DE102023123832A1

DE102023123832A1 - Method and device for determining spatial positions of an object using acoustic guide stars

Info

Publication number: DE102023123832A1
Application number: DE102023123832.9A
Authority: DE
Inventors: Armin Goudarzi; Thomas Ahlefeldt; Carsten Spehr; Daniel Ernst
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2023-09-05
Filing date: 2023-09-05
Publication date: 2025-03-06

Abstract

Zur Bestimmung einer Raumlage eines Objekts (2) gegenüber einem Mikrofonarray (9) wird mit mindestens drei an bekannten Punkten (3) des Objekts (2) angeordneten akustischen Leitsternen (4) Schall (11) abgestrahlt. Der von den akustischen Leitsternen (4) ausgehende Schall (11) wird mit mehreren Mikrofonen (10) des Mikrofonarrays (9) in elektrische Signale umgewandelt. Die elektrischen Signale werden hinsichtlich Relativpositionen der Leitsterne (4) gegenüber dem Mikrofonarray (9) ausgewertet; und aus den Positionen der Leitsterne (4) im Raum wird die Raumlage des Objekts (2) gegenüber dem Mikrofonarray (9) bestimmt.To determine a spatial position of an object (2) relative to a microphone array (9), sound (11) is emitted by at least three acoustic guide stars (4) arranged at known points (3) of the object (2). The sound (11) emitted by the acoustic guide stars (4) is converted into electrical signals by several microphones (10) of the microphone array (9). The electrical signals are evaluated with regard to the relative positions of the guide stars (4) relative to the microphone array (9); and the spatial position of the object (2) relative to the microphone array (9) is determined from the positions of the guide stars (4) in space.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung einer Raumlage eines Objekts gegenüber einem Mikrofonarray sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.The invention relates to a method for determining a spatial position of an object relative to a microphone array and to a device for carrying out such a method.

Ein Mikrofonarray weist eine Mehrzahl von Mikrofonen in einer definierten räumlichen Relativanordnung auf. Durch die unterschiedlichen Positionen der Mikrofone gelangt Schall von einer Schallquelle im Raum zu unterschiedlichen Zeitpunkten zu den einzelnen Mikrofonen des Mikrofonarrays. Durch zeitabhängige Analyse der Signale der einzelnen Mikrofone, die als Beamforming bezeichnet wird, kann auf die Relativposition einer Schallquelle gegenüber dem Mikrofonarray geschlossen werden, wobei die Genauigkeit bei aktuellen Beamforming-Techniken in allen drei Raumrichtungen, das heißt auch in Richtung des Abstands zu den Mikrofonarray groß ist und durch den technologischen Fortschritt immer größer wird.A microphone array has a number of microphones in a defined spatial relative arrangement. Due to the different positions of the microphones, sound from a sound source in the room reaches the individual microphones of the microphone array at different times. By analyzing the signals from the individual microphones over time, which is known as beamforming, the relative position of a sound source in relation to the microphone array can be determined. The accuracy of current beamforming techniques is high in all three spatial directions, i.e. also in the direction of the distance to the microphone array, and is becoming increasingly greater as technology advances.

Beim Beamforming werden mit dem Mikrofonarray die Relativpositionen und die Schallleistungen von Schallquellen bestimmt. Typischer Weise befinden sich diese Schallquellen an einem Objekt, sei es an einem Lautsprecher oder an einem umströmten Körper. Häufig ist es ausreichend, den ungefähren Ort des Objekts relativ zu dem Mikrofonarray zu kennen, um die jeweilige Relativposition und Schallleistung einer Schallquelle an dem Objekt zuzuordnen. Durch Fortschritte in der Arraytechnologie ist es jedoch möglich, einzelne Schallquellen an einem Objekt zu erkennen und in allen Raumdimensionen aufzulösen. Daher ist es wichtig, den Ort und die Ausrichtung des Objekts relativ zu dem Mikrofonarray, die hier zusammen als Raumlage des Objekts gegenüber dem Mikrofonarray bezeichnet werden, zu kennen, um die Schallquellen bestimmten Positionen an dem Objekt, d. h. Relativpositionen gegenüber dem Objekt, zuzuordnen.In beamforming, the microphone array is used to determine the relative positions and sound power of sound sources. These sound sources are typically located on an object, be it a loudspeaker or a body around which air flows. It is often sufficient to know the approximate location of the object relative to the microphone array in order to assign the respective relative position and sound power of a sound source to the object. However, advances in array technology make it possible to detect individual sound sources on an object and resolve them in all spatial dimensions. It is therefore important to know the location and orientation of the object relative to the microphone array, which are collectively referred to here as the spatial position of the object relative to the microphone array, in order to assign the sound sources to specific positions on the object, i.e. relative positions to the object.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Bei akustischen Windkanalmessungen ist es üblich, die Raumlage eines Objekts, an dem die Windkanalmessungen durchgeführt werden, mit einer optischen Messvorrichtung auszumessen. Aus der gegenüber der optischen Messeinrichtung bestimmten Raumlage wird dann auf die Raumlage des Objekts gegenüber einem bei den akustischen Windkanalmessungen verwendeten Mikrofonarray geschlossen. Um Änderungen der Raumlage des Objekts während der Windkanalmessungen zu erfassen, muss die akustische Messvorrichtung auch während der Windkanalmessungen freie Sicht auf das Objekt haben, was häufig nicht der Fall ist. Während der Windkanalmessungen kann sich nicht nur die Raumlage des jeweiligen Objekts verändern, sondern es kann auf Grund seiner Anströmung auch deformiert werden. Eine solche Deformation ist zwar auch mit optischen Messvorrichtungen erfassbar, aber auch dies setzt eine freie Sicht der optischen Messvorrichtungen auf das Objekt voraus. Dabei ist zu bedenken, dass die optische Messvorrichtung während der eigentlichen akustischen Windkanalmessung weder zwischen dem Objekt und dem Mikrofonarray angeordnet werden darf, noch überhaupt in dem durchströmten Bereich des Windkanals angeordnet sein sollte. Weiterhin basieren viele optische Messvorrichtungen auf der Abbildung von Markern an der Oberfläche des jeweiligen Objekts aus unterschiedlichen Abbildungsrichtungen. Entsprechend muss die Sicht auf das Objekt aus den mehreren Abbildungsrichtungen frei sein, und die eine Mindestausdehnung aufweisenden optischen Marker müssen auf der Oberfläche des Objekts angebracht werden, ohne deren Umströmungseigenschaften zu verändern.In acoustic wind tunnel measurements, it is common to measure the spatial position of an object on which the wind tunnel measurements are being carried out using an optical measuring device. The spatial position determined in relation to the optical measuring device is then used to determine the spatial position of the object in relation to a microphone array used in the acoustic wind tunnel measurements. In order to record changes in the spatial position of the object during the wind tunnel measurements, the acoustic measuring device must also have a clear view of the object during the wind tunnel measurements, which is often not the case. During the wind tunnel measurements, not only can the spatial position of the respective object change, but it can also be deformed due to the flow it is exposed to. Such a deformation can also be recorded using optical measuring devices, but this also requires the optical measuring devices to have a clear view of the object. It should be remembered that the optical measuring device must not be positioned between the object and the microphone array during the actual acoustic wind tunnel measurement, nor should it be positioned in the area of the wind tunnel through which the air flows. Furthermore, many optical measuring devices are based on the imaging of markers on the surface of the respective object from different imaging directions. Accordingly, the view of the object must be clear from the multiple imaging directions, and the optical markers, which have a minimum dimension, must be attached to the surface of the object without changing its flow properties.

Beim Beamforming durch ein strömendes Medium zwischen Schallquelle und Mikrofonarray kommt es zu einem Versatz zwischen der realen Position der Schallquelle gegenüber dem Mikrofonarray und der durch einfaches Beamforming bestimmten Relativposition der Schallquelle. Dieser Versatz ist unter Berücksichtigung der akustisch relevanten Eigenschaften des strömenden Mediums kompensierbar, sodass mit Hilfe des Beamformings grundsätzlich die tatsächliche Relativposition der Schallquelle gegenüber dem Mikrofonarray bestimmbar ist. Diese Bestimmbarkeit setzt jedoch eine genaue Kenntnis der Verteilungen der akustisch relevanten Eigenschaften des Mediums, wie beispielsweise der Verteilungen der Dichte und der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums, zwischen der Schallquelle und dem Mikrofonarray voraus. Wenn diese Verteilungen geschätzt werden müssen, ist die mittels Beamforming ermittelte Relativposition der Schallquelle gegenüber dem Mikrofonarray zwangsläufig mit einem Fehler behaftet.When beamforming through a flowing medium between the sound source and the microphone array, there is an offset between the actual position of the sound source relative to the microphone array and the relative position of the sound source determined by simple beamforming. This offset can be compensated for by taking into account the acoustically relevant properties of the flowing medium, so that the actual relative position of the sound source relative to the microphone array can in principle be determined using beamforming. However, this determinability requires precise knowledge of the distributions of the acoustically relevant properties of the medium, such as the distributions of the density and flow velocity of the medium, between the sound source and the microphone array. If these distributions have to be estimated, the relative position of the sound source relative to the microphone array determined by beamforming is inevitably subject to error.

Die DE 10 2008 017 001 B3 beschreibt eine Vorrichtung zur Bestimmung der akustischen Position von Mikrofonen im Raum. Die Vorrichtung weist mindestens drei jeweils einen Lautsprecher aufweisende Schallquellen und mindestens ein Referenzmikrofon in bekannter Relativanordnung zu den Schallquellen auf. Die Lautsprecher der Schallquellen und das Referenzmikrofon sind an einer schallharten Platte gelagert. Jeder Lautsprecher ist ein Hochton-Lautsprecher, der von der Rückseite der Platte her Schall durch ein Loch in der schallharten Platte auf deren Vorderseite abstrahlt. Jedes Loch, durch den einer der Hochton-Lautsprecher Schall abstrahlt, weist einen minimalen Durchmesser an der Vorderseite der Platte von weniger als der kleinsten Wellenlänge des abgestrahlten Schalls auf. Die Hochton-Lautsprecher sind an eine Signalquelle für weißes Rauschen angeschlossen, die weißes Rauschen mit Frequenzen von mindestens 5 kHz ausgibt. Das Referenzmikrofon ist orthogonal zu der Platte ausgerichtet. Die Schallquellen sind kreisförmig um das Referenzmikrofon herum angeordnet. Eine Auswerteeinrichtung bestimmt Gangunterschiede zwischen einem Ausgangssignal des Referenzmikrofons und einem Ausgangssignal des jeweiligen Mikrofons, dessen Lage zu bestimmen ist, durch Korrelationsanalyse.The DE 10 2008 017 001 B3 describes a device for determining the acoustic position of microphones in space. The device has at least three sound sources, each with a loudspeaker, and at least one reference microphone in a known arrangement relative to the sound sources. The loudspeakers of the sound sources and the reference microphone are mounted on a reverberant plate. Each loudspeaker is a tweeter that emits sound from the back of the plate through a hole in the reverberant plate to the front of the plate. Each hole through which one of the tweeters emits sound has a minimum diameter on the front of the plate of less than the small longest wavelength of the emitted sound. The tweeters are connected to a white noise signal source that emits white noise at frequencies of at least 5 kHz. The reference microphone is aligned orthogonally to the plate. The sound sources are arranged in a circle around the reference microphone. An evaluation device determines path differences between an output signal of the reference microphone and an output signal of the respective microphone, the position of which is to be determined, by correlation analysis.

Aus der US 9 645 223 B2 ist ein Verfahren zur akustischen Unterwassernavigation bekannt. Ein Unterwasserempfänger bestimmt seine Position unter Verwendung von Signalen, die von einem Array von akustischen Sendern ausgesendet werden, welches nahe der Oberfläche angeordnet ist. Die Position des Arrays wird unter Verwendung von GPS-Technologie gemessen. Die Sender erzeugen kollektiv ein akustisches Signal, in dem die Position und die Lage des Geräts und die GPS-Zeit der Aussendung kodiert sind. Ein Unterwasserempfänger, der mit der GPS-Zeit synchronisiert ist, verwendet die ausgesandte Position und Lage des Arrays und die Übertragungsinformation, um seine Position zu ermitteln.From the US 9 645 223 B2 is a method of acoustic underwater navigation. An underwater receiver determines its position using signals transmitted by an array of acoustic transmitters located near the surface. The position of the array is measured using GPS technology. The transmitters collectively generate an acoustic signal encoding the position and attitude of the device and the GPS time of transmission. An underwater receiver, synchronized with GPS time, uses the transmitted position and attitude of the array and the transmission information to determine its position.

Die EP 4 120 027 A1 offenbart ein Verfahren zur Positionsbestimmung von Mikro- oder Nanorobotern in einem biologischen Gewebe. Bei dem Verfahren wird ein gepulster Laserstrahl in einen kohärenten Lichtstrahl und einen kohärenten Referenzstrahl aufgeteilt. Der kohärente Messstrahl wird auf einen in dem biologischen Gewebe angeordneten Mikro- oder Nanoroboter gerichtet, wobei der Mikro- oder Nanoroboter wenigstens einen nichtlinearoptischen Kristall als Leitstern aufweist. Der kohärente Referenzstrahl wird auf einen nichtlinearoptischen Referenzkristall geleitet. Ein durch den nichtlinearoptischen Referenzkristall unter Erzeugung der zweiten Harmonischen emittiertes kohärentes Referenzstrahlenbündel wird mit dem durch den nichtlinearoptischen Kristall des Mikro- oder Nanoroboters unter Erzeugung der zweiten Harmonischen emittierten kohärenten Messstrahlenbündel überlagert. Ein aus der Überlagerung resultierendes zweidimensionales Interferenzmuster wird detektiert, und daraus wird die Position des Mikro- oder Nanoroboters ermittelt.The EP 4 120 027 A1 discloses a method for determining the position of micro- or nanorobots in a biological tissue. In the method, a pulsed laser beam is split into a coherent light beam and a coherent reference beam. The coherent measuring beam is directed at a micro- or nanorobot arranged in the biological tissue, wherein the micro- or nanorobot has at least one non-linear optical crystal as a guide star. The coherent reference beam is directed at a non-linear optical reference crystal. A coherent reference beam emitted by the non-linear optical reference crystal to generate the second harmonic is superimposed on the coherent measuring beam emitted by the non-linear optical crystal of the micro- or nanorobot to generate the second harmonic. A two-dimensional interference pattern resulting from the superposition is detected, and the position of the micro- or nanorobot is determined from this.

Die DE 102021 112 535 B3 offenbart ein Sonar-Verfahren zur Erkennung, Positions- und Geschwindigkeitsbestimmung von Objekten unter Wasser in einem vorbestimmten Gebiet. Mit einer in dem vorbestimmten Gebiet definiert positionierten Sonar-Sendereinrichtung werden orthogonale Signale durch eine Spreizung und/oder Stauchung einer ausgewählten Signalfrequenz mittels der Sonar-Sendereinrichtung erzeugt und gesendet. Sich aus der Reflektion der gesendeten Signale an einem oder mehreren Objekten ergebende Signale werden mittels eines einzelnen Hydrophons einer Sonar-Empfangseinrichtung empfangen und erfasst, die ebenfalls in dem vorbestimmten Gebiet vorgesehen ist. Basierend auf den erfassten Signalen erfolgt die Erkennung, Positions- und Geschwindigkeitsbestimmung aller reflektierenden Objekte in Bezug auf die Senderposition.The DE 102021 112 535 B3 discloses a sonar method for detecting, determining the position and speed of objects under water in a predetermined area. With a sonar transmitter device positioned in a defined manner in the predetermined area, orthogonal signals are generated and transmitted by spreading and/or compressing a selected signal frequency using the sonar transmitter device. Signals resulting from the reflection of the transmitted signals on one or more objects are received and recorded using a single hydrophone of a sonar receiver device, which is also provided in the predetermined area. Based on the recorded signals, the detection, position and speed of all reflecting objects is determined in relation to the transmitter position.

Die DE 10 2020 103 264 A1 offenbart ein Verfahren zur automatischen Erkennung von Schallquellen aus Beamforming Schallkarten. Anhand statistischer Eigenschaften werden die Quellen identifiziert und analysiert.The DE 10 2020 103 264 A1 discloses a method for the automatic detection of sound sources from beamforming sound maps. The sources are identified and analyzed based on statistical properties.

AUFGABE DER ERFINDUNGTASK OF THE INVENTION

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung einer Raumlage eines Objekts gegenüber einem Mikrofonarray und eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens aufzuzeigen, mit denen die Raumlage des Objekts gegenüber dem Mikrofonarray beispielsweise auch während laufender akustischer Windkanalmessungen mit dem Mikrofonarray mit begrenztem Aufwand und dennoch hoher Genauigkeit zeitaufgelöst bestimmbar ist.The invention is based on the object of demonstrating a method for determining a spatial position of an object relative to a microphone array and a device for carrying out such a method, with which the spatial position of the object relative to the microphone array can be determined in a time-resolved manner, for example even during ongoing acoustic wind tunnel measurements with the microphone array, with limited effort and yet high accuracy.

LÖSUNGSOLUTION

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die Patentansprüche 2 bis 12 betreffen bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Patentanspruch 13 ist auf eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gerichtet.The object of the invention is achieved by a method having the features of independent patent claim 1. Patent claims 2 to 12 relate to preferred embodiments of the method according to the invention. Patent claim 13 is directed to a device for carrying out the method according to the invention.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung einer Raumlage eines Objekts gegenüber einem Mikrofonarray wird mit mindestens drei an bekannten Punkten des Objekts angeordneten akustischen Leitsternen Schall abgestrahlt, der hier zu seiner Unterscheidung von anderem Schall vielfach als erster Schall bezeichnet wird, ohne dass hiermit irgendeine Eigenschaft des ersten Schalls zum Ausdruck gebracht werden soll, beispielsweise auch nicht, dass er früher abgestrahlt wird als der andere Schall. Der von den akustischen Leitsternen ausgehende erste Schall wird mit mehreren Mikrofonen des Mikrofonarrays in erste elektrische Signale umgewandelt. Bei den mehreren Mikrofonen des Mikrofonarrays kann es sich, muss es sich aber nicht, um alle Mikrofone des Mikrofonarrays handeln. Die mehreren Mikrofone des Mikrofonarrays können beliebig im Raum angeordnet werden. Dass die elektrischen Signale, in die der erste Schall umgewandelt wird, als erste elektrische Signale bezeichnet werden, dient wieder nur ihrer Unterscheidung von anderen elektrischen Signalen.In a method according to the invention for determining a spatial position of an object relative to a microphone array, sound is emitted using at least three acoustic guide stars arranged at known points on the object, which is often referred to here as the first sound to distinguish it from other sound, without this being intended to express any property of the first sound, for example not even that it is emitted earlier than the other sound. The first sound emanating from the acoustic guide stars is converted into first electrical signals using several microphones in the microphone array. The several microphones in the microphone array can be, but do not have to be, all of the microphones in the microphone array. The several microphones in the microphone array can be arranged anywhere in the room. The fact that the electrical signals into which the first sound is converted are referred to as first electrical signals net only serves to distinguish them from other electrical signals.

Die ersten elektrischen Signale werden hinsichtlich Relativpositionen der akustischen Leitsterne gegenüber dem Mikrofonarray ausgewertet; und aus den Relativpositionen der akustischen Leitsterne gegenüber dem Mikrofonarray wird die interessierende Raumlage des Objekts gegenüber dem Mikrofonarray bestimmt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Mikrofonarray in genau derselben Weise für die Bestimmung der Relativpositionen der akustischen Leitsterne eingesetzt, wie sonst beispielsweise zur Bestimmung von Relativpositionen von zu lokalisierenden Schallquellen an dem Objekt. Daher benötigt das erfindungsgemäße Verfahren keinen zusätzlichen freien Zugang zu dem Objekt als er für solche Messungen mit dem Mikrofonarray sowieso vorhanden sein muss. Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher auch während solcher Messungen mit dem Mikrofonarray durchgeführt werden, um zu erfassen, ob sich während dieser Messungen die Raumlage des Objekts gegenüber dem Mikrofonarray verändert. Zudem kann die Raumlage des Objekts gegenüber dem Mikrofonarray mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit mindestens derselben und vielfach einer höheren Genauigkeit bestimmt werden wie/als die Relativpositionen der zu lokalisierenden Schallquellen. Dies liegt daran, dass der von den akustischen Leitsternen abgestrahlte erste Schall für die Bestimmung der Relativpositionen der akustischen Leisterne gegenüber dem Mikrofonarray optimiert werden kann, was bei unbekannten zu lokalisierenden Schallquellen grundsätzlich nicht der Fall ist.The first electrical signals are evaluated with regard to the relative positions of the acoustic guide stars in relation to the microphone array; and the spatial position of the object in relation to the microphone array of interest is determined from the relative positions of the acoustic guide stars in relation to the microphone array. In the method according to the invention, the microphone array is used in exactly the same way to determine the relative positions of the acoustic guide stars as it is otherwise used, for example, to determine the relative positions of sound sources to be localized on the object. Therefore, the method according to the invention does not require any additional free access to the object than must be available anyway for such measurements with the microphone array. The method according to the invention can therefore also be carried out during such measurements with the microphone array in order to detect whether the spatial position of the object in relation to the microphone array changes during these measurements. In addition, the spatial position of the object in relation to the microphone array can be determined with the method according to the invention with at least the same and often a higher accuracy than the relative positions of the sound sources to be localized. This is because the first sound emitted by the acoustic guide stars can be optimized for determining the relative positions of the acoustic guide stars with respect to the microphone array, which is generally not the case for unknown sound sources to be localized.

Beim Auswerten der ersten elektrischen Signale hinsichtlich der Relativpositionen der akustischen Leitsterne gegenüber dem Mikrofonarray werden unterschiedliche Laufzeiten des ersten Schalls von den Leitsternen zu den einzelnen Mikrofonen des Mikrofonarrays analysiert, und die Relativpositionen der Leitsterne gegenüber dem Mikrofonarray werden unter Anwendung von Triangulationen bestimmt. Konkreter können beim Auswerten der ersten elektrischen Signale Phasenversätze und Amplitudenunterschiede zwischen den ersten elektrischen Signalen der einzelnen Mikrofone analysiert werden, und die Relativpositionen der Leitsterne gegenüber dem Mikrofonarray können unter Anwendung von Beamforming bestimmt werden. Beamforming ist die übliche und weitentwickelte Technik zur Auswertung von Signalen von Mikrofonen von Mikrofonarrays, um Relativpositionen von Schallquellen gegenüber den Mikrofonarrays zu bestimmen.When evaluating the first electrical signals with respect to the relative positions of the acoustic guide stars with respect to the microphone array, different travel times of the first sound from the guide stars to the individual microphones of the microphone array are analyzed, and the relative positions of the guide stars with respect to the microphone array are determined using triangulation. More specifically, when evaluating the first electrical signals, phase offsets and amplitude differences between the first electrical signals of the individual microphones can be analyzed, and the relative positions of the guide stars with respect to the microphone array can be determined using beamforming. Beamforming is the common and well-developed technique for evaluating signals from microphones of microphone arrays in order to determine relative positions of sound sources with respect to the microphone arrays.

Zusätzlich können beim Auswerten der ersten elektrischen Signale Dopplerverschiebungen des ersten Schalls von den Leitsternen zu den einzelnen Mikrofonen analysiert werden, die sich durch Bewegungen der Leitsterne gegenüber dem Mikrofonarray ergeben. Die jeweilige Dopplerverschiebung hängt von der Geschwindigkeitskomponente des jeweiligen Leitsterns in Richtung des Abstands zu dem jeweiligen Mikrofon des Mikrofonarrays ab. Aus den Geschwindigkeitskomponenten der Leitsterne gegenüber den einzelnen Mikrofonen kann auf die Relativgeschwindigkeiten der Leitsterne gegenüber dem Mikrofonarray und daraus wiederum auf die Bewegung des Objekts gegenüber dem Mikrofonarray rückgeschlossen werden. Um die Dopplerverschiebungen des ersten Schalls von den Leitsternen erfassen zu können, muss die Frequenz beziehungsweise ein Frequenzspektrum des von den Leitsternen abgestrahlten ersten Schalls bekannt oder zumindest aus den ersten Signalen bestimmbar sein.In addition, when evaluating the first electrical signals, Doppler shifts of the first sound from the guide stars to the individual microphones can be analyzed, which result from movements of the guide stars relative to the microphone array. The respective Doppler shift depends on the speed component of the respective guide star in the direction of the distance to the respective microphone of the microphone array. From the speed components of the guide stars relative to the individual microphones, conclusions can be drawn about the relative speeds of the guide stars relative to the microphone array and, from this, the movement of the object relative to the microphone array. In order to be able to record the Doppler shifts of the first sound from the guide stars, the frequency or a frequency spectrum of the first sound emitted by the guide stars must be known or at least determinable from the first signals.

Da der erste Schall, der von den akustischen Leitsternen abgestrahlt wird, künstlich erzeugt wird, kann seine Frequenz beziehungsweise sein Frequenzspektrum frei definiert werden. So kann die Frequenz beziehungsweise das Frequenzspektrum des ersten Schalls genau vorgegeben werden. Weiterhin kann in dem ersten Schall eine Information dazu kodiert werden, mit welchem der einzelnen akustischen Leitsterne er abgestrahlt wird. Auf diese Weise werden die einzelnen akustischen Leitsterne neben ihren Relativpositionen gegenüber dem Mikrofonarray zusätzlich unterscheidbar. Konkret kann die Information über den den jeweiligen ersten Schall abstrahlenden Leitstern beispielsweise durch den Zeitpunkt der Abstrahlung des ersten Schalls, die Frequenz beziehungsweise das Frequenzspektrum des ersten Schalls, einen Frequenzverlauf des ersten Schalls, ein Amplitudenspektrum des ersten Schalls, einen Amplitudenverlauf und/oder eine Phasenlage des ersten Schalls kodiert werden.Since the first sound emitted by the acoustic guide stars is artificially generated, its frequency or frequency spectrum can be freely defined. In this way, the frequency or frequency spectrum of the first sound can be precisely specified. Furthermore, information about which of the individual acoustic guide stars it is emitted with can be encoded in the first sound. In this way, the individual acoustic guide stars can be distinguished in addition to their relative positions in relation to the microphone array. Specifically, the information about the guide star emitting the respective first sound can be encoded, for example, by the time of emission of the first sound, the frequency or frequency spectrum of the first sound, a frequency curve of the first sound, an amplitude spectrum of the first sound, an amplitude curve and/or a phase position of the first sound.

Wenn der erste Schall mit mehr als drei an mehr als drei bekannten Punkten des Objekts angeordneten akustischen Leitsternen abgestrahlt wird, kann aus den Relativpositionen der Leitsterne auch zeitaufgelöst auf Deformationen des Objekts geschlossen werden. So kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Deformation des Objekts unter aerodynamischen Lasten in einem Windkanal erfasst werden. Es versteht sich, dass für ein quantitatives Erfassen von Deformationen des Objekts die Leitsterne in Punkten des Objekts angeordnet seien müssen, die sich als Netz über das Objekt ziehen. Eine qualitative Erfassung von Deformationen kann auch durch wenige zusätzliche Leitsterne an Punkten erfolgen, die durch die Deformationen gegenüber dem Rest des Objekts und den daran angeordneten Leitsternen stark ausgelenkt werden. Die Deformationen können als Abweichungen der Relativpositionen der Leitsterne gegenüber dem Mikrofonarray von entsprechenden Referenzpositionen ohne Last ermittelt werden.If the first sound is emitted with more than three acoustic guide stars arranged at more than three known points on the object, the relative positions of the guide stars can also be used to determine deformations of the object in a time-resolved manner. The method according to the invention can thus be used to record a deformation of the object under aerodynamic loads in a wind tunnel. It goes without saying that in order to quantitatively record deformations of the object, the guide stars must be arranged at points on the object that extend over the object as a network. A qualitative recording of deformations can also be carried out using a few additional guide stars at points that are strongly deflected by the deformations compared to the rest of the object and the guide stars arranged on it. The deformations can be recorded as deviations in the relative positions of the guide stars compared to the microphone array. from corresponding reference positions without load.

Die Ortsauflösung, die beim Beamforming erreicht werden kann, hängt von der Frequenz des von dem jeweiligen Leitstern abgestrahlten ersten Schalls ab. Je höher diese Frequenz ist, desto genauer kann die Relativposition des jeweiligen akustischen Leitsterns gegenüber dem Mikrofonarray bestimmt werden. Häufig ergibt sich aus den ersten Signalen bei sehr hohen Frequenzen des ersten Schalls jedoch keine eindeutige Relativposition des jeweiligen Leitsterns gegenüber dem Mikrofonarray. Daher kann es sinnvoll sein, die Relativposition eines Leitsterns statistisch über ein Frequenzintervall zu bestimmen, wie es in der DE 10 2020 103 264 A1 detailliert beschrieben ist. Zu diesem Zweck kann der erste Schall mit mindestens einem der akustischen Leitsterne nacheinander oder simultan mit unterschiedlichen Frequenzen abgestrahlt werden.The spatial resolution that can be achieved with beamforming depends on the frequency of the first sound emitted by the respective guide star. The higher this frequency, the more precisely the relative position of the respective acoustic guide star can be determined in relation to the microphone array. However, the first signals at very high frequencies of the first sound often do not result in a clear relative position of the respective guide star in relation to the microphone array. It can therefore be useful to determine the relative position of a guide star statistically over a frequency interval, as described in the DE 10 2020 103 264 A1 is described in detail. For this purpose, the first sound can be emitted with at least one of the acoustic guide stars, one after the other or simultaneously, at different frequencies.

Das Abstrahlen des ersten Schalls mit mindestens einem der akustischen Leitsterne nacheinander mit unterschiedlichen Frequenzen und/oder Amplituden kann auch dazu dienen, Einflüsse des Mediums zwischen dem Leitstern und dem Mikrofonarray auf die Laufzeit des Schalls, die nicht bei allen Frequenzen und/oder Amplituden des Schalls gleich sind, zu erkennen und bei der Bestimmung der Relativpositionen der Leitsterne gegenüber dem Mikrofonarray zu berücksichtigen. Dabei können je nach Anordnung der Mikrofone des Mikrofonarrays lokale Beschleunigen einer Strömung um das Objekt und eine frequenzabhängige Dämpfung des ersten Schalls durch die Scherschicht gegenüber einer strömungsfreien Referenzmessung des ersten Schalls identifiziert werden, sowie Reflektionen identifiziert werden.The emission of the first sound with at least one of the acoustic guide stars one after the other at different frequencies and/or amplitudes can also be used to detect influences of the medium between the guide star and the microphone array on the travel time of the sound, which are not the same for all frequencies and/or amplitudes of the sound, and to take these into account when determining the relative positions of the guide stars in relation to the microphone array. Depending on the arrangement of the microphones in the microphone array, local acceleration of a flow around the object and a frequency-dependent attenuation of the first sound by the shear layer compared to a flow-free reference measurement of the first sound can be identified, as well as reflections can be identified.

Zusätzlich kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer in einer bekannten Position im Raum angeordneten Referenzschallquelle weiterer Schall abgestrahlt werden, wobei der von der Referenzschallquelle ausgehende weitere Schall mit den akustischen Leitsternen in weitere elektrische Signale umgewandelt werden kann, um die weiteren elektrischen Signale hinsichtlich der Positionen der akustischen Leitsterne im Raum auszuwerten. Bei dem weiteren Schall, der von den akustischen Leitsternen in die weiteren elektrischen Signale umgewandelt wird, ist die Signallaufrichtung gegenüber dem ersten Schall, der von den Leitsternen abgestrahlt wird, umgekehrt. Dieses Vorgehen setzt voraus, dass die akustischen Leitsterne in der Lage sind, nicht nur Schall abzustrahlen, sondern auch Schall in elektrische Signale umzuwandeln. Das ist jedoch bei vielen Lautsprechern der Fall, die auch als Mikrofone betreibbar sind, sodass bei den akustischen Leitstellen neben dem jeweiligen Lautsprecher kein zusätzliches Mikrofon für die Umwandlung des weiteren Schalls in weitere elektrische Signale vorgesehen werden muss.In addition, in the method according to the invention, further sound can be emitted using a reference sound source arranged in a known position in the room, whereby the further sound emanating from the reference sound source can be converted into further electrical signals using the acoustic guide stars in order to evaluate the further electrical signals with regard to the positions of the acoustic guide stars in the room. For the further sound that is converted into the further electrical signals by the acoustic guide stars, the signal direction is reversed compared to the first sound emitted by the guide stars. This procedure assumes that the acoustic guide stars are able to not only emit sound, but also convert sound into electrical signals. However, this is the case with many loudspeakers that can also be operated as microphones, so that no additional microphone needs to be provided at the acoustic control centers in addition to the respective loudspeaker for converting the further sound into further electrical signals.

Insbesondere können die akustischen Leitsterne mit sogenannten MEMS (microelectromechanical systems) ausgebildet werden, mit denen sowohl Schall abstrahlbar als auch Schall in elektrische Signale umwandelbar ist. Solche MEMS sind in kleiner Bauform zu günstigen Preisen kommerziell verfügbar. Weiterhin weisen bekannte MEMS kleine Schallaustrittsbeziehungsweise -eintrittsöffnungen auf, sodass sie als Punktschallquellen angesehen werden können.In particular, the acoustic guide stars can be formed using so-called MEMS (microelectromechanical systems), which can both emit sound and convert sound into electrical signals. Such MEMS are commercially available in small designs at reasonable prices. Furthermore, known MEMS have small sound outlet or inlet openings, so that they can be regarded as point sound sources.

Die Referenzschallquelle kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer festen Position gegenüber den Mikrofonen des Mikrofonarrays angeordnet werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, sie fest gegenüber einem Referenzobjekt im Raum zu positionieren. Es können auch mehrere Referenzschallquellen an mehreren bekannten Positionen im Raum angeordnet werden, um weiteren Schall abzustrahlen, der von den akustischen Leitsternen in weitere elektrische Signale umgewandelt wird. Dazu können beispielsweise die Mikrofone des Mikrofonarrays verwendet werden, indem diese zu Schallquellen umfunktioniert werden.In the method according to the invention, the reference sound source can be arranged in a fixed position opposite the microphones of the microphone array. Another possibility is to position it fixedly opposite a reference object in the room. Several reference sound sources can also be arranged at several known positions in the room in order to emit further sound, which is converted into further electrical signals by the acoustic guide stars. For example, the microphones of the microphone array can be used for this purpose by converting them into sound sources.

Weiterhin kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren von zu lokalisierenden Schallquellen an dem Objekt ausgehender zweiter Schall mit den Mikrofonen des Mikrofonarrays in zweite elektrische Signale umgewandelt werden. Als zweiter Schall wird somit der Schall bezeichnet, der vom Objekt selbst verursacht wird und typischerweise mittels Beamforming identifiziert und quantifiziert werden soll. Die zweiten elektrischen Signale können dann hinsichtlich Relativpositionen der zu lokalisierenden Schallquellen gegenüber dem Mikrofonarray und/oder Relativpositionen der zu lokalisierenden Schallquellen gegenüber dem Objekt ausgewertet werden. Insbesondere für Letzteres bietet das erfindungsgemäße Verfahren auf Grund der genauen Bestimmung der Raumlage des Objekts gegenüber dem Mikrofonarray beste Voraussetzungen. So können mit dem erfindungsgemäße Verfahren die lokalisierten Schallquellen genauen Relativpositionen gegenüber dem Objekt und damit konkreten Details des Objekts beziehungsweise deren Überströmung zugeordnet werden. Die von dem statistisch bekannten ersten Schall hervorgerufenen ersten elektrischen Signale können von den durch den zweiten Schall hervorgerufenen zweiten elektrischen Signalen der Mikrofone des Mikrofonarrays getrennt werden, so dass das Beamforming für den ersten Schall von den akustischen Leitsternen und für den zweiten Schall, den das Objekt verursacht, getrennt durchgeführt werden kann.Furthermore, in the method according to the invention, second sound emanating from sound sources to be localized on the object can be converted into second electrical signals using the microphones of the microphone array. The second sound is therefore the sound that is caused by the object itself and is typically to be identified and quantified using beamforming. The second electrical signals can then be evaluated with regard to the relative positions of the sound sources to be localized relative to the microphone array and/or the relative positions of the sound sources to be localized relative to the object. The method according to the invention offers the best conditions for the latter in particular due to the precise determination of the spatial position of the object relative to the microphone array. The method according to the invention can thus be used to assign the localized sound sources to precise relative positions relative to the object and thus to specific details of the object or their flow. The first electrical signals caused by the statistically known first sound can be separated from the second electrical signals of the microphones of the microphone array caused by the second sound, so that beamforming can be performed separately for the first sound from the acoustic guide stars and for the second sound caused by the object.

Bei akustischen Windkanalmessungen sind die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmten Relativpositionen der Leitsterne gegenüber dem Mikrofonarray ohne Berücksichtigung der akustisch relevanten Eigenschaften, insbesondere der Verteilungen der Dichte und der Strömungsgeschwindigkeit des zwischen den Leitsternen und dem Mikrofonarray befindlichen Mediums gegenüber ihren tatsächlichen Positionen versetzt. Umgekehrt zeigen diese Verlagerungen an, mit welchem Versatz Relativpositionen von in der Nähe der Leitsterne befindlichen zu lokalisierenden Schallquellen ohne die Berücksichtigung der akustisch relevanten Eigenschaften des zwischen den Schallquellen und dem Mikrofonarray befindlichen Mediums bestimmt werden. So kann bei ausreichender Dichte der Leitsterne eine Korrekturfunktion ermittelt werden. Dabei kann diese Korrekturfunktion eine gleiche lineare Verschiebung der Relativpositionen aller Leitsterne gegenüber ihren tatsächlichen Positionen, die einer linearen Verschiebung des gesamten Objekts gegenüber seiner tatsächlichen Raumlage entspricht, unberücksichtigt lassen. Eine solche scheinbare lineare Verschiebung des gesamten Objekts kann in der Hauptströmungsrichtung eines das Objekt umströmenden Mediums auftreten, und sie kann unberücksichtigt bleiben, weil sie für die Bestimmung der Relativpositionen der zu lokalisierenden Schallquellen gegenüber dem Objekt, dessen Raumlage mit Hilfe der Leitsterne ermittelt wird, unbeachtlich ist.In acoustic wind tunnel measurements, the relative positions of the guide stars relative to the microphone array determined using the method according to the invention are offset from their actual positions without taking into account the acoustically relevant properties, in particular the distributions of the density and the flow velocity of the medium located between the guide stars and the microphone array. Conversely, these shifts indicate the offset with which relative positions of sound sources to be localized in the vicinity of the guide stars are determined without taking into account the acoustically relevant properties of the medium located between the sound sources and the microphone array. In this way, a correction function can be determined if the density of the guide stars is sufficient. This correction function can ignore an equal linear shift in the relative positions of all guide stars relative to their actual positions, which corresponds to a linear shift of the entire object relative to its actual spatial position. Such an apparent linear displacement of the entire object can occur in the main flow direction of a medium flowing around the object, and it can be disregarded because it is irrelevant for determining the relative positions of the sound sources to be localized with respect to the object, the spatial position of which is determined with the help of the guide stars.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der erste Schall mit den akustischen Leitsternen abgestrahlt, während der zweite Schall simultan von den zu lokalisierenden Schallquellen ausgeht, sodass eben die Raumlage und gegebenenfalls auch eben die Deformation des Objekts bestimmbar ist, bei der der zweite Schall von den zu lokalisierenden Schallquellen ausgeht.In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, the first sound is emitted with the acoustic guide stars, while the second sound emanates simultaneously from the sound sources to be localized, so that the spatial position and possibly also the deformation of the object can be determined at which the second sound emanates from the sound sources to be localized.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist ein Objekt auf, das mindestens drei an bekannten Punkten des Objekts angeordnete akustische Leitsterne umfasst, welche zur Abstrahlung von erstem Schall mit bekannten statistischen Eigenschaften ansteuerbar sind. Weiterhin weist die Vorrichtung ein gegenüber dem Objekt angeordnetes Mikrofonarray auf, das eine Vielzahl von Mikrofonen umfasst, welche dazu ausgebildet sind, den ersten Schall in erste elektrische Signale umzuwandeln. Für die ersten Signale ist vorzugsweise eine ein Beamforming implementierende Auswerteeinrichtung vorgesehen. Die akustischen Leitsterne sind vorzugsweise mit MEMS ausgebildet, mit denen sowohl Schall abstrahlbar als auch Schall in elektrische Signale umwandelbar ist. Auch aus weiteren bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.A device for carrying out the method according to the invention has an object that comprises at least three acoustic guide stars arranged at known points on the object, which can be controlled to emit first sound with known statistical properties. The device also has a microphone array arranged opposite the object, which comprises a plurality of microphones designed to convert the first sound into first electrical signals. An evaluation device implementing beamforming is preferably provided for the first signals. The acoustic guide stars are preferably designed with MEMS, with which both sound can be emitted and sound can be converted into electrical signals. Preferred embodiments of the device according to the invention also correspond to further preferred embodiments of the method according to the invention.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.Advantageous developments of the invention emerge from the patent claims, the description and the drawings.

Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen.The advantages of features and combinations of several features mentioned in the description are merely exemplary and can be effective alternatively or cumulatively without the advantages necessarily having to be achieved by embodiments according to the invention.

Hinsichtlich des Offenbarungsgehalts - nicht des Schutzbereichs - der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents gilt Folgendes: Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen, was aber nicht für die unabhängigen Patentansprüche des erteilten Patents gilt.The following applies to the disclosure content - not the scope of protection - of the original application documents and the patent: Further features can be found in the drawings - in particular the geometries shown and the relative dimensions of several components to one another as well as their relative arrangement and operative connection. The combination of features of different embodiments of the invention or of features of different patent claims is also possible in deviation from the selected references of the patent claims and is hereby suggested. This also applies to features that are shown in separate drawings or are mentioned in their description. These features can also be combined with features of different patent claims. Likewise, features listed in the patent claims can be omitted for further embodiments of the invention, but this does not apply to the independent patent claims of the granted patent.

Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einer Referenzschallquelle die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau eine Referenzschallquelle, zwei Referenzschallquellen oder mehr Referenzschallquellen vorhanden sind. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch weitere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die der Gegenstand des jeweiligen Patentanspruchs aufweist.The number of features mentioned in the patent claims and the description is to be understood as meaning that exactly this number or a greater number than the number mentioned is present, without the need for an explicit use of the adverb "at least". For example, if a reference sound source is mentioned, this is to be understood as meaning that exactly one reference sound source, two reference sound sources or more reference sound sources are present. The features listed in the patent claims can be supplemented by further features or can be the only features that the subject matter of the respective patent claim has.

Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.The reference signs contained in the patent claims do not represent a limitation of the scope of the subject matter protected by the patent claims. They serve only the purpose of making the patent claims easier to understand.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE CHARACTERS

Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 zeigt ein Beispiel für die Lokalisation von Schallquellen mittels Beamforming bei zwei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten einer Anströmung eines Objekts, dessen dargestellte Lage auf einer Expertenschätzung basiert.
3 zeigt ein Objekt mit Leitsternen gemäß 1, wobei in 3(A) mit Hilfe von Beamforming gemessene Relativpositionen der Leitsterne gegenüber einem Mikrofonarray dargestellt sind, während in 3(B) die Relativpositionen in ein Referenzkoordinatensystem des Objekts transformiert sind; und
4 zeigt die Vorrichtung gemäß 1 bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß 1 unter Berücksichtigung eines schallreflektierenden Bodens.

In the following, the invention is further explained and described with reference to preferred embodiments shown in the figures.

1 shows schematically a device according to the invention when carrying out a method according to the invention.
2 shows an example of the localization of sound sources using beamforming at two different flow velocities of an airflow towards an object whose displayed position is based on an expert estimate.
3 shows an object with guide stars according to 1 , where in 3(A) relative positions of the guide stars measured using beamforming are shown in relation to a microphone array, while in 3(B) the relative positions are transformed into a reference coordinate system of the object; and
4 shows the device according to 1 when carrying out the method according to the invention according to 1 taking into account a sound-reflecting floor.

FIGURENBESCHREIBUNGFIGURE DESCRIPTION

Die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 weist ein Objekt 2 auf, das an mehreren bekannten Punkten 3 mit akustischen Leitsternen 4 versehen ist. Bei dem Objekt 2 handelt es sich hier um einen Flugzeugflügel 5 mit einem Triebwerk 6, einer Landeklappe 7 und weiteren zeichnerisch dargestellten Details. Die Punkte 3, an denen die akustischen Leitsterne 4 angeordnet sind, sind über die Unterseite 8 des Flugzeugflügels 5 hinweg verteilt. Die Unterseite ist einem Mikrofonarray 9 der Vorrichtung 1 zugekehrt. Das Mikrofonarray 9 weist eine Vielzahl von Mikrofonen 10 auf. Die akustischen Leitsterne 4 sind jeweils dazu ausgebildet, ersten Schall 11 abzustrahlen, der mit den Mikrofonen 10 des Mikrofonarrays 9 in erste elektrische Signale umgewandelt wird. Auf Grund der unterschiedlichen Relativpositionen jedes akustischen Leitsterns 4 gegenüber den verschiedenen Mikrofonen 10 des Mikrofonarrays 9 resultieren Phasenversätze und Amplitudenunterschiede zwischen den ersten elektrischen Signalen von den verschiedenen Mikrofonen 10. Aus diesen Phasenverschiebungen und Amplitudenunterschieden ist die Relativposition des jeweiligen akustischen Leitsterns 4 gegenüber dem Mikrofonarray 9 bestimmbar. Aus den Relativpositionen der akustischen Leitsterne 4 ist dann die Raumlage des Objekts 2 gegenüber dem Mikrofonarray 9 bestimmbar. Konkret erfolgt die Bestimmung der Positionen der akustischen Leitsterne 4 mittels sogenanntem Beamforming.The in 1 The device 1 shown has an object 2 which is provided with acoustic guide stars 4 at several known points 3. The object 2 here is an aircraft wing 5 with an engine 6, a landing flap 7 and other details shown in the drawing. The points 3 at which the acoustic guide stars 4 are arranged are distributed over the underside 8 of the aircraft wing 5. The underside faces a microphone array 9 of the device 1. The microphone array 9 has a plurality of microphones 10. The acoustic guide stars 4 are each designed to emit first sound 11, which is converted into first electrical signals by the microphones 10 of the microphone array 9. Due to the different relative positions of each acoustic guide star 4 in relation to the various microphones 10 of the microphone array 9, phase shifts and amplitude differences result between the first electrical signals from the various microphones 10. The relative position of the respective acoustic guide star 4 in relation to the microphone array 9 can be determined from these phase shifts and amplitude differences. The spatial position of the object 2 in relation to the microphone array 9 can then be determined from the relative positions of the acoustic guide stars 4. Specifically, the positions of the acoustic guide stars 4 are determined using so-called beamforming.

Die Bestimmung der Raumlage des Objekts 2 gegenüber dem Mikrofonarray 9 kann vor, insbesondere aber auch während der Lokalisation unbekannter Schallquellen an dem Objekt 2 mittels Beamforming unter Verwendung des Mikrofonarrays 9 erfolgen. Die fortlaufende Erfassung der Relativpositionen der Leitsterne 4 gegenüber dem Mikrofonarray 9 kann dabei zum einen dazu dienen, reale Änderungen der Relativpositionen der akustischen Leitsterne 4 gegenüber dem Mikrofonarray 9 auf Grund von Änderungen der Raumlage des Objekts 2 gegenüber dem Mikrofonarray 9 oder auf Grund von Deformationen des Objekts 2 zu verfolgen, und zum anderen dazu, Verlagerungen der scheinbaren Relativpositionen der akustischen Leitsterne 4 auf Grund von sich ändernden akustisch relevanten Eigenschaften eines sich zwischen dem Objekt 2 und dem Mikrofonarray 9 befindlichen Mediums 12 zu erkennen und bei der Bestimmung der Relativpositionen der akustischen Leitsterne oder anderer Schallquellen mittels Beamforming zu berücksichtigen. Zu den akustisch relevanten Eigenschaften des Mediums 12, deren Änderungen zu Versätzen zwischen den realen und den durch Beamforming bestimmten Relativpositionen der Leitsterne 4 gegenüber dem Mikrofonarray 9 führen können, zählen insbesondere die Dichte und die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums 12, wozu auch Turbulenzen und Scherschichten zählen. Dabei kommt es auf die räumliche Verteilung der akustisch relevanten Eigenschaften des Mediums 12 zwischen dem Objekt 2 und dem Mikrofonarray 9 an.The spatial position of the object 2 relative to the microphone array 9 can be determined before, but especially also during the localization of unknown sound sources on the object 2 by means of beamforming using the microphone array 9. The continuous recording of the relative positions of the guide stars 4 relative to the microphone array 9 can serve, on the one hand, to track real changes in the relative positions of the acoustic guide stars 4 relative to the microphone array 9 due to changes in the spatial position of the object 2 relative to the microphone array 9 or due to deformations of the object 2, and, on the other hand, to detect shifts in the apparent relative positions of the acoustic guide stars 4 due to changing acoustically relevant properties of a medium 12 located between the object 2 and the microphone array 9 and to take them into account when determining the relative positions of the acoustic guide stars or other sound sources by means of beamforming. The acoustically relevant properties of the medium 12, changes in which can lead to offsets between the real and the relative positions of the guide stars 4 determined by beamforming with respect to the microphone array 9, include in particular the density and the flow velocity of the medium 12, which also include turbulence and shear layers. The spatial distribution of the acoustically relevant properties of the medium 12 between the object 2 and the microphone array 9 is important.

2 zeigt beispielhafte Ergebnisse einer Lokalisierung von Schallquellen an dem Flugzeugflügel 5 durch Beamforming für zwei Strömungsgeschwindigkeiten (A) M=0,125 und (B) M=0,250 einer Anströmung mit Luft. Die Schallquellen 13 scheinen mit ansteigender Strömungsgeschwindigkeit gegenüber dem Flugzeugflügel 5 nach links zu wandern, was auf eine ungenügende Schätzung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums 12 zwischen dem Flugzeugflügel 5 und dem Mikrofonarray schließen lässt. Ohne akustische Leitsterne 4 ist es nicht möglich zu erkennen, ob dieses Wandern ein methodischer Fehler, ein Beamforming-Fehler, die vermutete ungenügende Schätzung der Strömungsgeschwindigkeit oder ein echter physikalischer Effekt ist, zum Beispiel auf Grund einer Durchbiegung des Objekts 2. 2 shows exemplary results of a localization of sound sources on the aircraft wing 5 by beamforming for two flow velocities (A) M=0.125 and (B) M=0.250 of an incoming air flow. The sound sources 13 appear to move to the left relative to the aircraft wing 5 as the flow velocity increases, which suggests an insufficient estimate of the flow velocity of the medium 12 between the aircraft wing 5 and the microphone array. Without acoustic guide stars 4, it is not possible to determine whether this movement is a methodological error, a beamforming error, the suspected insufficient estimate of the flow velocity or a real physical effect, for example due to a deflection of the object 2.

Wenn mittels Beamforming die Relativpositionen der Leitsterne 4 gegenüber dem Mikrofonarray 9 bestimmt werden, ergibt sich die in 3(A) gezeigte räumliche Verteilung. Auf Grund der Anordnung der Leitsterne 4 an bekannten Punkten 3 des Objekts 2 können die Verzerrung des Objekts 2 beim Beamforming und die tatsächliche Raumlage des Objekts 2 bestimmt werden. Dann wird eine Transformation bestimmt, die das verzerrte Objekt 2 in das unverzerrte Objekt 2 in einem Referenzkoordinatensystem überführt. Das Ergebnis dieser Transformation ist in 3(B) dargestellt. Mit derselben Transformation können dann die Relativpositionen der Schallquellen 13 gemäß 2 in das Referenzkoordinatensystem transformiert werden, um die tatsächlichen Relativpositionen der Schallquellen 13 gegenüber dem Objekt 2 zu ermitteln. If the relative positions of the guide stars 4 with respect to the microphone array 9 are determined by means of beamforming, the result is 3(A) shown spatial distribution. Due to the arrangement of the guide stars 4 at known points 3 of the object 2, the distortion of the object 2 during beamforming and the actual spatial position of the object 2 can be determined. Then a transformation is determined that converts the distorted object 2 into the undistorted object 2 is transformed into a reference coordinate system. The result of this transformation is in 3(B) Using the same transformation, the relative positions of the sound sources 13 can then be determined according to 2 transformed into the reference coordinate system in order to determine the actual relative positions of the sound sources 13 with respect to the object 2.

4 zeigt zusätzlich zu 1, dass der erste Schall 11 von einem reflektierenden Boden 14 reflektiert wird und als reflektierter erster Schall 15 aufgrund seiner längeren Laufstrecke etwas später zu dem Mikrofonarray 9 gelangt. Da für das Auswerten der elektrischen Signale der Mikrofone 10 des Mikrofonarrays 9 auch ein Ansteuersignal zur Verfügung steht, mit dem die akustischen Leitsterne 4 zur Abstrahlung des Schalls 11 angesteuert werden, kann zwischen den Anteilen des elektrischen Signals der Mikrofone 10, die von dem Schall 11 hervorgerufen werden, und den Anteilen, die etwas später von dem reflektierten Schall 15 hervor gerufen werden, einfach unterschieden werden. Das bekannte Ansteuersignal kann außerdem als Referenzsignal genutzt werden, um beispielsweise Auswirkungen unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten und Bereiche turbulenter Strömungen des Mediums 12 auf die elektrischen Signale der Mikrofone 10 des Mikrofonarrays 9 zu erkennen. 4 shows in addition to 1 that the first sound 11 is reflected by a reflective floor 14 and, as a reflected first sound 15, reaches the microphone array 9 somewhat later due to its longer travel distance. Since a control signal is also available for evaluating the electrical signals of the microphones 10 of the microphone array 9, with which the acoustic guide stars 4 are controlled to emit the sound 11, a distinction can easily be made between the portions of the electrical signal of the microphones 10 that are caused by the sound 11 and the portions that are caused somewhat later by the reflected sound 15. The known control signal can also be used as a reference signal in order to recognize, for example, the effects of different flow velocities and areas of turbulent flow of the medium 12 on the electrical signals of the microphones 10 of the microphone array 9.

BEZUGSZEICHENLISTEREFERENCE SYMBOL LIST

11: Vorrichtungdevice
22: Objektobject
33: Punkt des Objekts 2point of object 2
44: akustischer Leitsternacoustic guiding star
55: Flugzeugflügelairplane wings
66: Triebwerkengine
77: Landeklappelanding flap
88: Unterseitebottom
99: Mikrofonarraymicrophone array
1010: Mikrofonmicrophone
1111: erster Schallfirst sound
1212: Mediummedium
1313: Schallquellesound source
1414: BodenFloor
1515: reflektierter erster Schallreflected first sound

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10 2008 017 001 B3 [0006]
US 9 645 223 B2 [0007]
EP 4 120 027 A1 [0008]
DE 102021 112 535 B3 [0009]
DE 10 2020 103 264 A1 [0010, 0019]

Claims

Method for determining a spatial position of an object (2) relative to a microphone array (9), wherein first sound (11) is emitted by at least three acoustic guide stars (4) arranged at known points (3) of the object (2), wherein the first sound (11) emanating from the acoustic guide stars (4) is converted into first electrical signals by several microphones (10) of the microphone array (9), wherein the first electrical signals are evaluated with regard to relative positions of the acoustic guide stars (4) relative to the microphone array (9) and wherein the spatial position of the object (2) relative to the microphone array (9) is determined from the relative positions of the acoustic guide stars (4) relative to the microphone array (9).

procedure according to claim 1 , wherein when evaluating the first electrical signals, different travel times of the first sound (11) from the guide stars (4) to the individual microphones (10) are analyzed and the relative positions of the guide stars (4) with respect to the microphone array (9) are determined using triangulation.

procedure according to claim 2 , wherein when evaluating the first electrical signals, phase offsets and amplitude differences between the first electrical signals of the individual microphones (10) are analyzed and the relative positions of the guide stars (4) with respect to the microphone array (9) are determined using beamforming.

Method according to one of the preceding claims, wherein, when evaluating the first electrical signals, Doppler shifts of the first sound (11) from the guide stars (4) to the individual microphones (10) are analyzed and relative speeds of the guide stars (4) with respect to the microphone array (9) are determined from speed components with respect to the individual microphones (10).

Method according to one of the preceding claims, wherein information is encoded in the first sound (11) as to which of the individual acoustic guide stars (4) it is emitted with.

procedure according to claim 5 , wherein the information is encoded by time and/or frequency spectrum and/or frequency response and/or amplitude spectrum and/or amplitude response and/or phase position of the first sound (11).

Method according to one of the preceding claims, wherein the first sound (11) is emitted with more than three acoustic guide stars (4) arranged at more than three known points (3) of the object (2), wherein deformations of the object (2) are determined from the relative positions of the guide stars (4).

Method according to one of the preceding claims, wherein the first sound (11) is emitted with at least one of the acoustic guide stars (4) successively or simultaneously with different frequencies and/or amplitudes.

Method according to one of the preceding claims, wherein further sound is emitted by a reference sound source arranged at a known position in the room, wherein the further sound emanating from the reference sound source is converted into further electrical signals by the acoustic guide stars (4) in order to evaluate the further electrical signals with regard to the positions of the acoustic guide stars (4) in the room.

Method according to one of the preceding claims, wherein the acoustic guide stars (4) are formed with MEMS, with which both sound can be emitted and sound can be converted into electrical signals.

Method according to one of the preceding claims, wherein second sound emanating from sound sources (13) to be localized on the object (2) is converted into second electrical signals by the microphones (10) and the second electrical signals are evaluated with regard to relative positions of the sound sources (13) to be localized relative to the microphone array (9) and/or relative positions of the sound sources (13) to be localized relative to the object (2).

procedure according to claim 11 , wherein the first sound (11) is emitted with the acoustic guide stars (4), while the second sound emanates from the sound sources (13) to be localized.

Device (1) for carrying out the method according to one of the preceding claims, with - an object (2) which has at least three acoustic guide stars (4) arranged at known points (3) of the object (2), which can be controlled to emit first sound (11) with predeterminable statistical properties, and - a Microphone array (9) having a plurality of microphones (10) configured to convert the first sound (11) into first electrical signals.