Akustische Sensoreinrichtung mit Störschallunterdrückung

Abstract

 Akustische Sensoreinrichtung mit Störschallunterdrückung insbesondere für auf einem geräuscherzeugenden Aggregat an­geordnete Sensoren unter Verwendung eines Doppelsensors (M1,M2), der zwischen einer Störquelle (S) und einem den aufzufassenden Objektschall aussendenden Objekt angeordnet ist und dessen einer Sensor (M1) auf die Störquelle (S) ge­richtet ist und einer Regelschaltung (R) ein Störschallsi­gnal zuführt, welche eine Antischallquelle (A) so ein­stellt, daß diese einen Antischall p_A zur Kompensation des Störschalls p_S erzeugt, wobei der andere Sensor (M2) auf das aufzufassende Objekt gerichtet ist und ein Meßsignal liefert, in dem der Störschallanteil stark und der Objekt­schallanteil sehr wenig geschwächt sind, so daß durch diese Minderung der Schallanteile in Anhängigkeit von der Ein­fallsrichtung die Auffaßreichweite des Sensors (M2) ver­größert ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft akustische Sensoreinrichtungen mit Störschallunterdrückung zum Erfassen des von einem Objekt ausgesendeten Nutzschalls und insbesondere Sensoreinrichtun­gen, die auf einem geräuscherzeugenden Aggregat angeordnet sind. Infolge des vom Trägeraggregat der Sensoreinrichtung am Sensorort erzeugten Störpegels ist die Auffaßreichweite, d. h. die Reichweite zur akustischen Entdeckung und Ortung des oder der Sensoren der Einrichtung für den jeweils zu messenden Objektschall begrenzt.

[0002] Passive Unterdrückungsmaßnahmen für den Störschall haben naturgemäß den Nachteil, daß neben dem Störschall auch der von einem Objekt kommende, aufzufassende Nutzschall ge­schwächt wird. Auch die in der Literatur beschriebenen ak­tiven Antischallsysteme, die zur Geräuschminderung in der Umgebung eines Aufpunktes das dort vorliegende Schallfeld, gleich welcher Herkunft, insgesamt durch Überlagerung eines gegenphasigen Schallfeldes schwächen oder sogar kom­pensieren, vermindern in nachteiliger Weise sowohl Stör­als auch Nutzschall, da Objektschall und Störquellenschall antischallmäßig gleich behandelt werden. Selbst wenn man entweder von der Störquelle oder vom den Nutzschall aussen­denden Objekt über soviel Information verfügt, daß man durch frequenzselektive Maßnahmen, z.B. den Einsatz adapti­ver Digitalfilter, oder Synchronisationsmaßnahmen zwischen Nutz- und Störschallsignalen unterscheiden kann, kann zwar eine gezieltere Schwächung des Störschalls gelingen, eine entsprechende Schwächung des Nutzsignals durch den Anti­schall läßt sich jedoch auch dann nicht verhindern.

[0003] Bei der Erzeugung von Kompensationsschwingungen bzw. Anti­schallsignalen wurden bereits Regelschaltungen verwendet, denen das von einem Sensor aufgenommene Signal zugeführt wurde und die eine Antischallquelle aufgrund dieses Signals einstellten. Ein Beispiel hierfür findet sich in der DE-PS 30 25 391. In der dort beschriebenen Vorrichtung wird der Regelschaltung elektro-akustisch ein Sollwert zugeführt, der das zeitlich schwankende Nutzsignal darstellt und dem sich das über den Luftweg von außen kommende Störsignal überlagert. Die resultierende Schwingung, die mit einem Mikrofon aufgenommen wird, wird mittels eines linearen Filters gewichtet und fortlaufend mit dem Sollwert ver­glichen. Bei geeigneter Frequenzauslegung des Rück­kopplungszweiges und der Nutzsignalübertragung gelingt eine Minderung der störenden Schwingung und eine mehr oder weniger befriedigende Erhaltung des Nutzsignals im resul­tierenden Signal. Diese Schaltung arbeitet aber nicht, wenn neben dem Störsignal auch das Nutzsignal auf dem Luftweg eingestrahlt wird.

[0004] Auch die DE 31 33 107 A1 löst die obigen Probleme nicht. Im dort vorgeschlagenen Personenschallschutz sind zwei Mikrophone mit unterschiedlicher Richtcharakteristik zu einer Seite ausgerich­tet. Wegen der unterschiedlichen Richtcharakteristik unterscheiden sich Stör- und Nutzsignalbeiträge in den von den Mikrophonen ge­lieferten elektrischen Signalen, wenn Stör- und Nutzschall aus unterschiedlichen Richtungen einfallen. Beide Signale werden auf einen Differenzverstärker gegeben, dessen Ausgangssignal einem Endverstärker zugeführt wird und das erfaßte und selektierte Nutz­signal darstellt, das in eine Ohrmuschel eingespeist wird. Eine wirksame Unterdrückung des Störschalls bei möglichst weitestge­ hender Erhaltung des Nutzsignalanteils ist letztlich nur mit Hilfe manueller unterschiedlicher Einstellung der beiden Mikrophonver­stärker möglich.

[0005] Die vorgeschlagene Regelung des Differenzsignals nach Tiefpass­filterung liefert nur bei bestimmten Störfrequenzen einen wirkungs­vollen Beitrag, indem die am Tiefpaßfilter entstehende Spannung mit Hilfe einer Regelschaltung zum Verstärker des Mikrophons zurückge­führt wird, das hauptsächlich Störschallanteile erfaßt, und die Verstärkung so lange nachgeregelt wird, bis die Tiefpaßfilterung unter einen vorbestimmten Wert abgesunken ist. Abgesehen davon, daß diese Maßnahme nur für ausschließlich tieffrequente Störschallan­teile und ausschließlich höherfrequente Nutzschallanteile geeignet ist, kann nicht verhindert werden, daß bei Differenzbildung unver­meidlicherweise in beiden Signalen vorhandene Nutzsignalbeiträge herausfallen. Selbst wenn die Mikrofonverstärker manuell einge­stellt werden, kann dies nicht völlig unterbunden werden.

[0006] Eine solche manuelle Einstellung eignet sich im übrigen nur für den persönlichen Schallschutz mittels Ohrmuscheln und nicht für eine Sensoreinrichtung zur Erfassung und Ortung von Objektschall.

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine akustische Sensor­einrichtung zur Erfassung von Nutzsignalen eines aussendenden Objekts anzugeben, die, obwohl sie auf oder in der Nähe einer geräuscherzeugenden Störquelle angeordnet ist, eine weitgehende Schwachung des Störschalls der Störquelle gewährleistet, wobei der vom Objekt ausgesendete Nutzschall aber möglichst keine Schwächung erfährt und so mit verbesserter Reichweite aufgefaßt werden kann.

[0008] Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.

[0009] Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung unterscheidet im Ge­gensatz zum Stand der Technik durch den vorgesehenen Dop­ pelsensor, dessen zwischen Störquelle und aufzufassendem Objekt positionierte Einzelsensoren auf die Störquelle bzw. das Objekt gerichtet sind, bereits bei der Schallmessung zwischen Nutzschall, der im wesentlichen von vorn einfällt, und Störschall, der im wesentlichen von hinten einfällt. Benutzt man nur einen der beiden Sensoren zur Regelung, ist eine richtungsabhängige Störschallunterdrückung möglich und aufwendige frequenzselektive Maßnahmen zur nachträglichen Differenzierung zwischen Objektschall und Störschall in der Signalverarbeitung können entfallen.

[0010] Da die Aufgaben der Antischallregelung und der Nutzschall­auffassung erfindungsgemäß auf einen Regelkreis- und einen Auffaßsensor aufgeteilt sind, kann die Störschallunterdrük­kung in der nur mit dem Regelkreissensor verbundenen Regel­schaltung effektiv und schaltungstechnisch einfach erfol­gen. Wegen der Richtwirkung der beiden Sensoren wird durch diese Regelung der Objektschallanteil im vom Auffaßsensor gelieferten Signal nur äußerst wenig, der Störschallanteil dagegen durch die aktive Minderung mittels Antischall wirksam geschwächt, so daß die Auffaßreichweite der ge­samten Sensoreinrichtung vergrößert ist.

[0011] Im Gegensatz zu den Entgegenhaltungen ermöglicht die erfindungs­gemäße Sensoreinrichtung durch die völlige Trennung von Regelkreis­sensor und Nutz- bzw. Objektschallsensor für Störschall aller mög­lichen Frequenzen und Nutzschall auch gänzlich unbekannter Herkunft ohne aufwendige frequenzselektive Maßnahmen die Erfassung der Nutz­signale mit großer Reichweite durch eine effektive, richtungsab­hängige Störschallunterdrückung.

[0012] In der einfachsten Ausführung werden als Doppelsensor zwei antiparallele Richtmikrofone vorzugsweise mit nierenförmi­ger Richtcharakteristik benutzt. Es ist jedoch auch mög­lich, z.B. den Auffaßsensor nicht exakt nach vorn auszu­richten und andere, speziell für das Schallfeld vom Objekt ausgelegte Richtcharakteristiken zu verwenden. Dies gilt auch für den die Störquelle erfassenden Regelkreissensor.

[0013] Die erfindungsgemäße Einrichtung eignet sich in besonderer Weise für auf Störgeräusche erzeugenden Trägeraggregaten angeordnete Sensoren, wobei diese erheblich unempfindlicher gegenüber dem Störpegel ihres eigenen Trägeraggregats wer­den. Jedoch erbringt die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung auch verbesserte Auffaßreichweiten gegenüber anderen Stör­quellen, die Störschall im wesentlichen aus einer rück­wärtigen Richtung einstrahlen.

[0014] Weiterhin können sowohl bei Kenntnis der Stör- und/oder Nutzsignale als auch bei völlig unbekannten Schallobjekten und/oder Störquellen die Sensoren auf gleiche oder entspre­chend unterschiedliche Frequenzbereiche abstimmbar sein, wobei der letztlich im Nutzsignal vorhandene Dämpfungsab­stand zwischen Stör- und Objektschall noch verbessert wer­den kann.

[0015] Ferner ist es von Vorteil, wenn die aus Antischallquelle, Regelschaltung und dem im Einstrahlbereich der Antischall­quelle liegenden Doppelsensor bestehende Antischalleinheit insgesamt schwenkbar ist, so daß die jeweils optimale Aus­richtung zwischen Störquelle und Objekt einstellbar ist.

[0016] Es können auch verschiedene richtungs- und in Bezug auf die Sensoren frequenzselektive derartige Einheiten kombiniert werden, die ein umfassendes Ergebnis verschiedenster aufzu­fassender Objekte und Störquellen liefern.

[0017] Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei diese ein Ausführungsbeispiel der erfin­dungsgemäßen akustischen Sensoreinrichtung zeigt.

[0018] Der in der Figur schematisch dargestellte, aus zwei anti­ parallelen Richtmikrofonen M1 und m2 bestehende Doppelsen­sor ist auf einem nicht näher dargestellten geräuscherzeu­genden Aggregat, z.B. irgendeinem Gerät oder Fahrzeug, so angeordnet, daß er den Störschall p_S von dieser Störquelle S von hinten empfängt und den Objektschall, d.h. den Nutzschall p_N von vorn aufnimmt.

[0019] Das zur Störquelle S hin gerichtete Mikrofon M1 ist an eine Regelschaltung R angeschlossen, die wiederum eine Anti­schallquelle A einstellt. Die Antischallquelle A ist so zwischen der Störquelle S und dem Doppelsensor angeordnet, daß letzterer im Einstrahlbereich der Antischallquelle liegt.

[0020] Das in das Antischallsystem einbezogene Mikrofon M1 emp­fängt den Störschall p_S ungeschwächt und den Objektschall p_N infolge der Richtcharakteristik dem Vor-Rück-Verhältnis des Mikrofons entsprechend abgeschwächt. Der vom Mikrofon M1 festgestellte Schall, im wesentlichen der Störschall p_S, wird der Regelschaltung R zugeführt, die mit Hilfe dieses Schallsignals die Antischallquelle A so einstellt, daß diese den zur Kompensation von p_S notwendigen Antischall p_A erzeugt.

[0021] Die Regelschaltung R, die das ihr zugeführte Störschallsi­gnal unter Ansteuerung der Antischallquelle auf Null re­gelt, besteht aus Filternetzwerken und Verstärkern, die so bemessen sind, daß der Regelkreis im vorgesehenen Fre­quenzbereich stabil bleibt.

[0022] Das zum aufzufassenden Objekt hin und von der Störquelle S weg gerichtete Mikrofon 2 übernimmt die eigentliche Sen­soraufgabe und empfängt den zu erfassenden Objektschall p_N ungeschwächt und den Störschall p_S ^entsprechend der Richtwirkung abgeschwächt.

[0023] Die Analyse des Regelkreises aus dem Mikrofon M1, der Re­gelschaltung R und der Antischallquelle A liefert für das von M2 gemessene Sensorsignal U die folgende Beziehung:
U _∼ p_N(1-H/r²) + p_S(1-H)/r ,      (1)
in der H die Open-Loop-Verstärkung des Regelkreises ist und r das wie in der Antennentechnik definierte Vor-Rück-­Verhältnis beider Richtmikrofone angibt.

[0024] Die Beziehung (1) zeigt, daß aufgrund des Vor-Rück-Verhält­nisses r der Mikrofone der Regelkreisdurchgriff auf p_N und p_S unterschiedlich ausfällt, so daß in gewünschter Weise der Objektschall p_N nur wenig, der Störschall p_S dagegen stark gemindert wird.

[0025] Es erfolgt demnach die Minderung der Schallanteile am Auf­punkt in Abhängigkeit von deren Einfallsrichtung. Damit ist die Voraus-Auffaßreichweite der akustischen Sensoreinrich­tung durch eine aktive Minderung des von hinten kommenden Störschalls mittels Antischall vergrößert. Die akustische Sensoreinrichtung wird somit unempfindlicher gegen den Störpegel ihres eigenen Trägeraggregats.

[0026] Das antiparallele Paar von Richtmikrofonen M1, M2 weist im Ausführungsbeispiel Mikrofone mit jeweils nierenförmiger Richtcharakteristik auf. Es sind jedoch auch keulenartige Richt­charakteristiken möglich, wobei auch unterschiedliche Cha­rakteristiken für die beiden Sensoren gewählt werden kön­nen, um eine jeweils optimale Ausrichtung auf das Objekt­schallfeld und den Störschall zu erzielen. Das gleiche gilt auch für die Frequenzbereiche der einwärts und auswärts ge­richteten Sensoren, die vorzugsweise unabhängig voneinander frequenzmäßig abstimmbar sind.

[0027] Die in der Figur schematisch dargestellte Einheit aus Dop­pelsensor, Regelschaltung und Antischallquelle ist vorzugs­weise insgesamt schwenkbar installiert, um die Einstellung auf verschiedene Einfallsrichtungen zu ermöglichen.

[0028] Werden verschiedene richtungs- und/oder frequenzselektive Einrichtungen der beschriebenen Art miteinander kombiniert, so kann die universelle Verwendbarkeit der erfindungsge­mäßen Sensoreinrichtung für die unterschiedlichsten Aufga­ben und Schallbedingungen noch weiter verbessert werden.

Ansprüche

1. Akustische Sensoreinrichtung zum Erfassen des von einem Objekt ausgesendeten Nutzschalls zur Auffassung des Objekts mit möglichst großer Reichweite, in der

(a) ein Doppelsensor (M1, M2) zwischen einer Störquelle (S) und dem Objekt angeordnet ist,

(b) einer (M2) der beiden Sensoren so ausgerichtet ist, daß er den im wesentlichen von vorn einfallenden Nutzschall vom Objekt erfaßt, und der andere Sensor (M1) so ausgerichtet ist, daß er den im we­sentlichen von hinten einfallenden Störschall von der Störquelle erfaßt,

(c) der den Störschall erfassende Sensor (M1) mit einer Regel­schaltung (R) verbunden ist, die eine an sich bekannte Anti­schallquelle (A) einstellt, wobei diese zwischen dem Doppelsensor und der Störquelle (S) angeordnet ist und Antischall nach vorn abstrahlt,

(d) die Regelschaltung (R) so ausgelegt ist, daß sie das ihr vom Störschallsensor (M1) zugeführte Störschallsignal unter An­steuerung der Antischallquelle (A) auf Null regelt, und in der

(e) am nicht an den Regelkreis angeschlossenen nach vorn gerich­teten Sensor (M2) ein Nutzschallerfassungssignal (U) abgegriffen wird, in dem bedingt durch die Richtwirkung der Sensoren und einen damit verbundenen unterschiedlichen Durchgriff des aus dem Stör­schallsensor (M1), der Regelschaltung (R) und der Antischallquelle (A) bestehenden Regelkreises auf Stör- und Nutzschall eine starke Schwächung des Störschalls, jedoch nur eine geringe Schwächung des Nutzschalls durch den erzeugten Antischall vorliegen.

2. Akustische Sensoreinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Doppelsensor als antiparalleles Paar von Richt­mikrofonen (M1, M2) ausgebildet ist, von denen das eine (M2) auswärts auf das Objekt hin gerichtet ist und das andere, an die Regelschaltung (R) angeschlossene Mikrofon (M1) einwärts auf die Störquelle (S) und die davor angeord­nete Antischallquelle (A) gerichtet ist.

3. Akustische Sensoreinrichtung nach Anspruch 2.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Richtmikrofone eine nierenförmige Richtcharakteri­stik aufweisen.

4. Akustische Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Sensoren des Doppelsensors wahlweise gleiche oder verschiedene Richtcharakteristiken aufweisen.

5. Akustische Sensoreinrichtung nach einem der vorher­gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Sensoren des Doppelsensors wahlweise auf gleiche oder verschiedene Frequenzbereiche abstimmbar sind.

6. Akustische Sensoreinrichtung nach einem der vorher­gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die aus dem Doppelsensor (M1, M2), der Regelschaltung (R) und der Antischallquelle (A) bestehende Einrichtung als schwenkbare Einheit ausgebildet ist.

7. Akustische Sensoreinrichtung, bestehend aus einer Kombi­nation verschiedener richtungs- und/oder frequenzselek­tiver Einrichtungen aus Doppelsensor (M1, M2), Regelschal­tung (R) und Antischallquelle (A) nach einem der vorher­gehenden Ansprüche.

Zeichnung