WO2011003651A1 - Druckwellen-aufnahme und wiedergabe mit direkter quantisierung - Google Patents

Druckwellen-aufnahme und wiedergabe mit direkter quantisierung Download PDF

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WO2011003651A1
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wave signal
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Utz Wever
Albert Gilg
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the present invention relates to a recording method for recording pressure wave signals, a reproduction method for reproducing the pressure wave signals, and corresponding pressure gradient microphones for receiving pressure wave signals, and corresponding uses.
  • the present invention relates in particular to the recording of pressure wave signals.
  • a sound pressure is measured by means of an absolute shaft pressure detecting pressure microphone.
  • An analog audio signal is generated, with heights of amplitudes of current oscillations then
  • Digital converters are quantified. After generating an analog audio signal, an analog-to-digital conversion is performed for storage on, for example, a conventional one
  • CD Compact Disk
  • an analog recording of a signal by means of a microphone takes place. This may possibly be followed by compression and storage. Compression can be performed, for example, by a conventional MP3 method.
  • Nyquist For analog-to-digital conversion of an analog audio signal, Nyquist uses at least twice the frequency of the highest frequency to be resolved, with a bit rate to be processed being a product of the sampling rate, a bit depth determining a number of bits used, and the bit rate Number of channels used.
  • frequencies in the range of 20 hertz to 20 kilohertz are recorded.
  • frequencies in the range of 20 KHz to 1 GHz are recorded.
  • a sampling rate of 44.1 kHz is used for an analog / digital conversion.
  • a reproduction of pressure wave signals is to be provided particularly simply.
  • appropriate pressure gradient microphones are to be provided. It should be at the same bit depth causes a higher dynamics and with the same dynamics a smaller bit depth may be required. Dynamics is the distance between the weakest and strongest pressure wave signal.
  • the object is achieved by a method according to the main claim, a method for playback according to the independent claim, pressure gradient microphones and a use according to another additional claim.
  • a method for receiving a pressure wave signal is provided such that information of the pressure wave signal is detected by means of detected directly quantified wave pressure differences of the pressure wave signal.
  • wave pressure difference values can be stored.
  • Pressure wave signal is for example a music signal, an ultrasonic signal or a seismic wave.
  • the present invention claims a recording method combining wave pressure recording and analog-to-digital conversion.
  • the inclusion of wave pressure differences gives numerous advantages. It measures wave pressure differences, which are directly quantified.
  • a method for reproducing a pressure wave signal recorded using a method according to the invention is provided in such a way that by means of a back transformation from the wave pressure difference values or the coefficients, optionally together with a sum S, the absolute wave pressures at all measurement times be recalculated per total time interval. After the calculation, a playback can be performed, for example, by means of a loudspeaker.
  • pressure gradient microphones for receiving a pressure wave signal are provided with a method according to the invention such that areas of recording membranes of the pressure gradient microphones are tuned to the respective frequency range. That is, the larger the respective frequency of the frequency range, the smaller the area of a recording membrane of a pressure gradient microphone.
  • a method for recording a pressure wave signal can be provided such that information of the pressure wave signal containing coefficients of a basic function are calculated by means of detected directly quantified wave pressure differences of Druckwel- len signal.
  • coefficients of a basic function may be stored after the calculation.
  • the basis function may be a wavelet basis function.
  • a low pass filter is needed for analog-to-digital conversion to prevent higher frequencies than half the sampling rate from occurring. This is called alaising. Wavelet based recording can directly exclude higher frequencies.
  • each different wave pressure differences of different measuring time intervals can be detected in repeating total time intervals.
  • wave pressure differences of different time intervals are measured.
  • a total time interval can be divided equally into a number of equally long basic time intervals, and the length of a basic time interval can be divided by a maximum and a minimum time interval. resolving frequency are determined.
  • a total time interval is a smallest unit for which the coefficients of a basis function are calculated.
  • the largest divided by the smallest frequency to be resolved and the quotient to determine the number and length of the basic time intervals in a total time interval can be determined according to Nyquist, the highest sampling rate can be divided by the lowest sampling rate and can be the quotient determine the number and length of the basic time intervals in the repeating total time interval.
  • a measurement time interval is determined by a number of basic time intervals. Measurement time intervals are spaced apart by a number of basic time intervals.
  • the number of basic time intervals can be expressed as a 2 power 2 m with an exponent m, which determines the number of pressure gradients used microphones.
  • absolute wave levels can be added to a sum S at all measurement times of a total time interval in each case. After each base time interval, a measurement is made. All measuring times can each be determined by one end of a basic time interval. The sum S is only one form of calibration and is only needed if several total time intervals are recorded. According to a further advantageous embodiment, all coefficients can be calculated by means of the detected wave pressure differences and the sum S per total time interval.
  • the wavelet base function can be a Haar wavelet function, a Coiflet wavelet function, a Gabor wavelet function, a Daubies-Wavelet function, a Johnston-Barnard wavelet radio tion or a bioorthogonal spline wavelet function.
  • one of m pressure gradient microphones can detect pressure differences of 2 n basic time intervals in each case as a measurement time interval, wherein the measurement time intervals are spaced from each other by 2 n basic time intervals each, n elements No and n ⁇ m - 1.
  • the storage can be compressed by neglecting the wavelet coefficients which are calculated from the pressure differences below a threshold value. Wavelet coefficients below a threshold do not contribute to the signal.
  • a plurality of different pressure gradient microphones for different frequency ranges can be used. That is, for the measurement of high frequency differences other Druckgradienten- microphones can be used as for low-frequency.
  • the surfaces of recording membranes of the pressure gradient microphones can be tuned to the respective frequency range. The higher the respective frequencies, the smaller the areas of the recording membranes.
  • the recording membranes of the pressure gradient microphones to each other be arranged adjacent in a housing. It is particularly advantageous if the receiving membranes are locally housed close to each other in a housing. The pressure difference measurements must belong to the same sound source.
  • the receiving membranes can be arranged concentrically with each other.
  • receiving diaphragms for higher frequent wave pressure differences and outer receiving diaphragms for lower frequency wave pressure differences are arranged inside.
  • a reproduction can take place by means of a loudspeaker.
  • the inverse transformation can be carried out from the coefficients to absolute wave pressures by means of an upper Hessenberg matrix.
  • Pressure gradient microphones may be provided such that surfaces of recording membranes of pressure gradient microphones are tuned to the respective frequency range.
  • the receiving membranes of the pressure gradient microphones can be arranged adjacent to each other a housing.
  • Pressure gradient microphones are provided with concentric to each other arranged receiving membranes.
  • inside receiving membranes for higher frequency wave pressure differences and outside receiving membrane for low frequency wave pressure differences to be arranged.
  • An inventive method can be used for recording music, ultrasound in medicine and materials science or seismics in geophysics and materials science.
  • Fig. La-d a data flow of a conventional recording method
  • FIG. 2a-c Examples of conventional pressure microphones
  • Figures 5a-c show the required pressure measurements of shaft pressure differences to calculate the coefficients of a basis function
  • Fig. 6b the principle of the invention
  • 7 shows again the measuring time intervals I M of individual microphones
  • FIG. 9 shows a back transformation of coefficients into absolute sound wave pressures.
  • Figures la-d show a data flow of a conventional recording method.
  • FIG. 1a shows pressure microphones for analog recording of an audio signal.
  • FIG. 1 b shows the time characteristic of an analog signal recorded by a conventional pressure microphone and an associated scanning signal.
  • Figure Ic shows a further subsequent eventual compression of the recorded signal, for example by means of the conventional MP3 method. Finally, as shown in Figure Id, a storage of the data on a conventional compact disc (CD) follow.
  • CD compact disc
  • Figures 2a-c show examples of conventional print microphones.
  • Figure 2a shows the operation of a conventional condenser microphone.
  • a sound pressure affects the electrical capacity.
  • FIG. 2 a shows a voltage supply 1, a high-impedance resistor 3, a counterelectrode 5 and a diaphragm 7. Sound waves 9 are correspondingly converted into an electrical signal 11.
  • FIG. 2b shows a conventional piezo microphone.
  • a sound pressure affects the shape of a piezoelectric element 13 and generates a voltage.
  • Reference numeral 7 denotes a membrane.
  • Reference numerals 9 are pressure waves or sound waves to be detected, which are converted into an electrical signal 11.
  • Figure 2c shows the operation of a conventional carbon microphone.
  • a sound pressure influences the electrical resistance.
  • Reference numeral 1 denotes a power supply
  • reference numeral 5 a counter electrode
  • reference numeral 7 a diaphragm
  • reference numeral 15 a carbon granules.
  • a sound wave signal 9 is converted into an electrical signal 11 by means of the carbon granulate 15.
  • Figure 3 shows measurements of a conventional picking method. In this case, I B measurements are carried out after regular base time intervals. This is a recording with an analog / digital conversion.
  • a picture is taken with conventional pressure microphones. A sampling rate according to Nyquist is selected. Accordingly, the measuring times ti, t2, ... are fixed. With a further step, the discrete sound pressure pi, P2, ...
  • a compression of the recording can be performed.
  • An example of a compression method is a so-called MP3 method. Afterwards the recording can be saved.
  • a prerequisite for storage and compression of the audio signal is a real-time capability of the decoder.
  • FIG. 4a shows a coil 17 and a permanent magnet 19.
  • a membrane 7 is provided.
  • Pressure gradient microphones sound waves 9 are converted into an electrical signal 21.
  • a change of a sound pressure or a wave pressure induces current through the coil 17.
  • FIG. 4b likewise shows a permanent magnet 19, between whose north and south poles a folded aluminum strip 23 is provided.
  • changes in the white signal pressure induce current through the folded aluminum ribbon 23.
  • sound waves 9 are converted into an electrical signal 21.
  • FIG. 4c shows the conversion of a pressure wave signal into a deflection 25 of a membrane 7.
  • Reference numeral 24 denotes a source of a pressure wave.
  • Reference numeral 27 denotes the direct wave path from the source 24 to the membrane 7.
  • Reference numeral 29 denotes an elastic suspension of the membrane 7.
  • Reference numeral 31 denotes an incoming wavefront.
  • Reference numeral 33 denotes a near-end effect, and reference numeral 35 denotes a sound detour.
  • Figures 5a-d show the required pressure measurements of shaft pressure differences to calculate the coefficients of a basis function.
  • the basis function is a wavelet basis function, namely a Haar wavelet function. All information of the pressure wave signal contained wavelet coefficients are calculated by means of detected directly quantified wave pressure differences of the pressure wave signal and stored in particular.
  • a total time interval I G is shown.
  • a total time interval I G is divided into 8 equal base time intervals I B.
  • An entire pressure wave signal is detected by a series of repeating total time intervals I G.
  • the total time interval I G shown in FIGS. 5a-5d is a smallest unit for detecting a pressure wave signal.
  • different wave pressure differences of different measuring time intervals I M are recorded in repeating total time intervals I G by means of different pressure gradient microphones.
  • a total time interval I G is divided equally into a number of equally long basic time intervals I B. The length of a basic time interval I B is determined by a maximum and a minimum frequency to be resolved.
  • the quotient determines the number and length of the basic time intervals I B in a total time interval I G.
  • the number of basic time intervals I B can be expressed as 2 power 2 m with an exponent m, which determines the number of pressure gradients used microphones.
  • FIG. 5a shows the measuring time intervals I M of a microphone 3.
  • FIG. 5b shows the measuring time intervals I M of a microphone 2
  • FIG. 5c shows the measuring time interval I M of a microphone 1.
  • the wave pressure differences of the pressure wave signal p 2 - P4 and P ⁇ - P8 are detected by measurement.
  • the shaft pressure difference p 4 - p 8 detected.
  • the distance of adjacent measuring time intervals I M is equal to the respective duration of a measuring time interval I M -
  • FIG. 5 d also shows the course of the pressure wave signal to be measured in a total time interval I G. This results in 8 measuring times ti, t 2 ... ts.
  • a pressure microphone by means of a pressure microphone, absolute wave pressure levels are added to a total S at all measurement times (ti... Ts) of a total time interval I G. That is, according to FIG. 5 d, a further microphone 0, which is a pressure microphone in contrast to the pressure gradient microphones 1 to 3, is used.
  • a sum S pi + P2 + P3 + P4 + Ps + P ⁇ + ⁇ technically detected P7 + Ps measured. This sum is used to calibrate two consecutive total time intervals. Other calibrations would also be conceivable. If only one total time interval is recorded, no calibration is needed. The differences are enough. This sum is only one form of calibration and is only needed if several total time intervals are recorded.
  • FIG. 6a shows a profile of a Haar wavelet basis function.
  • the Haar wavelet basis function is defined by:
  • each signal can be decomposed as a sum of differences.
  • direct shaft pressure differences are measured directly. This difference is shown in FIG. 6b.
  • FIG. 6a shows the course of a Haar wavelet basis function, which is the basis of the measurement according to FIGS. 5a-5c.
  • FIG. 6b shows the principle that, in contrast to the prior art, no absolute wave levels but in particular directly quantified wave pressure differences are detected.
  • the wavelet coefficients can be calculated directly.
  • the calculated wavelet coefficients contain all the information of the pressure wave signal in the total time interval I G.
  • the calculated coefficients of a basis function which here is a Haar wavelet function, can be stored.
  • FIG. 7 again shows the measuring time intervals I M of the individual microphones 1, 2, 3 and 0.
  • Microphone 0 is the pressure microphone for detecting the absolute wave levels at all measuring times ti... Ti6.
  • FIG. 7 shows two successive total time intervals I G.
  • Microphone 3 picks up high-frequency pressure differences.
  • Microphone 2 picks up mid-frequency pressure differences.
  • Microphone 1 picks up low-frequency pressure differences.
  • Microphone 0 adds the absolute levels of the pressure wave signal.
  • the microphones 1, 2 and 3 of FIGS. 5 to 7 each have membranes that can be accommodated in a housing. Each membrane can be tuned to the frequency to be measured.
  • a membrane of the microphone 3 is smaller in area than a membrane of the microphone 1.
  • the receiving membrane for the individual differential measurements are advantageously arranged very close to each other. In this way, the difference measurements can be assigned to the same pressure wave source.
  • Figure 8 shows. According to Figure 8, the receiving membranes are arranged concentrically to each other. Inside, the membranes are arranged for the high-frequency differences and on the outside the membrane for the low-frequency differences. Accordingly, the membrane of the microphone 3 is arranged inside. Around it, the membrane of the microphone 2 is arranged.
  • FIG. 5-7 Around the membrane of the microphone 2 around which the microphone 1 is arranged.
  • An inventive method according to Figures 5-7 has been shown for the Haar wavelet. The presented method can be extended to all common wavelets. Furthermore, a inventive method for stereo recording are also used. In this case, an addition and subtraction of the channels takes place.
  • the present invention is not limited to the recording of music.
  • the invention generally covers all audio recordings, recordings in the ultrasound range and, for example, also the detection of pressure waves in seismics or in materials science. In principle, any pressure wave signals can be detected and stored.
  • a further embodiment of the method according to the invention is the recording of audio signals on a conventional compact disc (CD). Here is a frequency range to be resolved 20 Hz - 20 KHz.
  • FIG. 9 shows how the wavelet coefficients detected and calculated according to FIGS. 5-7 can be transformed back into a sound wave signal.
  • the absolute shaft pressures can be calculated back at all measurement times per total time interval I G.
  • the calculated absolute shaft pressures can be converted back into a pressure wave signal.
  • a pressure pi S + d2 + d3 + d 5 .
  • all pressures P2... P8 can be calculated back according to FIG.
  • Wavelet coefficients formed are digitized and stored. By an inverse wavelet transformation the pressure values can be calculated again.
  • the measured pressure differences are generally not wavelet coefficients. From the pressure differences, the wavelet coefficients can be calculated. After all absolute shaft pressures have been calculated, a pressure wave signal can be reproduced by means of a loudspeaker.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufnahme und Wiedergabe von Druckwellen-Signalen. Es sollen eine Wellendruckaufnahme und eine Analog/Digital-Wandler verknüpft werden. Es soll bei gleich Bit-Tiefe eine höhere Dynamik bewirkt und bei gleicher Dynamik eine kleinere Bit-Tiefe erforderlich sein. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass alle Informationen des Druckwellen-Signals mittels erfasster direkt quantifizierter Wellendruckdifferenzen des Druckwellen-Signals berechnet und gespeichert werden. Zudem können Koeffizienten gespeichert und bei Bedarf in absolute Wellendrücke rücktransformiert werden. Auf diese Weise ist eine Wiedergabe des Druckwellen-Signals möglich.

Description

Beschreibung
DRUCKWELLEN-AUFNAHME UND WIEDERGABE MIT DIREKTER QUANTISIERUNG Die vorliegende Erfindung betrifft ein Aufnahmeverfahren zur Aufnahme von Druckwellen-Signalen, ein Wiedergabeverfahren zur Wiedergabe der Druckwellen-Signale und entsprechende Druckgradientenmikrofone zur Aufnahme von Druckwellen-Signalen sowie entsprechende Verwendungen.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Aufnahme von Druckwellen-Signalen.
Herkömmlicherweise wird mittels eines absolute Wellendrücke erfassenden Druckmikrofons ein Schalldruck gemessen. Es wird ein analoges Audio-Signal erzeugt, wobei Höhen von Amplituden von Stromschwingungen anschließend durch einen Analog /
Digital-Wandler quantifiziert werden. Nach Erzeugen eines analogen Audio-Signals erfolgt eine Analog/Digital-Wandlung für eine Speicherung auf beispielsweise einer herkömmlichen
Compact Disk (CD) . Nach einem herkömmlichen Verfahren erfolgt eine analoge Aufzeichnung eines Signals mittels eines Mikrofons. Dem können sich eventuell eine Kompression und eine Speicherung anschließen. Eine Kompression kann beispielsweise durch ein herkömmliches MP3-Verfahren ausgeführt werden.
Für eine Analog/Digital-Wandlung eines analogen Audio-Signals wird nach Nyquist als Abtastrate mindestens die doppelte Frequenz der höchsten aufzulösenden Frequenz verwendet, wobei eine zu verarbeitende Bitrate ein Produkt aus der Abtastrate, einer eine Anzahl von verwendeten Bits bestimmenden Bit-Tiefe und der Anzahl der verwendeten Kanäle ist.
Beispielsweise für eine Musik-CD werden Frequenzen im Bereich von 20 Hertz bis 20 Kilohertz aufgezeichnet. Im Ultraschallbereich werden Frequenzen im Bereich von 20 KHz bis 1 GHz aufgezeichnet. Beispielsweise bei einer Audio-CD wird für eine Analog/Digital-Wandlung eine Abtastrate von 44,1 KHz ver- wendet. Des Weiteren werden herkömmlicher Weise 16 Bit für die Auflösung der Dynamik zwischen leisestem und lautestem Ton verwendet. Bei Verwendung von zwei Kanälen ergibt sich eine zu verarbeitende Bit-Rate in Höhe von 44,1 KHz * 2 Ka- näle * 16 Bit = 1,411 Mbps .
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Aufnahme von Druckwellen-Signalen, insbesondere Schallwellen-Signalen, derart bereitzustellen, dass eine Wellendruckaufnahme und ei- ne Analog/Digital-Wandlung zusammengefasst werden. Eine Wiedergabe von Druckwellen-Signalen soll besonders einfach bereitgestellt werden. Des Weiteren sollen entsprechende Druckgradienten-Mikrofone bereitgestellt werden. Es soll bei gleicher Bit-Tiefe eine höhere Dynamik bewirkt und bei gleicher Dynamik eine kleinere Bit-Tiefe erforderlich sein. Dynamik ist der Abstand zwischen schwächstem und stärkstem Druckwellen-Signal .
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch, ein Verfahren zur Wiedergabe gemäß dem Nebenanspruch, Druckgradienten-Mikrofone und eine Verwendung gemäß einem weiteren Nebenanspruch gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Aufnahme eines Druckwellen-Signals derart bereitgestellt, dass Informationen des Druckwellen-Signals mittels erfasster direkt quantifizierter Wellendruckdifferenzen des Druckwellen-Signals erfasst werden. Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Aufnahme eines Druckwellen-Signals können Wellendruckdifferenzwerte gespeichert werden. Ein
Druckwellen-Signal ist beispielsweise ein Musiksignal, ein Ultraschallsignal oder eine seismische Welle.
Die vorliegende Erfindung beansprucht ein Aufnahmeverfahren das Wellendruckaufnahme und Analog/Digital-Wandlung kombiniert. Durch die Aufnahme von Wellendruckdifferenzen ergeben sich zahlreiche Vorteile. Es werden Wellendruckdifferenzen gemessen, die direkt quantifiziert werden. Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Wiedergabe eines mit einem erfindungsgemäßen Verfahren aufgenommenen Druckwellen-Signals derart be- reitgestellt, dass mittels einer Rücktransformation aus den Wellendruckdifferenzwerten oder den Koeffizienten, optional zusammen mit einer Summe S, die absoluten Wellendrücke zu allen Messzeitpunkten je Gesamtzeitintervall zurück berechnet werden. Nach der Berechnung kann eine Wiedergabe beispiels- weise mittels eines Lautsprechers aufgeführt werden.
Gemäß einem dritten Aspekt werden Druckgradienten-Mikrofone zur Aufnahme eines Druckwellen-Signals mit einem erfindungsgemäßen Verfahren derart bereitgestellt, dass Flächen von Aufnahmemembranen der Druckgradienten-Mikrofone zu dem jeweiligen Frequenzbereich abgestimmt sind. Das heißt je größer die jeweilige Frequenz des Frequenzbereichs ist umso kleiner ist die Fläche einer Aufnahmemembran eines Druckgradienten Mikrofons .
Gemäß einem vierten Aspekt werden erfindungsgemäße Verfahren oder Mikrofone für Schalldruckwellen im Audiobereich oder Ultraschallbereich, in der Medizin oder der Materialkunde oder bei seismischen Wellen in der Geophysik oder der Materi- alkunde verwendet.
Die erfindungsgemäßen Vorteile sind:
Eine höhere Dynamik bei gleicher Bit-Rate. Meist sind die Differenzen sehr ähnlich. Dadurch ergibt die Verteilung auf die gleiche Bit-Tiefe eine höhere Dynamik. Gleiche Dynamik bei kleinerer Bit-Rate. Durch die geringen Unterschiede der Differenzen genügen bei der Quantifizierung eine geringere Bit-Tiefe und damit eine kleinere Bit-Rate. Möglichkeit der Adaption. Wird bei einer Schalldruck-Aufnahme eine konstante Bit-Rate gewählt, so können bei der Quantifizierung der Differenzen eine geringere Bit-Tiefe verwendet werden und bei der absoluten Summation eine höhere Bit-Tiefe. Auch Wavelet-Koeffizienten müssen zur Speicherung digitalisiert werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Zusammenfassung von Aufnahme und Analog/Digital-Wandlung. Es erfolgt eine Wellendruckdifferenzmessung durch Druckgradien- ten-Mikrofone .
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Verfahren zur Aufnahme eines Druckwellen-Signals derart bereitgestellt werden, dass Informationen des Druckwellen-Signals enthaltende Koeffizienten einer Basis-Funktion mittels erfasster direkt quantifizierter Wellendruckdifferenzen des Druckwel- len-Signals berechnet werden. Gemäß einem erfindungsgemäßen
Verfahren zur Aufnahme eines Druckwellen-Signals können Koeffizienten einer Basis-Funktion nach der Berechnung gespeichert werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Basis-Funktion eine Wavelet-Basisfunktion sein. Herkömmlicherweise benötigt man einen Tiefpassfilter zur Analog/Digital-Wandlung, um zu verhindern, dass höhere Frequenzen als die halbe Abtastrate auftreten. Dies wird als Alaising bezeichnet. Durch eine Wavelet basierte Aufnahme können höhere Frequenzen direkt ausgeschlossen werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können von verschiedenen Druckgradienten-Mikrofonen jeweils verschiedene Wellendruckdifferenzen verschiedener Messzeitintervalle in sich wiederholenden Gesamtzeitintervallen erfasst werden. Es werden also gleichzeitig Wellendruckdifferenzen unterschiedlicher Zeitintervalle gemessen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Gesamtzeitintervall in eine Anzahl von gleichlangen Basiszeitintervallen gleichmäßig eingeteilt werden und die Länge eines Basiszeitintervalls durch eine größte und eine kleinste auf- zulösende Frequenz bestimmt werden. Ein Gesamtzeitintervall ist eine kleinste Einheit für die die Koeffizienten einer Basis-Funktion berechnet werden. Gemäß einem Verfahren zur Aufnahme eines Druckwellen-Signals, wird das Druckwellen-Signal durch eine Vielzahl von sich wiederholenden Gesamtzeitintervallen abgetastet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die größte durch die kleinste aufzulösende Frequenz dividiert werden und der Quotient die Anzahl und Länge der Basiszeitintervalle in einem Gesamtzeitintervall bestimmen. Zur Erfassung der Wellendruckdifferenzen des Druckwellensignals können eine höchste Abtastrate in Abhängigkeit von der größten aufzulösenden Frequenz und eine niedrigste Abtastrate in Abhän- gigkeit von der kleinsten aufzulösenden Frequenz jeweils nach Nyquist bestimmt werden, kann die höchste Abtastrate durch die niedrigste Abtastrate dividiert werden und kann der Quotient die Anzahl und Länge der Basiszeitintervalle im sich wiederholenden Gesamtzeitintervall bestimmen. Ein Messzeitin- tervall ist durch eine Anzahl von Basiszeitintervallen bestimmt. Messzeitintervalle sind durch eine Anzahl von Basiszeitintervallen von einander beabstandet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die An- zahl der Basiszeitintervalle als 2er Potenz 2m mit einem Exponenten m ausgedrückt werden, der die Anzahl der verwendeten Druckgradienten Mikrofone bestimmt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können mit- tels eines Druckmikrofons absolute Wellenpegel zu allen Messzeitpunkten jeweils eines Gesamtzeitintervalls zu einer Summe S aufaddiert werden. Nach jedem Basiszeitintervall erfolgt eine Messung. Alle Messzeitpunkte können jeweils durch ein Ende eines Basiszeitintervalls bestimmt sein. Die Summe S ist lediglich eine Ausprägung einer Kalibrierung und wird nur gebraucht, falls mehrere Gesamtzeitintervalle aufgenommen werden . Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können alle Koeffizienten mittels den erfassten Wellendruckdifferenzen und der Summe S je Gesamtzeitintervall berechnet werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Wa- velet-Basisfunktion eine Haar-Wavelet-Funktion, eine Coiflet- Wavelet-Funktion, eine Gabor-Wavelet-Funktion, eine Daube- chies-Wavelet-Funktion, eine Johnston-Barnard-Wavelet-Funk- tion oder eine Bioorthogonal-Spline-Wavelet-Funktion sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann bei einer Haar-Wavelet-Funktion jeweils eines von m Druckgradienten-Mikrofonen Druckdifferenzen von jeweils 2n Basiszeitintervallen als Messzeitintervall erfassen, wobei die Messzeit- intervalle durch jeweils 2n Basiszeitintervalle von einander beabstandet sind, wobei n Element No und n ≤ m - 1 ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Speicherung komprimiert werden, indem die Wavelet-Koeffizien- ten, die aus den Druckdifferenzen berechnet werden, unterhalb eines Schwellenwertes vernachlässigt werden. Wavelet-Koeffi- zienten unter einem Schwellenwert tragen nichts zum Signal bei . Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können mehrere verschiedene Druckgradienten-Mikrofone für verschiedene Frequenzbereiche verwendet werden. Das heißt für die Messung hoch frequenter Differenzen können andere Druckgradienten- Mikrofone benutzt werden als für niedrig frequente .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Flächen von Aufnahmemembranen der Druckgradienten-Mikrofone auf den jeweiligen Frequenzbereich abgestimmt sein. Je höher die jeweiligen Frequenzen, desto kleiner die Flächen der Auf- nahmemembranen .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Aufnahmemembranen der Druckgradienten Mikrofone an einander angrenzend in einem Gehäuse angeordnet sein. Es ist besonders vorteilhaft wenn die Aufnahme-Membranen örtlich nahe bei einander in einem Gehäuse untergebracht werden. Die Druckdifferenzmessungen müssen zur selben Schallquelle gehören.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Aufnahmemembranen konzentrisch zueinander angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind bei ei- ner konzentrischen Ausführung innen Aufnahmemembrane für höhere frequentere Wellendruckdifferenzen und außen Aufnahmemembrane für niederfrequentere Wellendruckdifferenzen angeordnet . Bei einem Verfahren zur Wiedergabe eines mit einem erfindungsgemäßen Verfahren aufgenommenen Druckwellen-Signals kann eine Wiedergabe mittels eines Lautsprechers erfolgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die in- verse Rücktransformation von den Koeffizienten zu absoluten Wellendrücken mittels einer oberen Hessenberg-Matrix erfolgen .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können
Druckgradienten-Mikrofone derart bereitgestellt sein, dass Flächen von Aufnahmemembranen der Druckgradienten-Mikrofone auf den jeweiligen Frequenzbereich abgestimmt sind.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Aufnahmemembranen der Druckgradienten-Mikrofone aneinander angrenzend einem Gehäuse angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können
Druckgradienten-Mikrofone mit konzentrisch zu einander ange- ordneten Aufnahmenmembranen bereitgestellt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können innen Aufnahmemembranen für höher frequente Wellendruckdifferenzen und außen Aufnahmemembrane für niederfrequentere Wellendruckdifferenzen angeordnet sein.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann zur Aufnahme von Musik, Ultraschall in der Medizin und Materialkunde oder Seismik in der Geophysik und in der Materialkunde verwendet werden.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. la-d einen Datenfluss eines herkömmlichen Aufnahmeverfahrens ;
Fig. 2a-c Beispiele herkömmlicher Druckmikrofone;
Fig. 3 Messungen eines herkömmlichen Aufnahmeverfahrens;
Fig. 4a-c zwei Ausführungsbeispiele von Druckgradienten- Mikrofonen und ein Messprinzip;
Fig. 5a-c die erforderlichen Druckmessungen von Wellendruckdifferenzen zur Berechnung der Koeffizienten einer Basis-Funktion;
Fig. 6a den Verlauf einer Haar-Wavelet-Basisfunktion;
Fig. 6b das erfindungsgemäße Prinzip; Fig. 7 erneut die Messzeitintervalle IM einzelner Mikrofone;
Fig. 8 ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel von Aufnahmemembranen von Druckgradienten-Mikrofonen;
Fig. 9 eine Rücktransformation von Koeffizienten in absolute Schallwellendrücke. Figuren la-d zeigen einen Datenfluss eines herkömmlichen Aufnahmeverfahrens. Figur Ia zeigt Druckmikrofone zur analogen Aufzeichnung eines Audio-Signals. Figur Ib zeigt den Zeitverlauf eines durch ein herkömmliches Druckmikrofon aufgezeich- neten analogen Signals und ein dazugehöriges Abtastsignal.
Figur Ic zeigt eine sich weiter anschließende eventuelle Kompression des aufgezeichneten Signals beispielsweise mittels des herkömmlichen MP3-Verfahrens . Abschließend kann, wie es in Figur Id dargestellt ist, eine Speicherung der Daten auf einer herkömmlichen CD (Compact Disk) folgen.
Die Figuren 2a-c zeigen Beispiele herkömmlicher Druckmikrofone. Figur 2a zeigt die Funktionsweise eines herkömmlichen Kondensatormikrofons. Dabei beeinflusst ein Schalldruck die elektrische Kapazität. Figur 2a zeigt eine Spannungsversorgung 1, einen hochohmigen Widerstand 3, eine Gegenelektrode 5 und einen Membran 7. Dabei werden entsprechend Schallwellen 9 in ein elektrisches Signal 11 umgewandelt. Figur 2b zeigt ein herkömmliches Piezomikrofon . Ein Schalldruck beeinflusst die Form eines piezoelektrischen Elements 13 und erzeugt eine Spannung. Bezugszeichen 7 kennzeichnet eine Membran. Bezugszeichen 9 sind zu erfassende Druckwellen oder Schallwellen, die in ein elektrisches Signal 11 umgewan- delt werden.
Figur 2c zeigt die Funktionsweise eines herkömmlichen Kohlemikrofons. Dabei beeinflusst ein Schalldruck den elektrischen Widerstand. Bezugszeichen 1 bezeichnet eine Spannungsversor- gung, Bezugszeichen 5 eine Gegenelektrode, Bezugszeichen 7 eine Membran und Bezugszeichen 15 ein Kohlegranulat. Ein Schallwellensignal 9 wird mittels des Kohlegranulats 15 in ein elektrisches Signal 11 umgewandelt. Figur 3 zeigt Messungen eines herkömmlichen Aufnahmeverfahrens. Dabei werden nach gleichmäßigen Basiszeitintervallen IB Messungen ausgeführt. Dabei erfolgt eine Aufnahme mit einer Analog/Digital-Wandlung . Es erfolgt eine Aufnahme mit her- kömmlichen Druckmikrofonen. Dabei wird eine Abtastrate nach Nyquist ausgewählt. Entsprechend sind die Messzeitpunkte ti, t2, ... festgelegt. Mit einem weiteren Schritt werden die diskreten Schalldrücke pi, P2, ... mit vorgegebener Bit-Tiefe quantifiziert. Mit einem weiteren Schritt kann eine Kompression der Aufnahme ausgeführt werden. Ein Beispiel für ein Kompressionsverfahren ist ein sogenanntes MP3-Verfahren . Im Anschluss kann eine Speicherung der Aufnahme erfolgen. Eine Vorraussetzung für eine Speicherung und Kompression des Au- dio-Signals ist eine Echtzeitfähigkeit des Decoders.
Figuren 4a-c zeigen zwei Ausführungsbeispiele von Druckgradienten-Mikrofonen und Angaben zu deren Wirkungsweise. Figur 4a zeigt eine Spule 17 und einen Permanentmagneten 19. Zu- sätzlich ist eine Membran 7 bereitgestellt. Mittels des
Druckgradienten-Mikrofons werden Schallwellen 9 in ein elektrisches Signal 21 umgewandelt. Eine Änderung eines Schalldrucks oder eines Wellendrucks induziert Strom durch die Spule 17.
Figur 4b zeigt ebenso einen Permanentmagneten 19, zwischen dessen Nord- und Südpol ein gefaltetes Aluminiumbändchen 23 bereitgestellt ist. Auch hier induzieren Änderungen des WeI- lensignaldrucks Strom durch das gefaltete Aluminiumbändchen 23. Auf diese Weise werden Schallwellen 9 in ein elektrisches Signal 21 umgewandelt.
Figur 4c zeigt die Umwandlung eines Druckwellensignals in eine Auslenkung 25 einer Membran 7. Bezugszeichen 24 kenn- zeichnet eine Quelle einer Druckwelle. Bezugszeichen 27 kennzeichnet den direkten Wellenweg von der Quelle 24 zur Membran 7. Bezugszeichen 29 bezeichnet eine elastische Aufhängung der Membran 7. Bezugszeichen 31 bezeichnet eine eintreffende Wellenfront. Bezugszeichen 33 kennzeichnet einen Nahbespre- chungseffekt und Bezugszeichen 35 bezeichnet einen Schallumweg. Figuren 5a-d zeigen die erforderlichen Druckmessungen von Wellendruckdifferenzen zur Berechnung der Koeffizienten einer Basis-Funktion. Gemäß Figuren 5a - 5d ist die Basis-Funktion eine Wavelet-Basisfunktion, und zwar eine Haar-Wavelet-Funk- tion. Alle Informationen des Druckwellen-Signals enthaltene Wavelets-Koeffizienten werden mittels erfasster direkt quantifizierter Wellendruckdifferenzen des Druckwellensignals berechnet und insbesondere gespeichert. Gemäß Figur 5a ist ein Gesamtzeitintervall IG dargestellt.
Dabei ist ein Gesamtzeitintervall IG in 8 gleichgroße Basiszeitintervalle IB eingeteilt. Ein gesamtes Druckwellen-Signal wird durch eine Aneinanderreihung von sich wiederholender Gesamtzeitintervallen IG erfasst. Damit ist das in Figuren 5a- 5d jeweils dargestellte Gesamtzeitintervall IG eine kleinste Einheit zur Erfassung eines Druckwellensignals. Gemäß Figur 5a - 5c werden mittels verschiedener Druckgradienten-Mikrofone jeweils verschiedene Wellendruckdifferenzen verschiedener Messzeitintervalle IM in sich wiederholenden Gesamtzeit- intervallen IG erfasst. Ein Gesamtzeitintervall IG wird in eine Anzahl von gleichlangen Basiszeitintervallen IB gleichmäßig eingeteilt. Die Länge eines Basiszeitintervalls IB wird durch eine größte und eine kleinste aufzulösende Frequenz bestimmt. Wird die größte durch die kleinste aufzulösende Fre- quenz dividiert, so bestimmt der Quotient die Anzahl und Länge der Basiszeitintervalle IB in einem Gesamtzeitintervall IG. Die Anzahl der Basiszeitintervalle IB kann als 2er Potenz 2m mit einem Exponenten m ausgedrückt werden, der die Anzahl der verwendeten Druckgradienten Mikrofone bestimmt. Gemäß Fi- guren 5a - 5c ist die Anzahl der Basiszeitintervalle 8 = 23, so dass 3 Druckgradienten Mikrofone verwendet werden. Figur 5a zeigt die Messzeitintervalle IM eines Mikrofons 3. Figur 5b zeigt die Messzeitintervalle IM eines Mikrofons 2 und Figur 5c zeigt das Messzeitintervall IM eines Mikrofons 1. Ent- sprechend werden gemäß Figur 5a die Druckdifferenzen pi - p2, p3 - p4, p5 - p6 und p7 - ps erfasst. Gemäß Figur 5b werden die Wellendruckdifferenzen des Druckwellensignals p2 - P4 und pβ - P8 messtechnisch erfasst. Gemäß Figur 5c wird die Wellen- druckdifferenz p4 - p8 erfasst. Gemäß Figuren 5a - c ist bei der Haar-Wavelet-Basisfunktion bei sich wiederholenden Gesamtzeitintervallen IG der Abstand benachbarter Messzeitintervalle IM gleich der jeweiligen Dauer eines Messzeitinter- valls IM-
Figur 5d zeigt ebenso den Verlauf des zu messenden Druckwellen-Signals im einem Gesamtzeitintervall IG. Es ergeben sich 8 Messzeitpunkte ti, t2 ... ts. Dabei werden mittels eines Druckmikrofons absolute Wellendruckpegel zu allen Messzeitpunkten (ti...ts) jeweils eines Gesamtzeitintervalls IG zu einer Summe S aufaddiert. Das heißt gemäß Figur 5d wird ein weiteres Mikrofon 0, das ein Druckmikrofon im Unterschied zu den Druckgradienten-Mikrofonen 1 bis 3 ist, verwendet. Gemäß 5d wird eine Summe S = pi + P2 + P3 + P4 + Ps + Pβ + P7 + Ps mess¬ technisch erfasst. Diese Summe dient zur Kalibrierung zweier aufeinander folgender Gesamtzeitintervalle. Andere Kalibrierungen wären auch denkbar. Wird nur ein Gesamtzeitintervall aufgenommen, wird keine Kalibrierung gebraucht. Es reichen die Differenzen. Diese Summe ist nur eine Ausprägung der Kalibrierung und wird nur gebraucht, falls mehrere Gesamtzeitintervalle aufgenommen werden.
Figur 6a zeigt einen Verlauf einer Haar-Wavelet-Basisfunk- tion. Die Haar-Wavelet-Basisfunktion ist definiert durch:
1 für 0≤ x < -
2
ψ(x) = -\ för i-≤x < \
0 sonst
Funktionen können dargestellt werden als Wavelet-Reihe f(x) =∑∑cty ψ(2-]x + i) . Gemäß einem Wavelet-Sensor lässt sich jedes Signal als Summe von Differenzen zerlegen. Erfindungsgemäß werden anstelle der herkömmlichen Absolutwerte direkt Wellendruckdifferenzen ge- messen. Diesen Unterschied zeigt Figur 6b.
Figur 6a zeigt den Verlauf einer Haar-Wavelet-Basisfunktion, die der Messung nach Figur 5a - 5c zu Grunde gelegt ist. Figur 6b zeigt das Prinzip, dass im Unterschied zum Stand der Technik keine absoluten Wellenpegel sondern insbesondere direkt quantifizierte Wellendruckdifferenzen erfasst werden.
Mit den Messungen der 4 Mikrofone gemäß Figur 5a - 5d können die Wavelet-Koeffizienten direkt berechnet werden.
Im Folgenden wird dargestellt wie gemäß den erfassten Wellendruckdifferenzen gemäß Figur 5a - c der Summe gemäß Figur 5d alle Wavelet-Koeffizienten berechnet werden können:
Figure imgf000014_0001
d4 = -(p5 + p6 - pη - p8)= -(Dp56 -Dp78 + 2(p6 -p8))= -(Dp56 -Dp78 + 2Dp68) d 3 = -(Pι + Pi ~ P3 ~ PA) = -(Dp12 ~Dp34 + 2(p2 - p4)) = -(Dp12 -Dp34 + 2Dp24)
Figure imgf000014_0002
+ Dp34 + 2p2 + 2p4 -Dp56 -Dpn -2p6 - 2p8)
Figure imgf000014_0003
= TIj(25A2 + Dp34 + 2Dp24 + 4 p4 - Dp56 - Dp1, - 2Dp68 - 4p8 ) =— = (Dp12 + Dp34 + 2Dp24 - Dp56 - Dp1, - 2Dp68 + 4Dp48 ) S + p2 + p3 + p4 + p5 + p6 + P1 + pg)
Figure imgf000015_0001
Die berechneten Wavelet-Koeffizienten enthalten alle Informationen des Druckwellensignals im Gesamtzeitintervall IG. Die berechneten Koeffizienten einer Basis-Funktion, die hier eine Haar-Wavelet-Funktion ist, können gespeichert werden.
Figur 7 zeigt erneut die Messzeitintervalle IM der einzelnen Mikrofone 1, 2, 3 und 0. Mikrofon 0 ist das Druckmikrofon zur Erfassung der absoluten Wellenpegel zu allen Messzeitpunkten ti...ti6. Figur 7 stellt zwei aufeinander folgende Gesamtzeitintervalle IG dar. Mikrofon 3 nimmt hochfrequente Druckdifferenzen auf. Mikrofon 2 nimmt mittelfrequente Druckdifferenzen auf. Mikrofon 1 nimmt niederfrequente Druckdifferenzen auf. Mikrofon 0 addiert die absoluten Pegel des Druckwellensignals .
Die Mikrofone 1, 2 und 3 der Fig. 5 bis 7 weisen jeweils Membrane auf, die in einem Gehäuse untergebracht sein können. Jeder Membran kann auf die zumessende Frequenz abgestimmt sein. Dazu ist eine Membran des Mikrofons 3 kleiner in der Fläche als eine Membran des Mikrofons 1. Die Aufnahmemembrane für die einzelnen Differenzmessungen sind vorteilhaft sehr nahe zueinander angeordnet. Auf diese Weise können die Diffe- renzmessungen derselben Druckwellenquelle zugeordnet werden. Eine Ausführungsform die besonders vorteilhaft ist, zeigt Figur 8. Gemäß Figur 8 sind die Aufnahmemembranen konzentrisch zueinander angeordnet. Innen sind die Membranen für die hochfrequenten Differenzen und außen die Membran für die nie- derfrequenten Differenzen angeordnet. Demnach ist die Membran des Mikrofons 3 innen angeordnet. Darum herum ist die Membran des Mikrofons 2 angeordnet. Um die Membran des Mikrofons 2 herum ist die des Mikrofon 1 angeordnet. Ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß den Figuren 5 - 7 wurde für das Haar-Wavelet gezeigt. Das dargestellte Verfahren ist auf alle gängigen Wavelets erweiterbar. Des Weiteren kann ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Stereoaufnahme ebenso verwendet werden. Dabei erfolgt eine Addition und Subtraktion der Kanäle. Die vorliegende Erfindung beschränkt sich nicht auf die Aufnahme von Musik. Die Erfindung erfasst allgemein alle Audio-Aufnahmen, Aufnahmen im Ultraschallbereich und beispielsweise zudem die Erfassung von Druckwellen in der Seismik oder in der Materialkunde. Grundsätzlich können beliebige Druckwellensignale erfasst und gespeichert werden. Ein Weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Aufzeichnung von Audio-Signalen auf einer herkömmlichen CD (Compact Disk) . Dabei ist ein aufzulösender Frequenzbereich 20 Hz - 20 KHz. Damit ergibt sich eine höchste Abtastfrequenz nach Nyquist von 44,1 KHz. Eine theoretisch niedrigste Samplefrequenz liegt bei 43 Hz. Wird die höchste Abtastfrequenz durch eine theoretisch niedrigste Abtastfrequenz dividiert ergibt sich ein Faktor von 44,1 KHz/43 Hz = 1024. Demnach ergibt sich eine Anzahl von 1024 Basiszeitintervallen IB. 1024 = 210. Entsprechend werden zur Mes- sung von Schalldruckdifferenzen 10 Druckgradienten-Mikrofone verwendet. Zusätzlich ist ein Druckmikrofon erforderlich, dass die Druckpegel über 1024 Basiszeitintervalle IB addiert.
Figur 9 zeigt wie die gemäß den Figuren 5 - 7 erfassten und berechneten Wavelet-Koeffizienten wieder in ein Schallwellensignal zurück transformiert werden können. Mittels einer in- versen Transformation aus den Koeffizienten zusammen mit einer Summe S aller absoluten Wellendrücke können die absoluten Wellendrücke zu allen Messzeitpunkten je Gesamtzeitintervall IG zurück berechnet werden. Mittels eines Lautsprechers können die berechneten absoluten Wellendrücke wieder in ein Druckwellensignal umgewandelt werden. Auf diese Weise ist ein Druck pi = S + d2 + d3 + d5. Des Weiteren können alle Drücke P2 ... P8 gemäß Figur 9 zurück berechnet werden.
Es gibt zwei Wege des Datenflusses:
• Die Druckdifferenzen werden gemessen, digitalisiert und gespeichert. Durch Rücktransformation durch eine obere Hessenberg-Matrix können wieder die Druckwerte für die Wiedergabe berechnet werden
• Die Druckdifferenzwerte werden gemessen und daraus die
Waveletkoeffizienten gebildet. Diese werden digitali- siert und gespeichert. Durch eine inverse Wavelet-Trans- formation können wieder die Druckwerte berechnet werden.
Für die Hälfte aller gemessenen Differenzen sind Druckdifferenzen und Wavelet-Koeffizienten identisch, und zwar die auf der feinsten Ebene.
Durch geschicktes Sortieren der Werte der Differenzmessungen kann für eine Rücktransformation eine obere Hessenberg-Matrix gebildet werden. Auf diese Weise ist eine besonders effi- ziente Rücktransformation möglich. In diesem Zusammenhang sei klargestellt, dass die gemessenen Druckdifferenzen im Allgemeinen keine Wavelet-Koeffizienten sind. Aus den Druckdifferenzen sind die Wavelet-Koeffizienten berechenbar. Nachdem alle absoluten Wellendrücke berechnet worden sind, kann ein Druckwellensignal mittels eines Lautsprechers wiedergegeben werden .
Nachstehend ist ein Beispiel für eine obere Hessenberg-Matrix zur Rücktransformation von Druckdifferenzwerte in absolute Druckwerte dargestellt:
Figure imgf000017_0001

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Aufnahme eines Druckwellen-Signals,
dadurch gekennzeichnet, dass
direkt quantifizierte Wellendruckdifferenzen des Druckwellen- Signals erfasst und gespeichert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
Informationen des Druckwellen-Signals enthaltende Koeffizienten einer Basis-Funktion mittels den erfassten direkt quantifizierten Wellendruckdifferenzen des Druckwellen-Signals berechnet und gespeichert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Basis-Funktion eine Wavelet-Basisfunktion ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
von verschiedenen Druckgradientenmikrofonen jeweils verschiedene Wellendruckdifferenzen verschiedener Messzeitintervalle (IM) in sich wiederholenden Gesamtzeitintervallen (IG) erfasst werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Gesamtzeitintervall (IG) in eine Anzahl von gleichlangen Basiszeitintervallen (IB) gleichmäßig eingeteilt wird und die Länge eines Basiszeitintervalls (IB) durch eine größte und eine kleinste aufzulösende Frequenz bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die größte durch die kleinste aufzulösende Frequenz dividiert wird und der Quotient die Anzahl und Länge der Basiszeitintervalle (IB) in einem Gesamtzeitintervall (IG) bestimmt.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anzahl der Basiszeitintervalle (IB) als Zweierpotenz 2m mit einem Exponenten m ausgedrückt wird, der die Anzahl der verwendeten Druckgradientenmikrofone bestimmt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
mittels eines Druckmikrofons absolute Wellenpegel zu allen Messzeitpunkten (to...ts) jeweils eines Gesamtzeitintervalls (IG) ZU einer Summe S aufaddiert werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
alle Koeffizienten mittels den erfassten Wellendruckdifferenzen und der Summe S je Gesamtzeitintervall (IG) berechnet werden .
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wavelet-Basisfunktion
eine Haar-Wavelet-Funktion,
eine Coiflet-Wavelet-Funktion,
eine Gabor-Wavelet-Funktion,
eine Daubechies-Wavelet-Funktion,
eine Johnston-Barnard-Wavelet-Funktion oder
eine Bioorthogonal-Spline-Wavelet-Funktion ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10 in Verbindung mit Anspruch 7, wobei die Wavelet-Basisfunktion eine Haar-Wavelet-Basis-funk- tion ist, dadurch gekennzeichnet, dass
jeweils eines von m Druckgradientenmikrofonen Druckdifferenzen von jeweils 2n Basiszeitintervall (en) (IG) als Messzeitintervall (IM) erfasst, wobei die Messzeitintervalle (IM) durch jeweils 2n Basiszeitintervall (e) (IB) voneinander beabstandet sind, wobei n Element No und ≤ m-1 ist.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass komprimiert wird, indem Koeffizienten unterhalb eines Schwellenwertes vernachlässigt wer- den .
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass mehrere verschiedene Druckgradientenmikrofone für verschiedene Frequenzbereiche verwendet werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass Flächen von Aufnahmemembranen der Druckgradientenmikrofone auf den jeweiligen Frequenzbe- reich abgestimmt sind.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmemembranen der Druckgradientenmikrofone aneinander angrenzend in einem Gehäuse angeordnet sind.
16. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmemembranen konzentrisch zueinander angeordnet sind.
17. Verfahren nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, dass innen Aufnahmemembrane für hö- herfrequentere Wellendruckdifferenzen und außen Aufnahmemembrane für niederfrequentere Wellendruckdifferenzen angeordnet sind.
18. Verfahren zur Wiedergabe eines mit einem Verfahren eines der Ansprüche 1 bis 17 aufgenommenen Druckwellen-Signals, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer oberen Hessenberg- Matrix aus den gespeicherten Druckdifferenzen die absoluten Wellendrücke zu allen Messzeitpunkten je Gesamtzeitintervall zurück berechnet und wiedergegeben werden.
19. Verfahren zur Wiedergabe eines mit einem Verfahren eines der Ansprüche 2 bis 17 aufgenommenen Druckwellen-Signals, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer inversen Transformation aus den Koeffizienten, optional zusammen mit der Summe S, die absoluten Wellendrücke zu allen Messzeitpunkten je Gesamtzeitintervall zurück berechnet und wiedergegeben werden.
20. Druckgradientenmikrofone zur Aufnahme eines Druckwellen- Signals mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, dass Flächen von Aufnahmemembranen der Druckgradientenmikrofone auf den jeweiligen Frequenzbereich abgestimmt sind.
21. Druckgradientenmikrofone nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmemembranen der Druckgradientenmikrofone aneinander angrenzend und in einem Gehäuse angeordnet sind.
22. Druckgradientenmikrofone nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmemembranen konzentrisch zueinander angeordnet sind.
23. Druckgradientenmikrofone nach Anspruch 22,
dadurch gekennzeichnet, dass innen Aufnahmemembrane für hö- herfrequentere Wellendruckdifferenzen und außen Aufnahmemembrane für niederfrequentere Wellendruckdifferenzen angeordnet sind.
24. Verwendung eines Verfahrens oder von Mikrofonen nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei Schalldruckwellen im Audiobereich oder Ultraschallbereich in der Medizin oder der Materialkunde oder bei seismischen Wellen in der Geophysik oder der Materialkunde.
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