MIKROFONANORDNUNG

Abstract

 Mikrofonanordnung mit mindestens einem Mikrofon zur Messung von Luftschall und einer Auswerteeinheit zur Speicherung der gemessenen Mikrofonsignale, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beschleunigungssensor vorgesehen ist, der einen Körperschall für das Mikrofon erfasst, wobei die Auswerteeinheit ausgebildet ist, um einen auf den Körperschall zurückgehenden Anteil der Mikrofonsignale herauszurechnen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Mikrofonanordnung, insbesondere eine vielkanalige, synchrone Messtechnik für Luft- und Körperschall. Eingesetzt werden kann die Mikrofonanordnung für die Realisierung einer akustischen Kamera mit einem verteilten Multisensor-Mikrofonsystem. Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung auch die Realisierung von adaptiven Systemen z.B. zur Geräuschminderung.

[0002] Das Dokument "Mit den Augen hören - acustic camera", GFAI / Gesellchaft für angewandte Informatik, Berlin beschreibt unterschiedliche Anwendungen für eine akustische Kamera. Explizit wird eingegangen auf ortsaufgelöste Untersuchungen von Schallemissionen von Windenergieanlagen, Baufahrzeugen, Automobilen, Fluggeräten, Industrieanlagen sowie Nähmaschinen.

[0003] Die DE10304215A1 - "Verfahren und Vorrichtung zur bildgebenden Darstellung von akustischen Objekten sowie ein entsprechendes Computerprogramm-Erzeugnis und ein entsprechendes computerlesbares Speichermedium" beschreibt den Aufbau einer akustischen Kamera mit einem zentralen Datenrekorder, einem Kalibriertester sowie einem PC mit unterschiedlichen Analyse- sowie Visualisierungsmöglichkeiten.

[0004] Die US2014/0241548 - "Acoustic Sensor Apparatus and acoustic camera for using MEMS microphone array" beschreibt eine akustische Kamera aus MEMS-Mikrofonen in einer Anordnung auf einer Leiterplatte.

[0005] Die US 5193117 - "Microphone Apparatus" beschreibt einen Aufbau mit zwei Mikrofonen jeweils mit einer Kugelcharakteristik, die durch zeitliche Verschiebung und Überlagerung zur Reduzierung von Hintergrundgeräuschen genutzt werden.

[0006] Aus DE 10 2013 005 405 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung von Akustikeigenschaften eines Fahrzeuginnenraums bekannt. Bei dem Verfahren werden Körperschallinformationen mit gleichzeitig ermittelten Schalldruckinformationen des Fahrzeuginnenraums verknüpft, wobei die Schalldruckinformation mittels eines Beamforming-Mikrofon-Arrays im Fernfeld und/oder mittels einer Intensitätsmessvorrichtung im Nahfeld erfasst wird. Ein sehr hoher Detektionsgrad bei der Ermittlung einer Schallabstrahlungsverteilung im Fahrzeuginnenraum wird über einen breiten mittleren Frequenzbereich bei gleichzeitiger Kenntnis einer Körperschalleinleitung realisiert. Ziel dieser Verknüpfung ist eine dreidimensionale Schalldruckkartierung, die es erlaubt, eine Übertragungsweganalyse durchzuführen.

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mikrofonanordnung bereitzustellen, die im besonderen Maße dazu geeignet ist, bei der Messung von Luftschall ungestörte Ergebnisse zu erzielen.

[0008] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Mikrofon-Anordnung mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche entsprechen vorteilhaften Ausgestaltungen.

[0009] Die Messung von Luftschall wird nach dem Stand der Technik mit Mikrofonen durchgeführt. Diese wandeln Luftschall in ein elektrisches Signal, typischerweise in eine elektrische Spannung. Nach dem Stand der Technik wird dieses Signal verstärkt und dann weiter verarbeitet oder direkt im Mikrofon digitalisiert und digital übertragen. Mikrofone wandeln jedoch neben dem zu messenden Luftschall auch Körperschall in ein elektrisches Signal, welches der eigentlichen Messgröße als Störung überlagert wird. Um diese Störungen zu minimieren, werden Mikrofone meist gegen Körperschall isoliert aufgebaut, z.B. durch Integration in eine schwingungsdämpfende Halterung oder durch Aufhängung an der Decke (z.B. Konzerthallen).

[0010] Die erfindungsgemäße Mikrofon-Anordnung weist mindestens ein Mikrofon zur Messung von Luftschall und eine Auswerteeinheit zur Speicherung der gemessenen Mikrofon-Signale auf. Die Speicherung der Mikrofon-Signale ist für Anwendungen, bei denen beispielsweise eine örtliche Auflösung von Schallquellen erfolgen soll, wichtig. Bei der erfindungsgemäßen Mikrofon-Anordnung ist ein Beschleunigungssensor vorgesehen, der einen Körperschall für das Mikrofon erfasst. Die Auswerteeinheit ist erfindungsgemäß dazu ausgebildet, um einen auf den Körperschall zurückgehenden Anteil der Mikrofon-Signale herauszurechnen. Beim Herausrechnen werden die aufgezeichneten Mikrofon-Signale skaliert und vom Körperschall subtrahiert. Ziel des Herausrechnens ist es, den Einfluss von Körperschall auf die Mikrofon-Signale zu reduzieren. Bevorzugt ist ein Feld (Array) von Mikrofonen vorgesehen, deren Mikrofon-Signale in an sich bekannter Weise von der Auswerteeinheit zu einem akustischen Bild ausgewertet werden. Bei den Mikrofonen kann es sich beispielsweise um ein Mikrofon nach MEMS-Technologie (Mikro-elektromechanisches System) handeln. Darüber hinaus können MEMS-Mikrofone einen geringen Abstand zueinander besitzen, der klein relativ zu einer mittleren Wellenlänge des eintreffenden Luftschalls ist. So können Informationen zur Intensität des Luftschalls besonders genau aufgezeichnet werden.

[0011] Bevorzugt ist eine erste Gruppenauswerteeinheit für eine erste Gruppe von Mikrofonen vorgesehen und eine zweite Gruppenauswerteeinheit für eine zweite Gruppe von Mikrofonen. Erste und zweite Gruppenauswerteeinheit versehen die empfangenen Mikrofon-Signale jeweils mit Zeitstempeln und veranlassen eine weitergehende Auswertung. Kerngedanke zur Verwendung von Gruppenauswerteeinheiten ist es, die für die Signalverarbeitung notwendige Rechenleistung bereits auf Untergruppen von Daten anzuwenden und nicht auf die Gesamtheit der Daten. Weiterhin kann hierdurch die zwischen den Gruppenauswerteeinheiten und einer Zentraleinheit ausgetauschte Datenmenge z.B. durch verlustfreie Kompression reduziert werden. Zweckmäßigerweise können weitere Gruppenauswerteeinheiten für weitere Gruppen von Mikrofonen vorgesehen sein. Die Zuordnung der Signale der Beschleunigungssensoren erfolgt hierbei bevorzugt ebenfalls für die in den Gruppen zusammengefassten Mikrofone. Für eine bessere Auswertung der Signale sind die Gruppenauswerteeinheiten bevorzugt untereinander mit der Auswerteeinheit der Mikrofonanordnung synchronisiert. Als Auswerteeinheit können ein Mikrocontroller und/oder eine FPGA-Einheit sowie ein Speicher für die Mikrofon-Signale und für die Signale der Beschleunigungssensoren zu dem Körperschall vorgesehen sein. Zweckmäßigerweise ist jedes der Mikrofone mit einem Beschleunigungssensor ausgestattet, der gemeinsam mit dem Mikrofon verbaut ist. Je nach Bauweise des Mikrofons kann der Beschleunigungssensor in das Gehäuse oder sogar auf eine Schaltungsplatine des Mikrofons integriert sein. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind für die Mikrofon-Anordnungen weitere Sensoren vorgesehen, die eine Positionsbestimmung oder eine Bestimmung der Ausrichtung für die Mikrofon-Anordnung erlauben. Die Positionsbestimmung kann bei einer Auswertung der Schallsignale helfen.

[0012] Eine wichtige Idee dieser Erfindung liegt darin, einen Aufnehmer für Körperschall (d.h. einen Beschleunigungssensor) gemeinsam mit dem akustischen Mikrofon in eine mechanische Einheit zu integrieren und so eine elektronische Kompensation, d.h. Entfernung des Körperschallsignals durchzuführen. Hierzu wird weiterhin eine Recheneinheit (d.h. ein Microcontroller oder ein FPGA) integriert, die beide Signale synchron aufnimmt und bevorzugt digital voneinander abzieht. Alternativ hierzu kann eine analoge Schaltung, wie z.B. ein Differenzverstärker, verwendet werden. Der Beschleunigungssensor kann ein- oder mehrachsig ausgeführt sein. Besonders vorteilhaft ist die beschriebene Erfindung unter Verwendung von mikromechanischen Sensoren, die durch ihre geringe Größe, ihr geringes Gewicht, ihre hohe Robustheit sowie ihren geringen Preis Vorzüge gegenüber feinmechanischen Sensoren bieten. Die bevorzugt im Mikrofon integrierte Recheneinheit kann darüber hinaus neben der Kompensation von Störsignalen diese Signale auch komprimieren und mit Zeitstempeln versehen, sodass diese im Nachgang mit den Signalen anderer Mikrofoneinheiten synchronisiert werden können. Ergänzend können durch die zusätzliche Aufzeichnung des Signals eines Beschleunigungssensors auch sehr niedrige Frequenzen aufgezeichnet werden, die ein akustisches Mikrofon nicht mehr detektieren kann (Infraschall).

[0013] Vorgesehen ist, die Integration mindestens eines akustischen Mikrofons mit mindestens einem ein- oder mehrachsigen Beschleunigungssensor sowie einer programmierbaren Recheneinheit mit nicht-flüchtigem Speicher in die Mikrofonanordnung. Hierbei ist der Einsatz hochintegrierter Sensorik, die meist als mikroelektromechanisches System (MEMS) realisiert wird, vorteilhaft. Grundsätzlich kann auch das Mikrofon und der Beschleunigungssensor in einem MEMS-Prozess hergestellt werden. Dieses ist in Abbildung 1 dargestellt.

[0014] Vorteil des Einsatzes hochintegrierter Sensorik liegt insbesondere in einer erhöhten Robustheit der Sensorik und des Messverfahrens, geringeren Empfindlichkeit gegen externe Störungen sowie einer vereinfachten Durchführung akustischer Messungen. Darüber hinaus bieten die erfindungsgemäßen Sensormodule ein erhebliches Potenzial, Kosten für diese Messtechnik um einen Faktor 100 bis 1000 zu reduzieren sowie adaptive Systeme zu realisieren.

[0015] Für gewisse Anwendungen, wie z.B. dem Einsatz in einer akustischen Kamera oder einem anderen Vielkanal-Messverfahren ist es vorteilhaft, die Position oder Ausrichtung des jeweiligen Mikrofons exakt und zeitgleich zur Messung zu erfassen. Über die Position hinaus können lokal am Mikrofon gemessene Größen, wie z.B. die Temperatur oder der Absolutdruck vorteilhaft sein.

[0016] Nach dem Stand der Technik (Beispiel akustischen Kamera) werden hierzu die Messmikrofone stationär eingerichtet und ein akustischer Referenzpuls an einer bekannten Position erzeugt. Mittels eines Algorithmus wird aus dem Eintreffen des Pulses an jedem Mikrofon oder aus der Phasenlage der akustischen Schwingungen auf die Position der Mikrofone geschlossen, die meist in einer festgelegten Anordnung z.B. kreisförmig oder auf einem Dreibein angeordnet sind.

[0017] Eine weitere Ausprägung dieser Erfindung integriert weitere Sensoren in der Mikrofonanordnung: Die Integration eines Kompass erlaubt die Messung der exakten Ausrichtung im Raum während der Messung. Hierdurch kann die Ausrichtung der Mikrofone während der Messung aufgenommen werden. Dies ermöglicht akustische Messungen auf einer nicht ortsfesten Plattform, wie z.B. auf einem Schiff (bei Seegang). In einer weiteren Ausprägung erlaubt die Integration eines Drehratensensors eine verbesserte Bestimmung der Orientierung des Mikrofons.

[0018] Eine weitere Messgröße, die vorteilhaft in der beschriebenen Mikrofonanordnung integriert wird ist ein Entfernungsmesser, der beispielsweise durch Laufzeitmessung eines zeitlich modulierten Laserstrahls, den Abstand zum untersuchten, Schall-abstrahlenden Objekt bestimmt.

[0019] Bevorzugt ist die Integration mindestens eines akustischen Mikrofons mit mindestens einem ein- oder mehrachsigen Beschleunigungssensor sowie einer programmierbare Recheneinheit mit nicht-flüchtigem Speicher sowie weiterer, unabhängiger Sensoren z.B. zur Bestimmung der Drehrate, der Orientierung (Kompass), des Drucks, der Temperatur oder des Abstands zum Messobjekt vorgesehen.

[0020] In einer besonderen Ausführungsform erlaubt eine integrierte Mikrofoneinheit eine Verbesserung des Frequenz- und Phasengangs: Ein erstes Mikrofon wird mit einem zweiten, andersartigen Mikrofon kombiniert. So kann beispielsweise ein Mikrofon für die Messung von hörbarem Schall (f<20kHz) mit einem zweiten Mikrofon zur Messung von Ultraschall (f>20kHz) kombiniert werden. In der Recheneinheit werden beide Signale zeitsynchron überlagert, so dass eine besonders breitbandige Mikrofoneinheit entsteht. Durch den Einsatz des zweiten, in geringem Abstand angebrachten Mikrofones ist auch die Messung des Druckgradienten und der Schallintensität möglich.

[0021] Eine weitere technische Herausforderung besteht in der zeitsynchronen Aufnahme einer großen Zahl von Einzelmikrofonen. Nach dem Stand der Technik akustischer Kameras werden typischerweise 30....100 analoge Signale parallel zu einem Datenrekorder geführt, der diese Signale digitalisiert und synchron aufzeichnet. Hier bietet ein weiterer Aspekt dieser Erfindung signifikante Vorteile durch erheblich reduzierten Aufwand in Verkabelung und Kosten:

Die Daten von mindestens zwei bis typisch 30 Mikrofonen werden in einer autark arbeitenden Recheneinheit B zeitsynchron zusammengeführt und mit Zeitstempeln versehen sowie zwischengespeichert. Mehrere dieser Recheneinheiten B synchronisieren sich wiederum vor Beginn einer Messung, z.B. über ein Netzwerk. Alle Messdaten werden mit einem Zeitstempel entweder zu Beginn einer Messung (bei Abtastung mit konstanter Abtastrate) oder mit jedem aufgenommenen Messwert (bei variabler Abtastrate) aufgezeichnet und zwischengespeichert.

[0022] Abbildung 2 zeigt den Aufbau gemäß dieser Erfindung.
Die Recheneinheiten B können über die Aufzeichnung hinaus eine Vorverarbeitung der Messdaten vornehmen, wie z.B.

• Entfernung von Störungen durch Filterung
• Entfernung von Offsets der aufgezeichneten Sensordaten
• Mathematische Operationen (z.B. Addieren, Subtrahieren, Multiplizieren, Dividieren, Korrelation) der Sensorsignale untereinander
• Bestimmung von Laufzeitunterschieden (d.h. Unterschieden im Zeitpunkt der Aufnahme einer bestimmten akustischen Signatur zwischen unterschiedlichen Multisensor-Mikrofonen)
• Korrektur des Phasengangs der Mikrofone
• Korrektur des Frequenzgangs der Mikrofone
• Verzögerung und Addition ("Delay and Sum") der Messdaten der einzelnen Mikrofone

[0023] Am Ende eines Messzyklus überspielen alle Recheneinheiten B ihre Messdaten mit Zeitstempel an eine zentrale Recheneinheit C, auf der die Gesamt-Messung dann ausgewertet wird. Der Aufbau kann modular durch Hinzufügen weiterer Recheneinheiten B erweitert werden oder ggf. durch Kaskadierung ergänzt werden. Ein Kernvorteil liegt darin, dass das Zusammenführen aller Kanäle am Ende offline in der Recheneinheit C erfolgen kann. Die schwierige technische Aufgabe der Synchronisierung eines Messsystems mit mehreren einhundert Kanälen wird damit reduziert auf die Synchronisation der Recheneinheiten B untereinander.

[0024] Die Recheneinheiten B können die gemessenen Signale weiterhin bereits vorverarbeiten, z.B. durch Kompensation, Korrektur von Offsets oder auch Kompression, um dann nur noch die vorverarbeiteten Daten an die zentrale Recheneinheit C zu übertragen. Für die Realisierung einer akustischen Kamera können die Recheneinheiten B bereits eine Vorverarbeitung der Messdaten der Mikrofone durchführen. Bei den Recheneinheiten B handelt es sich um Gruppenauswerteeinheiten, die Signale einer Gruppe von Mikrofonen auswerten.

Bezugszeichenliste

[0025] 

(1)

Mikrofon 1

(2)

Optional: andersartiges Mikrofon 2

(3)

Beschleunigungssensor

(4)

optional: weitere Sensor Elemente (Kompass, Drehrate, Druck, ...)

(5)

Recheneinheit

(6)

nicht-flüchtiger Speicher

(7)

elektrische Schnittstelle / Netzwerkschnittstelle

(8)

Schnittstelle zum Mikrofonmodul

(9)

Recheneinheit mit Microcontroller und ggf. FPGA

(10)

nichtflüchtiger Speicher

(11)

Netzwerkschnittstelle

(12)

opt. drahtloses Netzwerk

(13)

(Zentrale) Recheneinheit

(14)

Netzwerkschnittstelle

(15)

opt. drahtloses Netzwerk

(16)

nichtflüchtiger Speicher

(17)

Mikrofon

(18)

Datenrekorder

(19)

PC mit Computerprogramm

Beispiele für die Erfindung sind:

[0026] 

1. Multisensor-Mikrofon bestehend aus mindestens einem Mikrofon, einem Sensor für Körperschall und einer Recheneinheit, einem nichtflüchtigen Speicher sowie einer bevorzugt digitalen Schnittstelle

2. Multisensor-Mikrofon nach Nummer 1, wobei die verwendeten Sensoren Körperschall mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sind

3. Multisensor-Mikrofon nach Nummer 1 oder 2, wobei weitere Sensoren, wie z.B. Drehraten, Absolutdruck, Magnetfeldsensoren (Kompass) oder Abstandssensoren in das Multisensor-Mikrofon integriert sind

4. Multisensor-Mikrofon nach Nummer 1 oder 2, wobei weitere andersartige Mikrofone z.B. für einen erweiterten Frequenzbereich integriert sind

5. Multisensor-Mikrofon nach Nummer 1 oder 2, wobei weitere identische Mikrofone in das Multisensor-Mikrofon integriert sind

6. Multisensor-Mikrofon nach Nummer 4 oder 5, wobei die Abstände zwischen den Mikrofonen klein gegenüber der mittleren Wellenlänge des zu untersuchenden Signals sind

7. Verteiltes, synchrones Multisensor-Mikrofon-System bestehend aus Mikrofonen nach den Nummern 1-6, wobei mindesten 2 Multisensor-Mikrofone mit jeweils einer autarken Aufnahmeeinheit verbunden sind, die alle verbundenen Mikrofone zeitsynchron und mit einem Zeitstempel aufzeichnet sowie weitere Aufnahmeeinheiten angeschlossenen Mikrofonen, die sich vor einer Messung untereinander automatisch synchronisiert haben

8. Aufnahmeeinheit nach Nummer 7, wobei diese bevorzugt aufgebaut ist aus einem Mikrocontroller mit einem Field-Programmalbe-Gate-Array (FPGA) sowie einem Speichermedium für das Zwischenspeichern größerer Datenmengen.

9. Verteiltes, synchrones Multisensor-Mikrofon-System mit autarken Aufnahmeeinheiten nach den Nummern 7-8, die eine Vorverarbeitung der aufgenommenen Sensordaten vornehmen.

10. Verteiltes, synchrones Multisensor-Mikrofon-System mit autarken Aufnahmeeinheiten nach den Nummern 7-9, die eine Analyse der aufgenommenen Sensordaten vornehmen und Laufzeitunterschiede eines akustischen Signals zwischen den Multisensor-Mikrofonen bestimmen

11. Verteiltes, synchrones Multisensor-Mikrofon-System nach den Nummern 7-9, wobei die aufgenommenen Messdaten einschließlich ihres Zeitstempels nach Abschluss der Messung an eine zentrale Recheneinheit übertragen werden.

12. Verteiltes, synchrones Multisensor-Mikrofon-System nach den Nummern 7-11, wobei die Messdaten zur Ansteuerung eines Aktors, wie z.B. eines Lautsprechers zur Erzeugung von Gegenschall verwenden werden.

Ansprüche

1. Mikrofonanordnung mit mindestens einem Mikrofon zur Messung von Luftschall und einer Auswerteeinheit zur Speicherung der gemessenen Mikrofonsignale, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beschleunigungssensor vorgesehen ist, der einen Körperschall für das Mikrofon erfasst, wobei die Auswerteeinheit ausgebildet ist, um einen auf den Körperschall zurückgehenden Anteil der Mikrofonsignale herauszurechnen.

2. Mikrofonanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Feld von Mikrofonen vorgesehen ist, deren Mikrofonsignale von der Auswerteeinheit zu einem akustischen Bild ausgewertet werden.

3. Mikrofonanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrofone, insbesondere als MEMS-Mikrofone ausgebildet, einen Abstand zueinander besitzen, der klein relativ zu einer mittleren Wellenlänge des eintreffenden Luftschalls ist.

4. Mikrofonanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Gruppenauswerteeinheit einer ersten Gruppe von Mikrofonen und eine zweite Gruppenauswerteeinheit einer zweiten Gruppe von Mikrofonen zugeordnet ist, wobei die erste und zweite Gruppenauswerteeinheit jeweils die Mikrofonsignale der ihnen zu geordneten Mikrofone mit Zeitstempeln versehen und auswerten.

5. Mikrofonanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Gruppenauswerteeinheiten und weitere Gruppen von Mikrofonen vorgesehen sind.

6. Mikrofonanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppenauswerteinheiten ausgebildet sind, um jeweils die Signale der Beschleunigungssensoren und der in der Gruppe zusammengefassten Mikrofone auszuwerten.

7. Mikrofonanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppenauswerteeinheiten untereinander und mit der Auswerteinheit synchronisiert sind.

8. Mikrofonanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit einen Mikrocontroller und/oder eine FPGA-Einheit sowie einen Speicher für die Mikrofonsignale und die Signale der Beschleunigungssensoren für den Körperschall aufweist.

9. Mikrofonanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Mikrofone einen Beschleunigungssensor aufweist, der gemeinsam mit dem Mikrofon verbaut ist.

10. Mikrofonanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Sensoren vorgesehen sind, die eine Positionsbestimmung für die Mikrofonanordnung erlauben.

11. Mikrofonanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, , dadurch gekennzeichnet, dass weitere Sensoren vorgesehen sind, die lokal die Temperatur oder den Absolutdruck messen.

Zeichnung