Einfluss von Meterologie und Bodenbeschaffenheit auf die Leistungsfähigkeit von Mikrofon-Arrays im Freiland
Final Report Abstract
Mikrofonarrays dienen der Lokalisation und Trennung von Schallquellen sowie der Unterdrückung von Hintergrundgeräuschen. Anwendungen im Freiland sind die Detektion von Personen und Fahrzeugen, kombinierte optisch/akustisch Verkehrsüberwachung und die Bestimmung der Quellposition(en) an ausgedehnten Objekten. Die Quellenortung basiert auf Modellannahmen bezüglich der Schallausbreitung von Quelle zu Array, im einfachsten Fall einem Freifeld. In der Realität treten jedoch Bodenreflexion, Schallgeschwindigkeitsgradienten und Turbulenz auf. Ziel der Untersuchung war es, den Einfluss dieser Faktoren auf die Genauigkeit der Quellenortung durch Experiment und Simulation zu ermitteln und verbesserte Auswerteverfahren vorzuschlagen. Als Ortungsalgorithmen wurden der "delay-and-sum" Beamformer, MUSIC (Multi-Signal Classification), "time-difference-of-arrival" (mittels Kreuzkorrelation oder GCC-PHAT) zur Bestimmung der Einfallsrichtung und Inversion des Freifeldmodells mit Bodenreflexion zur Bestimmung von Quellenhöhe und -abstand eingesetzt. Im Bereich der Simulation wurde ein analytisches Modell (homogene Atmosphäre), "Crank-Nicholson Parabolic Equation" (Schallgeschwindigkeitsgradienten und Turbulenz) sowie "Generalized Terrain Parabolic Equation" (Bodenunebenheiten) genutzt; Freilandmessungen wurden mit horizontalen und vertikalen Arrays aus 8 Mikrophonen bei Quellenabständen bis 80 m durchgeführt. Im Ergebnis ergibt sich ein deutlicher Unterschied im Verhalten horizontaler und vertikaler Arrays. Während erstere durch die Bodenreflexion kaum beeinflusst werden führt diese bei vertikalen Arrays zu teilweise deutlichen Fehlern in der vorhergesagten Elevation; andererseits haben Schallgeschwindigkeitsgradienten nur geringen Effekt (für bodennahe Quellen). Turbulenz führt zu großer Variabilität der Elevationsschätzung, zunehmend mit Abstand der Quelle und Bodenimpedanz. Fehler werden ebenfalls durch Bodenunebenheiten bewirkt, sofern sie nicht mehr vernachlässigbar klein gegenüber der (mittleren) Wellenlänge sind. Als Schlussfolgerung ergibt sich zunächst die Empfehlung, bei Quellenortung mit vertikalen Arrays die Bodenreflexion - durch ein analytisches Modell - zu berücksichtigen. Hiermit wird gleichzeitig die Bestimmung von Quellenhöhe und -abstand mit nur einem Array möglich. Die Empfindlichkeit vertikaler Arrays gegenüber Turbulenz, speziell über harten Oberflächen, lässt sich durch Kombination eines relativ kleinen vertikalen Arrays mit einem großen horizontalen Array (aus wenigen Mikrophonen) ausgleichen; in diesem Fall steht eine zusätzliche (robuste) Schätzung des Abstands der Quelle mittels des horizontalen Arrays zur Verfügung (Freifeldmodell und GCCPHAT).
Publications
- Quellenortung im Freiland: Einfluss der Umgebungsbedingungen und Bestimmung der Quellenhöhe durch Bodeneffektinversion. 37. Deutsche Jahrestagung für Akustik - DAGA 2011, Düsseldorf, 2011, S. 90.
R. Kruse, S. Taherzadeh
- The influence of environmental conditions on estimation of source distance and height using a single vertical Array. Applied Acoustics, Vol. 73. 2012, Issue 3, pp. 198-208.
R. Kruse, S. Taherzadeh
(See online at https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2011.09.001)
