenzinhalt the acoustic sources to be measured.
[0022] Beamforming bezeichnet eine Signalverarbeitungstechnik, die den Zeitversatz aufgrund der unterschiedlichen Laufzeit von der akustischen Quelle zum jeweiligen Sensor im Array bezogen auf den betrachteten Fokuspunkt in einem ersten Schritt korrigiert und in einem zweiten Schritt alle zeitkorrigierten Signale summiert. Das Ausgangssignal des Beamforming Algorithmus ist somit in seiner Amplitude verstärkt, wenn akustische Sig nale aus der Richtung des betrachteten Fokuspunkts kommen bzw. abgeschwächt, wenn diese aus anderen Richtungen kommen. Beamforming entspricht somit einer räumlichen Filterung von akustischen Signalen. Die algorithmische Verknüpfung von Sensorsignalen in der beschriebenen Art und Weise wird auch als„ Delay and Sum“ oder„ Steered Beamforming refers to a signal processing technique that corrects the time offset due to the different duration of the acoustic source to the respective sensor in the array with respect to the considered focus point in a first step and summed in a second step all time-corrected signals. The output signal of the beamforming algorithm is thus amplified in its amplitude when acoustic signals come from the direction of the focus point considered or attenuated, if they come from other directions. Beamforming thus corresponds to a spatial filtering of acoustic signals. The algorithmic linking of sensor signals in the manner described is also referred to as "delay and sum" or "steered
Response Power“ (SRP) Algorithmus bezeichnet. Response Power "(SRP) algorithm.
[0023] Der erste Schritt in der Signalverarbeitung der Sensorsignale, namentlich die zeit liche Korrektur bezogen auf den Fokuspunkt, kann durch einen Filter ersetzt werden, um das Verhältnis von empfangener Signalleistung im Verhältnis zum Signalrauschen zu opti mieren. Die zugehörigen Methoden werden„superdirective beamforming“ und„ adaptive beamforming genannt. Das Verfahren kann auch auf bewegte akustische Quellen ange wandt werden, z.B. vorbeifahrende Züge, Automobile oder rotierende Objekte im Maschi nenbau. The first step in the signal processing of the sensor signals, namely the time Liche correction based on the focal point, can be replaced by a filter to optimize the ratio of received signal power in relation to the signal noise opti. The associated methods are called "superdirective beamforming" and "adaptive beamforming. The method can also be applied to moving acoustic sources, e.g. passing trains, automobiles or rotating objects in machine construction.
[0024] Akustische Holographie im Nahfeld (NAH - Nearfield Acoustic Holography) von schallemittierenden Objekten erzeugt eine Abbildung von Schallquellen auf einer Flä che auf Basis von Messungen mit einem Sensor- Array mit schachbrettartiger Anordnung der Sensoren in einem quellfreien Gebiet, wobei das Array transversal zur Ausbreitungs richtung des Schalls ausgerichtet wird und den Großteil der abstrahlenden Fläche abdecken soll. Im Falle der Messung mit Druckmikrofonen ist der akustische Druck in der Quell ebene durch inverse Fourier-Transformation der (zweidimensional) räumlichen Fourier- Transformation der akustischen Druckverteilung in der Messebene (Hologrammebene) multipliziert mit einer Funktion bestimmt, welche die Phasendrehung von der Holo grammebene in beliebige parallele, quellfreie Ebenen beschreibt. Diese Berechnung sme-
thodik ermöglicht, Schallschnelle und akustische Intensität durch die Eulergleichung zu re konstruieren. Die sogenannte Patch-NAH- Methode adressiert das Problem der Vermessung großer Flächen und Strukturen, wobei die zu vermessende Fläche in kleinere Flächen {Pat ches) unterteilt ist. Eine Erweiterung der NAH-Methode ist die NAH basierte Randele mentmethode ( IBEM ( Inverse Boundary Element Method) based NAH), bei der die Helm- holtz-Integral-Theorie angewandt wird, um die Wirkung von akustischen Quellen auf einer Hülle auf Punkte im Inneren des betrachteten Volumens zu berechnen. Eine Approxima tion der oben genannten Methoden ist in der Literatur als„Helmholtz Equation, Least Squares“ (HELS) Methode bekannt, wobei das akustische Feld durch zulässige Basisfunk tionen mit einem Gütefunktional in Bezug auf den kleinsten quadratischen Fehler angenä hert wird. [0024] Near-field acoustical holography (NAH) of sound-emitting objects generates an image of sound sources on a surface based on measurements with a sensor array with a checkerboard arrangement of the sensors in a swell-free area, the array being transversal to Spreading direction of the sound is aligned and should cover the majority of the radiating surface. In the case of measurement with pressure microphones, the acoustic pressure in the source plane is determined by inverse Fourier transformation of the (two-dimensional) spatial Fourier transformation of the acoustic pressure distribution in the measurement plane (hologram plane) multiplied by a function that the phase rotation of the holo grammebene in describes any parallel, swell-free levels. This calculation Thodik makes it possible to reconstruct sound velocity and acoustic intensity through the Euler equation. The so-called patch-NAH method addresses the problem of measuring large areas and structures, whereby the area to be measured is subdivided into smaller areas {pat ches). An extension of the NAH method is the NAH (Random Boundary Element Method) based approach, which uses the Helmholtz-Integral theory to study the effect of acoustic sources on a shell on internal points of the considered volume. An approximation of the above-mentioned methods is known in the literature as the "Helmholtz Equation, Least Squares" (HELS) method, wherein the acoustic field is approximated by allowable basis functions with a quality functional with respect to the least square error.
[0025] Time Dijference ofArrival (TDOA) bezeichnet eine zweistufige Methode, bei der in einem ersten Schritt für ein Sensor- Array die Zeitverzögerung zwischen Sensorsignalen jeweils örtlich benachbarter Sensorpaare mittels Kreuzkorrelation ermittelt wird. Durch Kenntnis der paarweisen Zeitverzögerungen und örtlichen Position der Sensoren werden Kurven bzw. Flächen generiert und der Schnittpunkt der Kurven bzw. Flächen resultierend aus einem Optimierungsproblem als geschätzte Position der Schallquelle ermittelt. Time Dijference ofArrival (TDOA) refers to a two-stage method in which, in a first step for a sensor array, the time delay between sensor signals of respectively locally adjacent pairs of sensors is determined by means of cross-correlation. By knowing the pairwise time delays and location of the sensors, curves or surfaces are generated and the intersection of the curves or surfaces resulting from an optimization problem is determined as the estimated position of the sound source.
[0026] Der Multiple Signal Classifier (MUSIC) Algorithmus gehört zur Gruppe der Un terraum- {Subspace) Methoden und ermöglicht die Identifikation von mehreren, harmoni schen akustischen Quellen (schmalbandige Quellen) bei hoher örtlicher Auflösung. Basie rend auf einer linearen Abbildung spaltenweise bestehend aus sogenannten Steering“ Vektoren, welche die Signale von mehreren a priori definierten räumlichen Quellen zu ei nem bestimmten Zeitpunkt auf die Messsignale eines Sensor- Array zu einem bestimmten Zeitpunkt abbilden, wird mittels Zerlegung der Kreuzkorrelationsmatrix der Sensorsignale in mathematische Unterräume und Eigenwertberechnung das räumliche Spektrum der Quellenverteilung berechnet. Die Spitzen im Spektrum entsprechen den Richtungen, aus denen der Schah der im Modell parametrierten Quellen eintrifft. ESPRIT {Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Technique) ist eine Adaptierung der oben er wähnten Unterraum-Methode mit dem Ziel, weniger sensitiv auf Variationen bzgl. Positi- ons-, Verstärkungs- und Phasenfehler der Sensoren zu reagieren.
[0027] Die zeitlich synchronisierte, räumliche Abtastung der Sensorsignale eines Sensor- Array in Kreisform induziert im synthetisierten Signal einen Doppler Effekt. Der zeitdis krete Teager-Kaiser- Operator kann verwendet werden, um die Modulationen zu analysie ren und im ebenen Fall die Richtung des eintreffenden Schahs analytisch zu berechnen.The Multiple Signal Classifier (MUSIC) algorithm belongs to the group of subspace {subspace) methods and allows the identification of multiple harmonic acoustic sources (narrowband sources) at high spatial resolution. Based on a linear mapping column-wise consisting of so-called steering "vectors, which map the signals from a plurality of a priori defined spatial sources at a certain time on the measurement signals of a sensor array at a specific time, is by decomposition of the cross-correlation of the sensor signals in mathematical subspaces and eigenvalue computation calculates the spatial spectrum of the source distribution. The peaks in the spectrum correspond to the directions from which the Shah of the sources parameterized in the model arrives. ESPRIT is an adaptation of the abovementioned subspace method with the aim of reacting less sensitively to variations in the position, gain and phase errors of the sensors. The temporally synchronized, spatial sampling of the sensor signals of a sensor array in a circular form induces a Doppler effect in the synthesized signal. The time-discrete Teager-Kaiser operator can be used to analyze the modulations and, in the planar case, to analytically calculate the direction of the incoming shah.
Die Lokalisierung mehrerer Quellen und somit die Berechnung des räumlichen Spektrums der Quellenverteilung wird durch Ermittlung einer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion ba sierend auf der Auswertung von einzelnen Zeitabschnitten realisiert. Alternativ kann der Center of Gravity Algorithmus verwendet werden, um die Rauschempfindlichkeit und Ein schränkungen im tatsächlich nutzbaren Frequenzbereich zu reduzieren. The localization of multiple sources and thus the calculation of the spatial spectrum of the source distribution is realized by determining a probability density function based on the evaluation of individual time segments. Alternatively, the center of gravity algorithm can be used to reduce noise sensitivity and limitations in the actual usable frequency range.
[0028] In der Publikation US 9,357,293 B2 wird ein Frequenzbereichsverfahren basie rend auf dem Abtasten von Mikrofonsignalen von virtuell bewegten Subaperturen eines li nearen Arrays mit hoher Sensoranzahl vorgesteht. Durch die Bewegung der Subaperturen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten entlang des Arrays werden frequenzabhängig un terschiedliche Signalüberlagerungen in Abhängigkeit der Position der akustischen Quellen erzeugt. Diese Informationen über die unterschiedlichen Mischungen und Signalenergien im Frequenzspektrum bei unterschiedlichen Bewegungen der Subaperturen können ver wendet werden, um schließlich auf die Position von akustischen Quellen bei einer be stimmten Frequenz zu schließen. In the publication US 9,357,293 B2 a frequency domain method based on the scanning of microphone signals of virtually moved subapertures of a linear array with a high number of sensors vor. The movement of the subapertures at different speeds along the array generates frequency-dependent un different signal overlays depending on the position of the acoustic sources. This information about the different mixes and signal energies in the frequency spectrum with different subaperture movements can be used to finally conclude the position of acoustic sources at a particular frequency.
[0029] In der sogenannten„ Light refractive tomography“ wird mittels eines Laser Scan ning Vibrometers die Änderung des Brechungsindex des Mediums, in dem sich das Schah feld ausbreitet, entlang des Laserstrahls, der an einem starren Reflektor reflektiert wird, be rechnet. Die Ausrichtung des Laserstrahls ist hierbei transversal zur Ausbreitungsrichtung des Schahfeldes. Als Erweiterung können computertomographische Methoden angewandt werden, um das Schnittbild des akustischen Feldes in der Ebene, in der die Änderung des Brechungsindex berechnet wird, zu rekonstruieren. In the so-called "light refractive tomography", the change in the refractive index of the medium in which the shah field propagates, along the laser beam, which is reflected at a rigid reflector, be calculated by means of a laser scan ning vibrometer. The orientation of the laser beam is in this case transversal to the direction of propagation of the shah field. As an extension, computer tomographic methods can be used to reconstruct the sectional image of the acoustic field in the plane in which the refractive index change is calculated.
[0030] Nachfolgend werden Verfahren mit einzelnen oder mehreren bewegten Sensoren zur Ausnutzung des Doppler Effekts diskutiert. Hereinafter, methods with single or multiple moving sensors for exploiting the Doppler effect will be discussed.
[0031] Durch eine a-priori bekannte Bewegung eines akustischen Sensors auf einer kreis förmigen Bahn wird eine im Raum positionierte akustische Einzelquelle mit konstanter
Frequenz und Amplitude mittels Phase Lock Loop (PLL) Demodulation der Phasenmodu lation des beobachteten Signals lokalisiert. By an a priori known movement of an acoustic sensor on a circular path is positioned in space single acoustic source with constant Frequency and amplitude are localized by phase lock loop (PLL) demodulation of the phase modulation of the observed signal.
[0032] Gemäß der Publikation US 2,405,281 A kann die Richtung, aus der dominante akustische oder elektromagnetische Wellen eintreffen, basierend auf dem Doppler Effekt mittels eines auf einer Kreisbahn bewegten Sensors identifiziert werden. Hierbei wird die gemessene Bandbreite der Dopplerhistorie einer harmonischen Quelle maximal, wenn die Rotationsebene des Sensors orthogonal zur Empfangsrichtung der Quelle ist. Weitere Pub likationen zur Identifikation von einzelnen, dominanten akustischen Quellen durch Bewe gung von einem oder mehreren Mikrofonen unter Ausnutzung des Doppler-Effekts sind EP 2 948 787 Al und EP 2 304 969 B1. According to the publication US 2,405,281 A, the direction from which dominant acoustic or electromagnetic waves arrive can be identified based on the Doppler effect by means of a sensor moved on a circular path. Here, the measured bandwidth of the Doppler history of a harmonic source becomes maximum when the plane of rotation of the sensor is orthogonal to the receive direction of the source. Further publications on the identification of individual, dominant acoustic sources by movement of one or more microphones utilizing the Doppler effect are EP 2 948 787 A1 and EP 2 304 969 B1.
[0033] Die Anwendung von Beamforming für die räumliche Filterung von auf ein Sen- sor-Array (mit gleichmäßig verteilten Sensoren) eintreffenden Schallwellen hat die Ein schränkung, dass die maximal erfassbare (kritische) Frequenz von akustischen Quellen durch den Abstand zweier benachbarter Sensoren eines Arrays definiert ist. Der Versuch, akustische Quellen jenseits dieser Frequenz zu lokalisieren, führt zur Erzeugung von soge nannten„Geisterbildern“ im rekonstruierten akustischen Bild und wird in der Literatur auch als räumlicher Aliasing-Effekt bezeichnet. Die Verwendung eines Sensor- Arrays mit fixer Anordnung von Sensoren jenseits der kritischen Frequenz und die zugehörige Unter drückung von räumlichen Aliasing-Artefakten kann durch räumliche Bewegung des Sen sor- Arrays realisiert werden. Die Punktbildfunktion (point spread function) des Abbil dungssystems bestehend aus einem auf einer Kreisbahn mit konstanter Winkelgeschwin digkeit bewegten Sensor- Arrays kann mittels eines Delay and Sum Algorithmus simuliert und die Unterdrückung von Aliasing Artefakten experimentell mit einer einzelnen harmo nischen Schallquelle verifiziert werden. [0033] The use of beamforming for the spatial filtering of sound waves arriving on a sensor array (with uniformly distributed sensors) has the one limitation that the maximum detectable (critical) frequency of acoustic sources is determined by the distance between two adjacent sensors Arrays is defined. The attempt to localize acoustic sources beyond this frequency leads to the generation of so-called "ghost images" in the reconstructed acoustic image and is also referred to in the literature as a spatial aliasing effect. The use of a sensor array with a fixed arrangement of sensors beyond the critical frequency and the associated suppression of spatial aliasing artifacts can be realized by spatial movement of the Sen sor- arrays. The point spread function of the imaging system consisting of a sensor array moving on a circular path at a constant angular velocity can be simulated by means of a delay and sum algorithm and the suppression of aliasing artifacts can be experimentally verified with a single harmonic sound source.
[0034] Wie bereits am Beginn dieses Abschnitts erwähnt, sind auch Methoden zur Or tung von Quellen oder reflektierenden Strukturen erwähnenswert, die nicht unmittelbar in der Akustik angewandt werden, aber deren zugrundeliegende Physik durch die Ausbrei tung von Wellen charakterisiert wird. So kann ein Radar mit synthetischer Apertur ( Syn - thetic Apertur e Radar (SAR)) eine Abbildung einer Oberfläche liefern, indem das elektro magnetische Feld, welche von einem bewegten Sender mit bekannter Position erzeugt
wird, abgetastet wird. Die Bewegung des Senders relativ zur Oberfläche induziert im kol- lokierten Empfänger einen Doppler Effekt. Mittels Korrelation der gemessenen Dopp lerhistorie, d.h. der zeitliche Verlauf der Dopplerfrequenz des Echos eines Objektes von zunächst positiven Werten hin zu negativen Werten, mit sogenannten Replika (d.h. auf grund der Kenntnis der Bewegung des Senders für jede Entfernung erzeugte Dopplerhisto rien zufolge punktförmiger Reflektoren) wird eine Abbildung der abgetasteten Oberfläche mit hoher Auflösung rekonstruiert. As already mentioned at the beginning of this section, methods for the alignment of sources or reflecting structures are also worth mentioning that are not directly applied in acoustics, but whose underlying physics is characterized by the propagation of waves. For example, a Synthetic Aperture Radar (SAR) radar can provide an image of a surface by generating the electromagnetic field generated by a moving transmitter of known position is being scanned. The movement of the transmitter relative to the surface induces a Doppler effect in the collocated receiver. By correlation of the measured Dopp lerhistorie, ie the time course of the Doppler frequency of the echo of an object from initially positive values to negative values, with so-called replica (ie, based on the knowledge of the movement of the transmitter generated for each distance Doppler Histo rien, according to punctiform reflectors) is reconstructed an image of the scanned surface with high resolution.
|0035] Der grundlegende Gedanke der hier beschriebenen neuen Konzepte ist die Verrin gerung des messmitteltechnischen Aufwands zur Erfassung von Schallfeldinformationen auf ein Minimum bei gleichzeitig besserer Qualität der räumlichen Abbildung von akusti schen Quellen, insbesondere hinsichtlich des Kontrastumfangs, der örtlichen Auflösung und der maximal darstellbaren Frequenz. Messverfahren, die ein Sensor- Array benötigen, haben den inhärenten Nachteil der Verwendung einer Vielzahl von Sensoren, um eine brauchbare örtliche Auflösung mit akzeptablem Kontrastumfang und sinnvoller oberer Grenzfrequenz zu erreichen. [0035] The basic idea of the new concepts described here is the reduction of the measurement-technical effort for the detection of sound field information to a minimum while improving the quality of the spatial imaging of acoustic sources, in particular with regard to the contrast range, the local resolution and the maximum reproducible frequency , Measurement techniques that require a sensor array have the inherent disadvantage of using a variety of sensors to achieve useful local resolution with acceptable contrast range and reasonable upper cutoff frequency.
[0036] Sowohl beim Beamforming als auch bei der akustischen Holographie ist die örtli che Auflösung durch die Aperturgröße des Arrays sowie die maximal darstellbare Fre quenz und das Sichtfeld durch den Abstand der Sensoren untereinander beschrieben. Eine Verbesserung der örtlichen Auflösung bedingt somit eine Erhöhung der Anzahl der Senso ren auf der Messfläche. Both in beamforming and in acoustic holography, the local resolution through the aperture size of the array as well as the maximum representable frequency and the field of view are described by the distance between the sensors. An improvement in the local resolution thus causes an increase in the number of sensors on the measuring surface.
[0037] Die TDOA Methode erlaubt nur die Identifikation der dominantesten Quelle, und die MUSIC/ESPRIT Methoden zeigen Einschränkungen in der Anzahl der identifizierba ren Quellen, deren Obergrenze durch die Anzahl der verwendeten Sensoren festgelegt ist. Sowohl bei TDOA als auch MUSIC/ESPRIT kann die Vermessung eines Schallfeldes mit einer unbekannten Anzahl von akustischen Quellen zu Fehlinterpretationen führen. Das DREAM ( Discrete Representation Array Modelling ) Verfahren benötigt mehrere Durch läufe, um in einem ersten Schritt das Signalspektrum der akustischen Quellen zu charakte risieren, und um schließlich in einem zweiten Schritt daraus die Größe und Geschwindig keiten der Subapertur eines Lineararrays zu bestimmen. Durch das sequentielle Vorgehen zur Bestimmung der Konfiguration ist das Verfahren für die Messung von akustischen Ein zelereignissen ohne a priori Information nicht anwendbar.
[0038] Das erwähnte Verfahren der Light Refractive Tomography stellt den Messtechni ker vor die Herausforderung, ein vibrationsfreies Umfeld für das Laser Scanning Vibrome ter und den starren Reflektor zu schaffen, da die Änderung des Brechungsindex des Medi ums zufolge des Schallfelds typischerweise mehrere Größenordnungen unter dem Vibrati onsniveau der verursachenden Quelle liegt. So wie bei Beamforming und akustischer Ho lographie ist ein Array von Laser Doppler Vibrometern entlang des Umfangs des zu rekon struierenden Schnittbildes notwendig, um eine brauchbare örtliche Auflösung zu erreichen. Der messmitteltechnische Aufwand zur Realisierung eines Arrays mit Laser Doppler Vibrometern liegt aufgrund der Komplexität der verwendeten Messmittel um Größenord nungen höher als bei Arrays mit Druck- oder Schallschnellsensoren. The TDOA method only allows identification of the most dominant source, and the MUSIC / ESPRIT methods show limitations in the number of identifiable sources whose upper limit is determined by the number of sensors used. In both TDOA and MUSIC / ESPRIT, measuring a sound field with an unknown number of acoustic sources can lead to misinterpretations. The DREAM (Discrete Representation Array Modeling) method requires several runs in order to characterize the signal spectrum of the acoustic sources in a first step, and finally to determine the size and speeds of the sub-aperture of a linear array in a second step. Due to the sequential procedure for determining the configuration, the method for the measurement of single acoustic events without a priori information is not applicable. The mentioned method of light refractive tomography provides the Messtechni ker before the challenge to create a vibration-free environment for the Laser Scanning Vibrome ter and the rigid reflector, since the change in the refractive index of the medi ums according to the sound field typically several orders of magnitude below the Vibration level of the causative source is. As with beamforming and acousticography, an array of laser Doppler vibrometers along the circumference of the reconstructed slice image is necessary to achieve useful spatial resolution. The complexity of the measuring equipment for realizing an array with laser Doppler vibrometers is due to the complexity of the measuring means used orders of magnitude higher than in arrays with pressure or sound velocity sensors.
[0039] Die Methoden, welche die Demodulation einer Phasenmodulation des beobachte ten Signals eines kreisförmig bewegten Sensors verwenden, funktionieren in der Regel nur für die Identifikation einer harmonischen Quelle mit konstanter Amplitude und Frequenz bzw. einer dominanten, stationären Quelle. The methods which use the demodulation of a phase modulation of the observed ten signal of a circularly moving sensor usually work only for the identification of a harmonic source with constant amplitude and frequency or a dominant, stationary source.
[0040] Fig. 1 illustriert in einem Blockschaltbild ein Beispiel einer Signalverarbeitungs methode, die bei den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen zur Ermittlung einer Ab bildung von schallemittierenden Objekten (sogenannte akustische Bilder, in denen der Schalldruck z.B. farblich codiert ist) eingesetzt werden kann. Die weiter unten noch detail lierter beschriebenen Ausführungsbeispiele verwenden jeweils einen Sensor (z.B. Mikro fon) mit bekannter, fester Position M2 und einen oder mehrere entlang einer Kreisbahn be wegte Sensoren. Im vorliegenden Beispiel wird ein bewegtes Mikrofon betrachtet, dessen beispielsweise kreisbahnförmige oder spiralförmige Bewegung durch die zeitabhängige Position M1(t) beschrieben wird. Die Trajektorie M1(t) muss aber nicht zwangsläufig ent lang einer Kreisbahn oder einer Spiralbahn verlaufen. Bei kreis- oder spiralförmigen Trajektorien lässt sich jedoch die Momentanposition M1(t) vergleichsweise leicht mittels eines Winkelsensors (Drehwinkel-Encoder) ermitteln. Fig. 1 illustrates in a block diagram an example of a signal processing method, which in the embodiments described herein for determining an Ab education of sound-emitting objects (so-called acoustic images in which the sound pressure is for example color coded) can be used. The embodiments described further below detail each use a sensor (eg micro phone) with a known, fixed position M 2 and one or more along a circular path be wegte sensors. In the present example, a moving microphone is considered, whose circular or spiral movement is described by the time-dependent position M 1 (t), for example. However, the trajectory M 1 (t) does not necessarily have to run along a circular path or a spiral path. In the case of circular or spiral trajectories, however, the instantaneous position M 1 (t) can be determined comparatively easily by means of an angle sensor (rotation angle encoder).
[0041] Als Eingangsgrößen des Verfahrens werden folgende Größen betrachtet: (i) ein Rekonstruktionspunkt R beschrieben durch Raumkoordinaten bezogen auf ein Koordina tensystem, dessen Ursprung am Ort M2 des ortsfesten Sensors ist; (ii) die Sensorsignale des bewegten ersten Sensors (Mikrofonsignal Pi(t)) und des ortsfesten zweiten Sensors
(Mikrofonsignal p2(t); (iii) die Bewegung M1(t) des ersten bewegten Sensors beschrie ben durch Raumkoordinaten bezogen auf das Koordinatensystem, dessen Ursprung am Ort des ortsfesten Sensors ist; (iv) die Beobachtungsdauer T, die durch die vollständige Abtas tung der Apertur definiert ist (z.B. eine Umdrehung mit einem auf einer Kreisbahn geführ ten Sensor) und die die zeitliche Fensterung der Zeitsignale für die Transformation in den Frequenzbereich bestimmt; und (v) das beobachtete Frequenzband [ 1 F2 ]. The following quantities are considered as input variables of the method: (i) a reconstruction point R described by spatial coordinates relative to a coordinate system whose origin is at location M 2 of the stationary sensor; (ii) the sensor signals of the moving first sensor (microphone signal Pi (t)) and the stationary second sensor (Microphone signal p 2 (t); (iii) the movement M 1 (t) of the first moving sensor described by spatial coordinates with respect to the coordinate system whose origin is at the location of the fixed sensor; (iv) the observation period T determined by the full aperture aperture is defined (eg one revolution with a sensor guided on a circular path) and which determines the temporal windowing of the time signals for the transformation into the frequency domain, and (v) the observed frequency band [ 1 F 2 ].
[0042] In einem ersten Schritt wird das Zeitsignal c(ί) des bewegten Sensors zum Zeit punkt t = 0 in den Rekonstruktionspunkt R mit dem Wert t1 = d(R, M1)t=0/c zeitlich rückpropagiert (zeitlich zurück verschoben), wobei d^R. M-^) den Abstand zwischen dem Rekonstruktionspunkt R und der Position des bewegten Sensors und c die Ausbreitungsge schwindigkeit von Störungen im betrachteten Medium bezeichnet (Schallgeschwindigkeit). In einem zweiten Schritt wird das Zeitsignal p1(t + tc) durch ein zeitvariantes Fractional- Delay- Filter mit einer variablen Zeitverzögerung 2t — d zeitlich verschoben. Die zeitlich variable Zeitverzögerung d =
+ dt(M1) bezeichnet die zeitliche Differenz, die die akustische Störung im betrachteten Medium vom Rekonstruktionspunkt R zum Ort M1 des bewegten Sensors benötigt dt ist eine Funktion der Position des bewegten Mikrofons M1. In einem dritten Schritt wird das Zeitsignal wie im ersten Schritt in den Rekonstruktions punkt R zeitlich rückpropagiert (um den Wert t1 ). Das resultierende Zeitsignal p1(t) reprä sentiert nun ein akustisches Signal, das im Rekonstruktionspunkt R von einer virtuellen Schallquelle (akustischer Monopol) abgestrahlt wird, und dieses Zeitsignal p1(t) wird dann abschließend, in einem vierten Schritt, in den Ort M2 des ortsfesten Sensors mit Zeit verzögerung t2 = d(R, M2)/C vorwärtspropagiert (zeitlich vorwärts verschoben), wobei d(R, M2 ) den Abstand zwischen dem Rekonstruktionspunkt R und der Position des ortsfes ten Sensors bezeichnet. Für eine tatsächlich abstrahlende Quelle im Rekonstruktionspunkt R sind die durch die Bewegung M1 des ersten Sensors verursachten zeitlich variablen Dopplerverschiebungen kompensiert. Das resultierende Zeitsignal Pi(t) ist somit - für eine abstrahlende Quelle im Rekonstruktionspunkt R - die örtliche Abbildung des Zeitsig nals Pi(t) des bewegten Sensors auf die Position M2 des ortsfesten Sensors. Zeitsignalbei träge von tatsächlich abstrahlenden Quellen abseits des Rekonstruktionspunkts R erfahren zusätzliche zeitlich variable Dopplerverschiebungen.
[0043] Mit den Zeitsignalen p2 (t) und c(ί) wird nun im Frequenzbereich die Kohärenz schätzung Cp2p^(f) auf Basis der spektralen Leistungsdichtefunktionen Pp2p2(f ) und Pp^p^(f) sowie der spektralen Kreuzleistungsdichtefunktion Pp2p^(f) ermittelt, wobei
In a first step, the time signal c (ί) of the moving sensor at the time point t = 0 in the reconstruction point R with the value t 1 = d (R, M 1 ) t = 0 / c time back propagated (temporally back shifted), where d ^ R. M-) denotes the distance between the reconstruction point R and the position of the moved sensor and c the propagation speed of disturbances in the medium under consideration (speed of sound). In a second step, the time signal p 1 (t + t c ) is shifted in time by a time-varying fractional delay filter with a variable time delay 2t-d. The time-variable time delay d = + dt (M 1 ) denotes the time difference that the acoustic interference in the medium under consideration requires from the reconstruction point R to the location M 1 of the moved sensor dt is a function of the position of the moving microphone M 1 . In a third step, the time signal as in the first step in the reconstruction point R back propagated time (by the value t 1) . The resulting time signal p 1 (t) now represents an acoustic signal which is radiated at the reconstruction point R from a virtual sound source (acoustic monopole), and this time signal p 1 (t) is then finally, in a fourth step, into place M 2 of the stationary sensor with time delay t 2 = d (R, M 2 ) / C propagated forward (forward shifted), where d (R, M 2 ) denotes the distance between the reconstruction point R and the position of the ortsfes th sensor. For an actual radiating source in the reconstruction point R, the time-varying Doppler shifts caused by the movement M 1 of the first sensor are compensated. The resulting time signal Pi (t) is thus - for a radiating source at the reconstruction point R - the local mapping of the time signal Pi (t) of the moving sensor to the position M 2 of the stationary sensor. Time signal contributions from actually radiating sources away from the reconstruction point R experience additional time-varying Doppler shifts. With the time signals p 2 (t) and c (ί) is now in the frequency domain, the coherence estimate C p2p ^ (f) based on the spectral power density functions P p2p2 (f) and P p ^ p ^ (f) and the determined spectral cross power density function P p2p ^ (f), where
Die geschätzte Kohärenz Cp2p^(/) kann nun mit der spektralen Leistungsdichtefunktionen Pp p (/) multipliziert werden und somit durch Integration für ein beobachtetes Frequenz band - definiert durch eine untere Frequenz
und eine obere Frequenz F2 des betrachte ten Frequenzbandes - gemäß The estimated coherence C p2p ^ (/) can now be multiplied by the spectral power density functions P pp (/) and thus by integration for an observed frequency band - defined by a lower frequency and an upper frequency F 2 of the considered frequency band - according to
Q = z W/) /) df ausgewertet werden. Das auf diese Weise definierte Maß Q entspricht dem Beitrag der vom Rekonstruktionspunkt R in dem Frequenzband [Fl F2] abstrahlenden Quelle zu der am Ort M2 des ortsfesten Sensors gemessenen Signalleistung. Dieser Beitrag ist bezogen auf die Signalleistung im Referenzpunkt M2 (Ort des ortsfesten Mikrofons) und kann bei spielsweise in dB angegeben werden. Q = z W / ) / ) d f are evaluated. The measure Q defined in this way corresponds to the contribution of the source radiating from the reconstruction point R in the frequency band [F 1 F 2 ] to the signal power measured at the location M 2 of the stationary sensor. This contribution is related to the signal power in the reference point M 2 (location of the fixed microphone) and can be given in dB, for example.
[0044] Während Figur 1 die Rekonstruktion der akustischen Quellstärke in einem Rekon struktionspunkt R im Raum zeigt, gelingt die Ausweitung dieses Konzepts auf eine belie big geformte Fläche durch örtliche Diskretisierung der Fläche in eine Vielzahl von Rekon struktionsunkten und Berechnung der akustischen Quellstärken in den jeweiligen diskreten Rekonstruktionspunkten. Abschließend kann die Abbildung der berechneten Quellstärken in den Rekonstruktionspunkten einem (z.B. mittels einer Kamera) optisch erfassten Bild der Messszene überlagert werden, um eine örtliche Zuordnung zu ermöglichen. In einem Ausführungsbeispiel kann die Fläche, auf der die Rekonstruktionspunkte liegen, eine Bild ebene sein, die z.B. rechtwinklig zu einer Rotationsachse liegt, um die das bewegte Mikro fon rotiert, und die in einem definierten, vorgebbaren Abstand zu dem ortsfesten Mikrofon liegt.
[0045] Figur 2 zeigt ein System zur Ortung und Abbildung von akustischen Quellen und deren Stärke in einer Messszene mit einer oder mehreren Schallquellen. Das System um fasst eine Vorrichtung, die als eine bewegliche Rahmenkonstruktion 100 ausgebildet ist, und ein damit verbundenes, ortsfestes Datenverarbeitungsgerät, das ein mobiles Gerät 20 (i mobile device ) mit einer Kamera 21 sein kann (z.B. ein Smartphone oder ein Tablet-PC). Weitere Arten von Datenverarbeitungsgeräten, die imstande sind, Daten über eine drahtge bundene oder drahtlose Kommunikationsverbindung zu empfangen und zu senden sowie Bilder abzubilden, können ebenso verwendet werden. While Figure 1 shows the reconstruction of the acoustic source strength in a recon struction point R in space, the expansion of this concept to a belie big shaped surface by local discretization of the surface in a variety of recon struction points and calculation of the acoustic source strengths in the respective succeeds discrete reconstruction points. Finally, the image of the calculated source strengths in the reconstruction points can be superimposed on an image of the measurement scene which is optically acquired (for example by means of a camera) in order to enable a spatial assignment. In one embodiment, the surface on which the reconstruction points lie may be an image plane which is, for example, at right angles to a rotation axis about which the moving microphone rotates, and which lies at a defined, predeterminable distance from the stationary microphone. Figure 2 shows a system for locating and imaging of acoustic sources and their strength in a measurement scene with one or more sound sources. The system includes a device configured as a movable frame structure 100 and a fixed stationary computing device connected thereto that may be a mobile device 20 (i mobile device) having a camera 21 (eg, a smartphone or a tablet PC). , Other types of computing devices that are capable of receiving and transmitting data over a wired or wireless communication link and images may also be used.
[0046] Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Rahmenkonstruktion 100 drehbar um eine (ortsfeste) Achse 54 gelagert (Achse 54 mit Drehachse A). Im Zentrum der Drehbe wegung, d.h. auf der Drehachse A ist das oben erwähnte ortsfeste Mikrofon 11 (Position M2) angeordnet, wohingegen entlang einer Längsachse der Rahmenkonstruktion 100 meh rere (z.B. elektronisch gemultiplexte) Mikrofone 10 angeordnet sind. Die erwähnte Längs achse der Rahmenkonstruktion 100 steht rechts winklig auf die Drehachse A, weshalb bei einer Rotation der Rahmenkonstruktion 100 um die Achse 54 sich die Mikrofone 10 auf einer Kreisbahn um die Drehachse A bewegen. In der Rahmenkonstruktion 100 kann auch eine Elektronikeinheit 40 angeordnet sein, mit der die Mikrofone 10 und 11 verbunden sind. Anstatt einer Starrachse 54 kann auch eine drehbare Welle mit der Drehachse A ver wendet werden. According to one embodiment, the frame structure 100 is rotatably supported about a (fixed) axis 54 (axis 54 with axis of rotation A). In the center of the Drehbe movement, ie on the axis of rotation A, the above-mentioned fixed microphone 11 (position M 2 ) is arranged, whereas 100 meh rere (eg electronically multiplexed) microphones 10 are arranged along a longitudinal axis of the frame structure. The aforementioned longitudinal axis of the frame structure 100 is right angle to the axis of rotation A, which is why upon rotation of the frame structure 100 about the axis 54, the microphones 10 move on a circular path about the axis of rotation A. An electronic unit 40 may also be arranged in the frame construction 100, to which the microphones 10 and 11 are connected. Instead of a rigid axle 54 and a rotatable shaft with the axis of rotation A can be used ver.
[0047] Zur Energieversorgung kann die Elektronikeinheit 40 eine Batterie 49 aufweisen, welche die übrigen Komponenten der Elektronikeinheit mit einer Versorgungs Spannung versorgt. Die Ladeeinheit 44 dient zum Laden der Batterie 49. Jedoch sind auch andere Formen der Spannungsversorgung möglich. Gemäß dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel umfasst die Elektronikeinheit 40 weiter (i) einen (z.B. magnetischen oder optischen) Dreh- winkel-Encoder 16 für die Bestimmung der Winkelposition der Rahmenkonstruktion 100 in Bezug auf die Drehachse A, (ii) einen Mikrofon Verstärker 41 für die analoge Vorverstär kung der Sensorsignale p2 (t) und c(ί) des ortsfesten Mikrofons 10 und des bewegten Mikrofons 11, (iii) eine Datenerfassungsvorrichtung (Analog-Digital-Wandler 42, Speicher 46) zur Digitalisierung und Speicherung der Sensorsignale der Mikrofone 10, 11 sowie des Drehwinkel-Encoders 16, (iv) einen elektronischen Multiplexer 45 zur Auswahl des mit ei ner Datenerfassungs Vorrichtung verbundenen bewegten Mikrofons 10 und (v) ein Modul 47 zur drahtlosen Übertragung der erfassten Daten an das mobile Gerät 20 zum Zweck der
weiteren Verarbeitung der Messdaten bzw. Analyse durch den Anwender. Ein Mikrocon troller 43 steuert den Multiplexer 45, den Analog-Digital-Wandler 42, den Datenfluss und die Datenübertragung. Zur Erfassung der Raumkoordinaten M1(t) der bewegten Mikro fone können auch andere Sensorsysteme verwendet werden, wie zum Beispiel Systeme umfassend einen Winkelgeschwindigkeitssensor und einen dreiachsigen Beschleunigungs sensor oder Motion-Tracking-Systeme zur direkten Erfassung der Bewegung. For power supply, the electronics unit 40 may include a battery 49 which supplies the remaining components of the electronics unit with a supply voltage. The charging unit 44 is for charging the battery 49. However, other forms of power supply are possible. According to the example illustrated in FIG. 2, the electronics unit 40 further comprises (i) a rotary encoder (eg, magnetic or optical) 16 for determining the angular position of the frame structure 100 with respect to the axis of rotation A, (ii) a microphone amplifier 41 for the analog Vorverstär kung of the sensor signals p 2 (t) and c (ί) of the fixed microphone 10 and the moving microphone 11, (iii) a data acquisition device (analog-to-digital converter 42, memory 46) for digitizing and storing the sensor signals the microphones 10, 11 and the rotary encoder 16, (iv) an electronic multiplexer 45 for selecting the moving microphone connected to egg ner data acquisition device 10 and (v) a module 47 for wireless transmission of the collected data to the mobile device 20 for Purpose of Further processing of the measurement data or analysis by the user. A Mikrocon controller 43 controls the multiplexer 45, the analog-to-digital converter 42, the data flow and data transmission. For detecting the spatial coordinates M 1 (t) of the moving microphones, other sensor systems may also be used, such as systems comprising an angular velocity sensor and a triaxial acceleration sensor or motion tracking systems for direct detection of the movement.
[0048J Das mobile Gerät 20 mit integrierter Kamera 21 ist mit seiner optischen Achse pa rallel zur Drehachse A ausgerichtet, empfängt auf drahtlosem Weg die digitalisierten Messdaten von der Elektronikeinheit 40 und sendet diese z.B. über eine drahtlose Netz werkverbindung an einen Cloud-Computing-Service zur Berechnung der akustischen Ab bildung gemäß dem oben mit Bezug auf Fig. 1 beschriebenen Verfahren und überlagert das (vom Cloud-Computing-Service) berechnete Ergebnis mit dem von der Kamera 21 erfass ten optischen Bild der Messszene mit den darin enthaltenen Schallquellen. Die Berechnun gen werden an einen Cloud-Computing-Service ausgelagert, um unter anderem den Leis tung s verbrauch des mobilen Endgeräts zu entlasten, Daten im Fall von Dauermessungen fortlaufend und nachhaltig zu speichern, die Zugänglichkeit der Daten für andere Benutzer mit entsprechenden Zugangsrechten zu vereinfachen sowie die webbasierte Einbindung des Sensors in beliebige mess- und regeltechnische Systeme zu ermöglichen. Die Auslage rung der Rechenleistung muss auch nicht notwendigerweise an einen Cloud-Computing- Service erfolgen, vielmehr können die Berechnungen auch von einem beliebigen anderen mit dem mobilen Gerät 20 verbundenen Computer (z.B. einer Workstation) durchgeführt werden. The mobile device 20 with integrated camera 21 is aligned with its optical axis parallel to the axis of rotation A, wirelessly receives the digitized measurement data from the electronics unit 40 and transmits them e.g. via a wireless network connection to a cloud computing service for calculating the acoustic imaging according to the method described above with reference to FIG. 1 and superimposes the result (calculated by the cloud computing service) with that acquired by the camera 21 optical image of the measurement scene with the sound sources contained therein. The calculations are outsourced to a cloud computing service in order, among other things, to relieve the power consumption of the mobile terminal, to store data permanently and sustainably in the case of continuous measurements, to simplify the accessibility of the data to other users with corresponding access rights as well as the web-based integration of the sensor into any measuring and control systems. Also, computing performance does not necessarily have to be provided to a cloud computing service, rather, the computations may also be performed by any other computer (e.g., a workstation) connected to the mobile device 20.
[0049] Die Drehung der Rahmenkonstruktion 100 kann über einen manuellen oder einen elektrischen Antrieb 30 (Elektromotor) erfolgen. Als Alternative wäre auch ein Antrieb durch ein mechanisches Federwerk möglich. Im dargestellten Beispiel ist die Kraftübertra gung des Antriebs 30 über ein Antriebsrad 31 realisiert ist, das mit der Rahmenkonstruk tion 100 starr verbunden und auf der Achse 54 drehbar gelagert ist. Die Achse 54 und der Antrieb 30 sind ortsfest und beispielsweise an der Halterung 22 montiert. Das Antriebsrad 31 wird z.B. über ein Ritzel 32 an der Motorwelle des Elektromotors angetrieben. Ein Con troller zur Ansteuerung des Elektromotors 30 inklusive Batterie oder einem Anschluss für eine externe elektrische Energiezufuhr ist in die Halterung 22 integriert. Die Halterung 22
kann z.B. auf einem Stativ angeordnet sein (wie es beispielsweise auch für Kameras be nutzt wird). The rotation of the frame structure 100 can be done via a manual or an electric drive 30 (electric motor). As an alternative, a drive would be possible by a mechanical spring mechanism. In the example shown, the power transmission of the drive 30 is realized via a drive wheel 31, the tion with the Rahmenkonstruk 100 rigidly connected and rotatably mounted on the shaft 54. The axis 54 and the drive 30 are stationary and, for example, mounted on the bracket 22. The drive wheel 31 is driven, for example via a pinion 32 on the motor shaft of the electric motor. A Con troller for controlling the electric motor 30 including battery or a connection for an external electrical power supply is integrated into the holder 22. The bracket 22 For example, it can be arranged on a tripod (as it will, for example, also be used for cameras).
[0050] In einem Ausführungsbeispiel kann das Gehäuse 13 (d.h. die äußere Hülle) der Rahmenkonstruktion 100 einen Querschnitt (normal zu Längsachse der Rahmenkonstruk tion 100) aufweisen, der die Form eines aerodynamischen Flügelprofils 12 hat. Dies hat den Vorteil, dass durch die Rotationsbewegung der Rahmenkonstruktion 100 keine aeroa- kustischen Quellen verursacht werden oder deren Entstehen zumindest stark reduziert wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind vier Mikrofone 10 an der Rahmen konstruktion 100 angeordnet, die mit der Rahmenkonstruktion 100 mitrotieren. Das Mikro fon 11 befindet sich wie erwähnt an einer Position auf der Drehachse und ändert daher seine Position nicht. Die Mikrofone 10, 11 sind entlang der Längsachse der Rahmenkon struktion 100 angeordnet, wobei ein Abstand zwischen zwei benachbarten Mikrofonen je weils gleich sein kann (was nicht notwendigerweise der Fall sein muss). In dem dargestell ten Beispiel sind die bewegten Mikrofone 10 auf einer Seite der Rahmenkonstruktion 100 angeordnet, während die Elektronikeinheit 40 und eine Wuchtmasse 17 auf der anderen Seite der Rahmenkonstruktion 100 angeordnet sind. Die Wuchtmasse 17 kann so dimensi oniert und positioniert werden, dass die an sich unsymmetrische Rahmenkonstruktion 100 bei einer Drehung um die Drehachse A keine Unwucht aufweist. Auch bei einer symmetri schen Ausgestaltung der Rahmenkonstruktion wird in der Regel eine Wuchtmasse 17 not wendig sein, da die Massen der an der Rahmenkonstruktion 100 befestigten Komponenten nicht symmetrisch in Bezug auf die Drehachse sind. In one embodiment, the housing 13 (i.e., the outer shell) of the frame structure 100 may have a cross-section (normal to the longitudinal axis of the frame construction 100) that is in the form of an aerodynamic wing profile 12. This has the advantage that due to the rotational movement of the frame construction 100, no aeroacoustic sources are caused or their occurrence is at least greatly reduced. In the present embodiment, four microphones 10 are arranged on the frame construction 100, which rotate with the frame construction 100. The micro phone 11 is as mentioned at a position on the axis of rotation and therefore does not change its position. The microphones 10, 11 are arranged along the longitudinal axis of the Rahmenkon construction 100, wherein a distance between two adjacent microphones depending Weil can be the same (which does not necessarily have to be the case). In the dargestell th example, the moving microphones 10 are arranged on one side of the frame structure 100, while the electronic unit 40 and a balance mass 17 are arranged on the other side of the frame structure 100. The balancing mass 17 can be dimensioned and positioned so that the inherently asymmetrical frame construction 100 does not exhibit any imbalance when rotated about the axis of rotation A. Even with a symmetri rule embodiment of the frame structure is a balance mass 17 is not agile in the rule, since the masses of the attached to the frame structure 100 components are not symmetrical with respect to the axis of rotation.
[0051] Gemäß dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel können die Mikrofone 10, 11 über eine elastische Lagerung 15 an der Rahmenkonstruktion 100 befestigt sein. Die elastische Lagerung 15 kann helfen, die Mikrofone 10, 11 von der Rahmenkonstruktion 100 mecha nisch zu entkoppeln und die Übertragung von Vibrationen, die z.B. durch den Antrieb 30 oder die Drehlager 50 verursacht werden, auf die Mikrofone zu verhindern. In anderen Worten, die elastische, dämpfende Lagerung der Mikrofone 10, 11, bewirkt eine Unterbre chung des Körperschallpfades zu den Mikrofonen. In dem dargestellten Beispiel können am Gehäuse 13 der Rahmenkonstruktion 100 Windschutzelemente 14 vorgesehen sein, welche die Mikrofone 10, 11 abdecken, um die Einkopplung von Windgeräuschen und Signalen anderer aeroakustischer Quellen in die Sensorsignale zufolge der Bewegung der
Rahmenkonstruktion 100 zu unterdrücken. Je nach Anwendung sind diese Windschutzele mente 14 optional. According to the example shown in FIG. 2, the microphones 10, 11 may be secured to the frame structure 100 via an elastic support 15. The elastic support 15 may help to mechanically decouple the microphones 10, 11 from the frame structure 100 and to prevent the transmission of vibrations caused, for example, by the drive 30 or the pivot bearings 50 to the microphones. In other words, the elastic, damping mounting of the microphones 10, 11, causes an interruption tion of the structure-borne sound path to the microphones. In the illustrated example, windshield elements 14 covering the microphones 10, 11 may be provided on the housing 13 of the frame structure 100 to detect the coupling of wind noise and signals from other aeroacoustic sources into the sensor signals due to movement of the microphones Frame structure 100 to suppress. Depending on the application, these Windschutzele elements 14 are optional.
[0052] Zusammenfassend kann die Funktion des in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbei spiels wie folgt beschrieben werden: Bei einer Drehung der Rahmenkonstruktion 100 um die Achse A ändert das ortsfeste Mikrofon 11 seine Position nicht, während die anderen Mikrofone 10 einer kreisförmigen Bahn folgen. Die Mikrofone 10, 11 erfassen die von akustischer Quellen emittierten Schallwellen in Form eines Schalldrucks, während der Drehwinkel-Encoder 16 die Raumkoordinaten der bewegten Mikrofone 10 erfasst. Die Raumkoordinaten sind durch die Winkelstellung der Rahmenkonstruktion 100 und der (fi xen) Position der Mikrofone 10 relativ zur Rahmenkonstruktion 100 definiert. Die erhalte nen Sensorsignale werden von der Elektronikeinheit 40 empfangen, digitalisiert und an das Mobilgerät 20 gesendet. Dieses kann wie oben erläutert selbst die Quellstärken der am ver messenen Objekt vorhandenen Schallquellen aus den empfangenen Messdaten berechnen, oder die Berechnung an eine externe Recheneinheit auslagem. Die Kamera 21 erfasst ein optisches Bild des zu vermessenden Objekts (oder mehrerer Objekte), welchem die berech neten Quellstärken überlagert werden können, um eine bildliche Darstellung und Zuord nung der akustischen Quellen und deren Quellstärke zu dem optischen Kamerabild zu er halten. Beispielsweise kann das optische Bild in schwarz-weiß aufgenommen werden und die Quellstärke in dem Bild farblich codiert werden. In summary, the function of the game Ausführungsbei shown in Fig. 2 can be described as follows: Upon rotation of the frame structure 100 about the axis A, the stationary microphone 11 does not change its position, while the other microphones 10 follow a circular path. The microphones 10, 11 detect the sound waves emitted by acoustic sources in the form of a sound pressure, while the rotation angle encoder 16 detects the spatial coordinates of the moving microphones 10. The spatial coordinates are defined by the angular position of the frame construction 100 and the position of the microphones 10 relative to the frame structure 100. The received NEN sensor signals are received by the electronic unit 40, digitized and sent to the mobile device 20. As explained above, this can itself calculate the source strengths of the sound sources present at the measured object from the received measurement data, or it can output the calculation to an external arithmetic unit. The camera 21 captures an optical image of the object (or objects) to be measured, to which the calculated source strengths can be superimposed in order to obtain a visual representation and assignment of the acoustic sources and their source strength to the optical camera image. For example, the optical image can be recorded in black and white and the source strength in the image can be color coded.
[0053] Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Systems zur Ortung und Abbil dung von akustischen Quellen an einem zu vermessenden Objekt. Das System gemäß Fi gur 3 unterscheidet sich von dem System gemäß Figur 2 lediglich in der Gestaltung der Rahmenkonstruktion 200. Anstatt der vier Mikrofone 10, die entlang einer Kreisbahn be wegbar sind, ist im vorliegenden Beispiel nur ein bewegliches Mikrofon 10 vorgesehen, welches an der Rahmenkonstruktion 200 radial (entlang dessen Längsachse) verschiebbar gelagert ist. Der Abstand zwischen dem Mikrofon 10 und der Drehachse (und damit der Radius der Kreisbewegung des Mikrofons 10) kann somit variiert werden. Andere Anord nungen der Mikrofone, insbesondere mit mehreren verschiebbar gelagerten Mikrofonen 10 sind ebenso möglich.
[0054] Durch eine Veränderung (Vergrößerung oder Verkleinerung) des radialen Abstan des zwischen dem Mikrofon 10 und der Drehachse A während sich die Rahmenkonstruk tion 200 dreht, vollführt das Mikrofon 10 effektiv eine spiralförmige Bewegung um die Drehachse A. Eine Einstellbarkeit des Abstandes zwischen Mikrofon 10 und der Dreh achse A (also die Position des Mikrofons 10 relativ zur Rahmenkonstruktion 200 kann z.B. durch eine Seilzug Vorrichtung 60 erreicht werden. Dabei kann ein Seil 61 mit einer Mikro fonhalterung 65 verbunden sein, die linear verschiebbar an der Rahmenkonstruktion 200 gelagert ist. Dazu kann die Rahmenkonstruktion 200 z.B. zwei Führungsstäbe 62 aufwei sen, die im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Rahmenkonstruktion liegen und an denen die Mikrofonhalterung 65 entlang gleiten kann. Somit bilden die Führungsstäbe 62 zusammen mit der Mikrofonhalterung eine Linearführung für das Mikrofon 10. Das Seil 61 ist in dem dargestellten Beispiel um mehrere Umlenkrollen 63 sowie um eine mit der Achse 54 starr verbundene Scheibe 66 geführt. Im dargestellten Beispiel verläuft das Seil teilweise durch einen der (hohlen) Führungsstäbe 62 hindurch. FIG. 3 shows a further embodiment of a system for locating and imaging acoustic sources on an object to be measured. The system according to Fi gur 3 differs from the system according to Figure 2 only in the design of the frame structure 200. Instead of the four microphones 10, which can be wegbar along a circular path, only a movable microphone 10 is provided in the present example, which at the Frame structure 200 is mounted radially (along the longitudinal axis) displaceable. The distance between the microphone 10 and the axis of rotation (and thus the radius of the circular motion of the microphone 10) can thus be varied. Other Anord openings of the microphones, especially with multiple slidably mounted microphones 10 are also possible. By a change (increase or decrease) of the radial Abstan of between the microphone 10 and the rotation axis A while the Rahmenkonstruk tion 200 rotates, the microphone 10 effectively performs a spiral movement about the axis of rotation A. An adjustability of the distance between microphone 10 and the axis of rotation A (that is, the position of the microphone 10 relative to the frame structure 200 can be achieved, for example, by a cable device 60. In this case, a cable 61 may be connected to a micro-fonhalterung 65 which is linearly slidably mounted on the frame structure 200. For this purpose, the frame construction 200 may, for example, comprise two guide bars 62, which lie substantially parallel to the longitudinal axis of the frame construction and along which the microphone holder 65 can slide is in the example shown by several Uml Enroll 63 and guided around a rigidly connected to the axis 54 pulley 66. In the example shown, the cable partially passes through one of the (hollow) guide rods 62.
Bei einer Drehung der Rahmenkonstruktion 200 um die ortsfeste Achse 54 wird das Seil 61 am Umfang der Scheibe 66 abgewickelt, was zu einer Verschiebung des Mikrofonhalte rung 65 und folglich zu einer annähernd spiralförmigen Bewegung des Mikrofons 10 führt, wobei einer gemessenen Winkelstellung der Rahmenkonstruktion eindeutig die radiale Po sition des bewegten Mikrofons 10 zugeordnet werden kann; mit jeder vollen Umdrehung der Rahmenkonstruktion wird das Mikrofon um einen Weg verschoben, der dem Umfang der Scheibe 65 entspricht. Die Rahmenkonstruktion weist wie im vorherigen Beispiel ein Gehäuse 213 auf, welches die Seilzugvorrichtung 60 bestehend aus Seil 61, Umlenkrollen 63, Scheibe 65, Führungs Stäben 62 und Mikrofonhalterung 65 umgibt und welches eine längliche Öffnung (Schlitz) für das Mikrofon 10 aufweist. Im Übrigen ist das in Fig. 3 dar gestellte Beispiel gleich wie das vorherige Beispiel aus Fig. 2.
Upon rotation of the frame structure 200 about the fixed axis 54, the cable 61 is unwound at the periphery of the disc 66, which leads to a displacement of the microphone holding tion 65 and consequently to an approximately spiral movement of the microphone 10, wherein a measured angular position of the frame construction clearly the radial Po position of the moving microphone 10 can be assigned; with each full revolution of the frame construction, the microphone is displaced by a distance corresponding to the circumference of the disc 65. As in the previous example, the frame construction has a housing 213 which surrounds the cable pull device 60 consisting of cable 61, deflection rollers 63, disc 65, guide rods 62 and microphone holder 65 and which has an elongated opening (slot) for the microphone 10. Incidentally, the example shown in FIG. 3 is the same as the previous example of FIG. 2.