Schallquellenortung an rotierenden Systemen

Abstract

Diese Arbeit behandelt eine Methode, mit der Schallquellen, die mit konstanter Winkelgeschwindigkeit um eine feste Achse rotieren, geortet werden können. Erfolgt die Ortung wie hier mithilfe von regelmäßig angeordneten Mikrofonen (Mikrofonarray), die gleichzeitig den Schalldruck aufzeichnen, nennt man dies Beamforming. Die beschriebene Methode arbeitet mit der Greenschen Funktion für rotierende Monopole und der Spinning-Moden-Zerlegung im Frequenzbereich und sie benötigt entlang eines Kreisrings regelmäßig angeordnete Mikrofone (Ring-Array). In der Arbeit werden zunächst analytische Formeln vorgestellt, mit denen der Schalldruck eines rotierenden Monopols an einer beliebigen Beobachterposition berechnet werden kann. Der Algorithmus für die Lokalisation rotierender Schallquellen wird einerseits mit den Daten dieser analytischen Formeln getestet, andererseits wird er mithilfe eines Versuchsstandes verifiziert, der eigens für diese Diplomarbeit gebaut wurde und aus vier Lautsprechern besteht, die an einem Rotor befestigt sind. Es konnte gezeigt werden, dass die vorgestellte Methode gute Ergebnisse liefert, sowohl in der Simulation als auch mit realen Messdaten. Durch die Messungen wurde deutlich, dass für gute Ergebnisse die konstante Drehzahl sehr genau bekannt sein muss. Außerdem werden Richtlinien für die erforderliche Mikrofonanzahl, die von der vorhandenen Drehzahl und Schallfrequenz abhängt, angegeben. Des Weiteren werden Beamforming-Ergebnisse mit Quellen unterschiedlicher Frequenz, Winkelgeschwindigkeit und Quellstärke sowie Ergebnisse einer breitbandigen Auswertung präsentiert.

This thesis deals with a method for localization of acoustic sources that rotate at a constant angular velocity around a fixed axis. If the localization is achieved by simultaneously recording the sound pressure emitted by the sources with regularly spaced microphones (microphone array) this is called beamforming. The method described uses Green's function for rotating monopoles and a spinning-mode decomposition in the frequency domain. Further, it is required that the microphones are arranged equally spaced along a circular array (ring array). This thesis presents analytical formulas that can be used to calculate the sound pressure of a rotating monopole at an arbitrary observer position. The algorithm for the localization of rotating sound sources is tested with the data acquired by these analytical formulas and is verified by measurement data acquired by a test stand. This test stand was built specifically for this diploma thesis and consists of four loudspeakers, which are attached to a rotor. It could be shown that the presented method delivers good results, both in simulation and with real measurement data. The measurements made it clear that the angular velocity must be known precisely in order to achieve good results. In addition, guidelines are given for the required number of microphones, which depends on the rotational speed and sound frequency. Furthermore beamforming results with sources of different frequency, angular velocity and source strength as well as results of a broadband evaluation are presented.