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Die
Erfindung betrifft Verfahren zum Lokalisieren von Geräuschquellen
eines sich in einer Entfernung bewegenden Fahrzeugs. Ferner betrifft
die Erfindung ein System zum Lokalisieren von Geräuschquellen
eines sich in großer
Entfernung bewegenden Fahrzeugs.
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Aus
dem Stand der Technik sind Verfahren zu Quelllokalisierung von Geräuschquellen
an Fahrzeugen bekannt.
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So
beschreibt die
DE
199 10 329 A1 ein Verfahren zur Bestimmung der Außengeräuschzusammensetzung
von Fahrzeugen in einem Akustikprüfstand. Dabei werden zur exakteren
Bestimmung des Anteils einer Einzelgeräuschquelle am Vorbeifahrgeräusch folgende
Schritte vorgeschlagen: Ermitteln eines von der Gesamtheit der Einzelschallquellen
des Fahrzeugs hervorgerufenen Schallfelds beim Fahrbetrieb mittels
am Fahrzeug angebrachter Nahfeldmikrofone und im Prüfstand angeordneter
Fernfeldmikrofone. Ermitteln eines von Lautsprechern hervorgerufenen
Schallfelds bei ruhendem Fahrzeug, wobei die Lautsprecher an Positionen
oder in der Nähe der
Position der Einzelgeräuschquellen
des Fahrzeugs angeordnet sind, zumindest eine den jeweiligen Lautsprecherbetrieb
charakterisierende Größe erfasst
und die Lautsprecher nacheinander in Betrieb genommen werden. Berechnen
der den Lautsprecherbetrieb charakterisierenden Größen, welche
bei simultaner Anregung zur Erzeugung des Fahrgeräuschs aus
dem ersten Schritt notwendig sind und Berechnung eines durch eine
Einzelschallquelle erzeugten Schalldruckpegels an einem bestimmten
Mikrophonprodukt im Feld. Hierdurch soll eine exakte Bestimmung
des Anteils einzelner Einzelgeräuschquellen
am Vorbeifahrgeräusch
eines Straßenfahrzeugs
ermöglicht
werden. Eine Positionsbestimmung, wie sie für Fahrzeuge in großer Entfernung
erforderlich ist, erfolgt hier nicht. Auch sind atmosphärische Störungen durch
die Messung in definierter Prüfstandumgebung
ausgeschlossen.
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Ferner
offenbart die
US 7,054,228
B1 Verfahren zur Lokalisierung und Quantifizierung von
Geräuschquellen
mittels Verwendung von Arrays von Akustischen Vektor-Sensoren. In
einer Auswertungseinrichtung werden hier der Schalldruck und die
Geräuschintensität bestimmt,
welche eine Richtungsbestimmung der Geräuschquelle ermöglichen
sollen. Die ungefähren
räumlichen
Koordinaten der Geräuschquelle
werden dabei mittels einer quadratischen Triangulationsformel bestimmt.
Hiermit kann ein überfliegendes
Flugzeug geortet und nachverfolgt werden sowie dessen Geräusch-Volumen
bestimmt werden. Eine Bestimmung verschiedener Geräuschquellen
am Flugzeug selbst ist mit diesem Verfahren nicht möglich, da
hierzu die absolute Ortsbestimmung des in großer Entfernung vorüberfliegenden
Flugzeugs zu ungenau ist und dieses lediglich als Koordinatenpunkt
wiedergegeben werden kann.
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Eine
anderes bekanntes Verfahren zur Bestimmung der Geräuschquellen
eines Flugzeugs im Überflug
ist in Piet, J. F. et al. „Localization
of the Acoustic Sources of the A340 with Large Phased Microphone
Array during Flight Tests",
American Institute of Aeronautics and Astronautics, Paper 2002–2506, S.
1–11 beschrieben.
Darin ist die Nutzung eines Mikrophonarrays vorgesehen. Die Geräuschmessung
ist dabei mit einer sehr genauen Bestimmung der Flugzeugposition
und der Flugzeuglage verbunden, die mittels GPS Daten oder mittels Radartechnik
erfolgt. Dabei sollte die Genauigkeit in der Größenordung der Wellenlänge liegen.
Nachteil dieses bekannten Verfahrens ist es, dass elektromagnetische
Wellen zur Positionsbestimmung des Flugzeugs verwendet werden, die
nicht der Änderung
der lokalen Schallgeschwindigkeit durch atmosphärische Schwankungen wie Wind,
Temperatur, etc. unterworfen sind. Der Nachteil der Positionsbestimmung
mittels GPS, Radar, Funk, etc. besteht also darin, dass elektromagnetische
Wellen verwendet werden. Diese elektromagnetischen Wellen breiten
sich anders als die zu messenden Schallwellen aus, d. h. es wird zwar
die geometrische Position exakt bestimmt, die relevante „akustische" Position wird jedoch
nur ungenau ermittelt. Hierdurch fokusiert das Mikrophonarray häufig auf
eine falsche Position und die Messergebnisse der Quelllokalisierung
der Lärmquelle
sind praktisch nicht brauchbar.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten
Lösungen
des Standes der Technik zu vermeiden und eine verbesserte Lösung zum
Lokalisieren von Geräuschquellen eines
sich z. B. in großer
Entfernung bewegenden Fahrzeugs zur Verfügung zu stellen. Außerdem soll durch
die Erfindung ferner eine einfache und kostengünstige Lösung zur Verfügung gestellt
werden, die auf den Zugriff externer Messstationen, wie beispielsweise
Radarstationen verzichtet.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren zum Lokalisieren von Geräuschquellen eines sich in großer Entfernung
bewegenden Fahrzeugs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie
durch ein System zum Lokalisieren von Geräuschquellen eines sich in großer Entfernung
bewegenden Fahrzeugs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung sind
in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Lokalisieren von Geräuschquellen
eines sich in einer Entfernung bewegenden Fahrzeugs, weist dabei
folgende Schritte auf:
- – Bereitstellen eines Arrays
mit akustischen Sensoren;
- – Bereitstellen
von akustischen Sendern am Fahrzeug zum Erzeugen eines orthogonalen
Referenzsignals;
- – Synchronisation
der akustischen Sender und der akustischen Sensoren mit einer absoluten
Referenzzeit;
- – Korrelation
der empfangenen Signale mit den Referenzsignalen;
- – Bestimmen
der absoluten akustischen Lage der Geräuschquellen sowie der relativen
Orientierung der Geräuschquellen
durch Triangulation.
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Hierdurch
werden die Nachteile der bekannten Lösungen des Standes der Technik
vermieden und eine verbesserte Lösung
zum Lokalisieren von Geräuschquellen
eines sich entfernt bewegenden Fahrzeugs zur Verfügung gestellt.
Außerdem
wird durch die Erfindung eine einfache und kostengünstige Lösung zur
Verfügung
gestellt, die auf den Zugriff externer Messstationen, wie beispielsweise
Radarstationen, verzichtet. Das Fahrzeug kann sich insbesondere
in relativ großer
Entfernung befinden, beispielsweise wenn es sich um ein vorbei fliegendes Flugzeug
handelt, oder es kann sich in relativ geringer Entfernung befinden,
beispielsweise im Fall einer Nahmessung an einem Hubschrauber, wobei
z. B. auch Strömung
einwirkt.
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Erfindungsgemäß werden
für die
Ortung und für
die Lagebestimmung, d. h. für
den Drehwinkel bzw. die Orientierung, akustische Referenzquellen verwendet.
Diese senden orthogonale akustische Signalfolgen aus. Diese Signalfolgen
können
beispielsweise Chirpsignale, Barkercodes, Goldcodes, etc. sein.
Mittels dieser Referenzsignale kann dann die akustische Position
des Fahrzeugs exakt bestimmt werden. Ein besonderer Vorteil ist
dabei, dass sowohl die Ortungssignale als auch das Mess-System auf akustischer
Ausbreitung beruhen. Das heißt,
die Ortung berücksichtigt
automatisch alle Phänomene
der atmosphärischen
Wellenausbreitung bzw. Boden- und Geländeeffekte wie Reflexionen,
etc., und lässt damit
eine exakte Positionsbestimmung zu. Ferner sind keine zusätzlichen
Mess- oder Hilfssysteme nötig.
Insbesondere entfällt
die Bestimmung der Absolutposition bei spielsweise mittels Radar,
da für
das erfindungsgemäße Verfahren
die Bestimmung der akustischen Relativposition ausreicht.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die akustischen
Sensoren als Mikrofone ausgebildet sind. Diese haben sich bei der
Geräuschmessung
als zuverlässig
und vielseitig erwiesen. Insbesondere lassen Mikrofone die Messung weiter
Frequenzbereiche zu und bieten somit eine Fülle an Rohdaten zur weiteren
Auswertung.
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Noch
eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die
orthogonalen Referenzsignale unterschiedlich kodiert sind. Hierdurch
lassen sich die Referenzsignale einzelnen Bauteilen am Fahrzeug
und somit definierten Positionen zuordnen.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
die akustischen Sender als Lautsprecher oder andere geeignete elektromechanische
Wandler ausgebildet sind, deren Ausdehnung klein gegenüber der
jeweiligen Wellenlänge
ist. Hier kommen insbesondere kleine Bauarten zur Anwendung, damit
die Sender nicht das Strömungsverhalten
ungünstig
beeinflussen.
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Noch
eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor,
dass zumindest drei Sender am Fahrzeug vorgesehen sind. Hierdurch
lässt sich in
einfacher Weise eine Positionsbestimmung durchführen, die bei weniger als drei
Sendern aufwändiger ist.
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Ferner
sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass das
sich bewegende Fahrzeug ein Flugobjekt, insbesondere ein Flugzeug,
im Überflug
ist. Hier kommt die Erfindung besonders zum Tragen, da die Entfernungen
zwischen Fahrzeug und Array hier besonders groß sind. Aber auch Geräuschquellen
von in der Ferne vorüberfahrende Land-
oder Wasserfahrzeuge können
vorteilhaft mit diesem Verfahren lokalisiert werden.
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Eine
andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
die Blickrichtung des Arrays über
eine Zeitverzögerung
an jedem akustischen Sensor gesteuert wird. Dies wird von einer
Auswertungseinrichtung gesteuert.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine Kreuzkorrelation
aus der Orthogonalfolge des Signals und einem Mustervergleich erfolgt.
Hierdurch lassen sich die Messergebnisse verfeinern bzw. verifizieren.
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Schließlich sieht
eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass eine Bestimmung
der Dämpfung
der Signale durch die Ausbreitung aufgrund der orthogonalen Referenzsignale
erfolgt. Es wird also durch Verwendung von Normquellen, d. h. durch
Leistungsnormierung, auch die Dämpfung
des Signals durch die Ausbreitung bestimmt.
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Ein
erfindungsgemäßes System
zum Lokalisieren von Geräuschquellen
eines sich in großer
Entfernung bewegenden Fahrzeugs weist ein Array mit akustischen
Sensoren, akustische Sender am Fahrzeug zum Erzeugen von orthogonalen
Referenzsignalen und eine Auswertungseinheit auf. Dabei kann die
Auswertungseinheit als digitale Recheneinheit mit Echtzeitbetrieb
ausgestaltet sein.
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Weitere
die Erfindung verbessernde Maßnahmen
werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der beigefügten
Figur näher
dargestellt. Die Figur zeigt eine schematische perspektivische Ansicht
eines Flugzeugs im Überflug über ein
entsprechendes Messfeld.
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Darin
ist schematisch ein Flugzeug 1 dargestellt, welches sich
in Pfeilrichtung mit einer Geschwindigkeit v in der Zeichnungsebene
von links nach rechts bewegt. Dabei überfliegt das Flugzeug 1 einen
Mikrophonarray 2, der aus etwa 60 in gekreuzten Linien
angeordneten Mikrophonen 3 aufgebaut ist. Dabei ist jedes
der Mikrophone 3 genau definiert und in einem x-y Raster
genau lokalisierbar.
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Am
Flugzeug 1 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei akustische
Sender 4, 5, 6 angeordnet. Dabei ist
an der linken Flügelspitze
ein Sender 4, an der rechten Flügelspitze ein Sender 5 und
im Bug ein Sender 6 angeordnet. Die Sender 4, 5, 6 sind
als Lautsprecher ausgebildet, die unterschiedlich kodierte orthogonale
Referenzsignale 7 aussenden. Die ausgesendeten Signalfolgen
der orthogonalen Signale 7 können dabei Chirpsignale, Barkercodes,
Goldecodes oder andere geeignete Signalfolgen sein. Durch die unterschiedliche
Kodierung, ist jedes Referenzsignal 7 dem entsprechenden
Flugzeugbauteil und damit der Lage am Flugzeug 1 zuordenbar.
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Die
orthogonalen Referenzsignale 7 werden zu Beginn der Messkampagne
mit der Referenzzeit der Mikrofonzeiterfassung synchronisiert. Dies
ist unerlässlich,
da nur so die Signallaufzeit korrekt bestimmt werden kann.
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Durch
Korrelation der empfangenen Signale 7 mit den Referenzen
am Boden kann die akustische Laufzeit jedes Senders zu jedem Mikrophon
bestimmt werden. Daraus folgt über
Triangulation sowohl die absolute akustische Orientierung als auch die
relative Orientierung, d. h. die Neigung bzw. das Kippen.
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Neben
den Referenzsignalen 7 werden auch die übrigen durch das überfliegende
Flugzeug erzeugten Geräusche
vom Mikrophonarray nach ihrer unterschiedlichen Lage erfasst. Dies
sind beispielsweise Triebwerksgeräusche, Interferenzen von aerodynamischen
Bauteilen, reflektierte Schallwellen, etc.
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Da
die Messung und Ortung der Referenzsignale 7 und der Schallwellen
des Fluggeräuschs
auf der selben Wellenausbreitung beruhen, werden Laufzeitschwankungen,
die beispielsweise durch atmosphärische
Störungen
wie Temperaturschichten oder Wind erzeugt werden, in die Messung
bewusst einbezogen. Dadurch orientiert sich das Mikrofonarray 2 automatisch
auf die akustisch relevante Position des sich bewegenden Flugzeugs 1.
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Das
Mikrofonarray 2 arbeitet dabei wie ein klassisches Array
als Beamformer. Die Blickrichtung des Arrays wird über eine
Zeitverzögerung
an jedem Mikrofon gesteuert. Diese Blickrichtung wird im Sinne dieser
Erfindung aus der Positionsbestimmung über die Sender 4, 5, 6 am
sich bewegenden Flugzeug 1 bestimmt.
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Die
Synchronisation der Sender 4, 5, 6 und der
Mikrofone 3 sowie die Signalerfassung und Auswertung erfolgt über eine
(nicht gezeigte) Auswertungseinheit. Dabei handelt es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel
um eine digitale Recheneinheit im Echtzeitbetrieb. Es ist aber auch
möglich,
eine Offline-Auswertung oder spätere
Auswertung der Signale vorzunehmen. In der Auswertungseinheit kann auch
eine Kreuzkorrelation der Orthogonalfolgen der Referenzsignale 7 und
des Mustervergleichs der Signalkodierung erfolgen.
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Die
Erfindung beschränkt
sich in ihrer Ausführung
nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel.
Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der in
den Patentansprüchen
beanspruchten Lösung
auch bei anders gearteten Ausführungen
Gebrauch macht.
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- 1
- Flugzeug
- 2
- Mikrofonarray
- 3
- Mikrofon
- 4
- Sender
- 5
- Sender
- 6
- Sender
- 7
- Referenzsignal