Title:
Verfahren und Vorrichtung zur Tomographie von Schall
Kind Code:
A1


Abstract:

Ein Verfahren zur räumlichen Tomographie von Schall umfasst die Schritte: kontaktloses Erfassen eines physikalischen Parameters für eine erste und eine zweite Vielzahl von lokalen Bereichen im Raum entlang eines ersten und eines zweiten Laserstrahls sowie das Berechnen eines Voxelmodels des Schalldrucks über die Zeit je lokaler Bereich der ersten und zweiten Vielzahl anhand der erfassten physikalischen Parameter.




Inventors:
Husar, Peter (98693, Ilmenau, DE)
Application Number:
DE102016216352A
Publication Date:
03/01/2018
Filing Date:
08/30/2016
Assignee:
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 (DE)
Technische Universität Ilmenau, 98693 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE10057922C2N/A2002-11-07



Foreign References:
201001628192010-07-01
JP2007295131A2007-11-08
Other References:
MARTARELLI, Milena et al.: Coherent Tomographic Laser Interferometry for the aero-acoustic characterization of cold jets. Proceedings of the 16th International Symposium on Applied Laser Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon, 2012
OLSSON, Erik; FORSBERG, Fredrik: Three-dimensional selective imaging of sound sources. Optical Engineering, 2009, 48. Jg., Nr. 3, S. 035801-035808.
TATAR, Kourosh et al.: Tomographic reconstruction of ultrasound fields measured using laser vibrometry. In. Experimental Analysis of Nano and Engineering Materials and Structures. Springer Netherlands, 2007, Extra Materials, URL: http://extras.springer.com/2007/978-1-4020-6238-4/data/full_papers/189_tat.pdf [abgerufen am 28.04.2017]
TORRAS-ROSELL, Antoni et al.: Sound field reconstruction using acousto-optic tomography. The Journal of the Acoustical Society of America, 2012, 131. Jg., Nr. 5, S. 3786-3793.
Attorney, Agent or Firm:
Schoppe, Zimmermann, Stöckeler, Zinkler, Schenk & Partner mbB Patentanwälte, 81373, München, DE
Claims:
1. Verfahren zur räumlichen Tomographie von Schall, mit folgenden Schritten:
Kontaktloses Erfassen (110a) eines physikalischen Parameters mittels eines Laserscanners (10a + 14a; 10b + 14b) für eine erste Vielzahl von lokalen Bereichen im Raum über die Zeit entlang eines ersten Laserstrahls;
Kontaktloses Erfassen (110b) des physikalischen Parameters mittels des Laserscanners (10a + 14a; 10b + 14b) für eine zweite Vielzahl von lokalen Bereichen im Raum über die Zeit entlang eines zweiten Laserstrahls (12b); und
Berechnen (120) eines Voxelmodels des Schalldrucks über die Zeit je lokaler Bereich der ersten und der zweiten Vielzahl anhand der erfassten physikalischen Parameter für die erste und die zweite Vielzahl von lokalen Bereichen.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei je Zeitpunkt der Schalldruck entlang des ersten und zweiten Laserstrahls (12b) durch ein Linienintegral beschreibbar ist, wobei jeder Punkt auf dem Linienintegral einem lokalen Bereich entspricht.

3. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste und der zweite Laserstrahl (12b) sich schneiden, sodass die erste und die zweite Vielzahl von lokalen Bereichen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.

4. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei des Voxelmodell zweidimensional ist und den Schalldruck je Zeitpunkt in der Ebene beschreibt.

5. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Schritt kontaktloses Erfassen (110a, 110b) des physikalischen Parameters für eine dritte Vielzahl von lokalen Bereichen im Raum über die Zeit entlang eines dritten Laserstrahls wiederholt wird; und wobei das Berechnen (120) des Voxelmodels anhand der erfassten physikalischen Parameter für die erste, die zweite und die dritte Vielzahl von lokalen Bereichen erfolgt.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei der erste, zweite und dritte Laserstrahl unterschiedliche Raumwinkel aufweisen, sodass zumindest zwei Ebenen aufgespannt werden, und sich im Raum schneiden.

7. Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6, des Voxelmodell dreidimensional ist und den Schalldruck je Zeitpunkt im Raum beschreibt.

8. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Erfassen des physikalischen Parameters das Erfassen eines lokalen Brechungsindex, eines lokalen Schalldrucks, einer lokalen Dichte, einer lokalen Temperatur und/oder eines lokalen optischen Spektrums umfasst; und/oder wobei das kontaktlose Erfassen über die Zeit das Erfassen einer Änderung des physikalischen Parameters umfasst.

9. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei beim kontaktlosen Erfassen mittels des Laserscanners (10a + 14a; 10b + 14b) ein lokaler Brechungsindex erfasst wird.

10. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Laserscanner (10a + 14a; 10b + 14b) eine Laserquelle (10a), die einen gerichteten Laserstrahl durch den Raum oder mehrere Laserstrahlen kegelförmig durch den Raum aussendet, und eine Mehrzahl von Laserdetektorelementen (14) umfasst.

11. Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei der Laserscanner (10a + 14a; 10b + 14b) eine Mehrzahl von Laserquellen (10a) und eine Mehrzahl von Laserdetektorelementen (14) umfasst, die verteilt im Raum angeordnet sind.

12. Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei die Vielzahl von Laserquellen (10a) und die Vielzahl von Laserdetektorelementen (14) in einem Kreis oder in einem Oval angeordnet sind.

13. Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei die Vielzahl von Laserquellen (10a) gegenüberliegend zu der Vielzahl von Laserdetektorelementen (14) angeordnet ist, so dass der jeweilige physikalische Parameter in einer Transmission detektiert wird.

14. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der physikalische Parameter anhand von Streuung detektiert wird.

15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei beim kontaktlosen Erfassen der Laserstrahl des Laserscanners (10a + 14a; 10b + 14b) durch einen Reflektor durch den Raum reflektiert wird.

16. Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wenn das Programm auf einem Computer abläuft.

17. Vorrichtung zur Tomographie von Schall mit folgenden Merkmalen:
Mittel zum Kontaktlosen Erfassen eines physikalischen Parameters mittels eines Laserscanners (10a + 14a; 10b + 14b) für eine erste Vielzahl von lokalen Bereichen im Raum über die Zeit entlang eines ersten Laserstrahls (12a); und zum Kontaktlosen Erfassen des physikalischen Parameters mittels des Laserscanners (10a + 14a; 10b + 14b) für eine zweite Vielzahl von lokalen Bereichen im Raum über die Zeit entlang eines zweiten Laserstrahls (12b); und
eine Berechnungseinheit zum Berechnen (120) eines Voxelmodels des Schalldrucks über die Zeit je lokaler Bereich der ersten und der zweiten Vielzahl anhand der erfassten physikalischen Parameter für die erste und die zweite Vielzahl von lokalen Bereichen.

18. Vorrichtung gemäß Anspruch 17, wobei die Mittel zum kontaktlosen Erfassen ein oder mehrere Laserscanner (10a + 14a; 10b + 14b) aufweisen, die ausgebildet sind, einen lokalen Brechungsindex an der ersten oder der zweiten Vielzahl von lokalen Bereichen im Raum zu bestimmen.

19. Vorrichtung gemäß Anspruch 18, wobei der Laserscanner (10a + 14a; 10b + 14b) zumindest eine Laserquelle (10a), ausgebildet zur Abgabe eines gerichteten Laserstrahls durch den Raum oder zur kegelförmigen Abgabe mehrerer Laserstrahlen durch den Raum, und einen oder mehrere Laserdetektorelemente (14), ausgebildet zur Detektion des gerichteten Laserstrahls oder der mehreren Laserstrahlen, umfasst.

Description:

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur (Computer-)Tomographie von Schall. Bevorzugte Ausführungsbeispiele beziehen sich auf die Erfassung von Schall mittels Laser.

Es gibt seit vielen Jahren Anordnungen und Methoden zur Aufnahme von Schall. Die am häufigsten angewandten Technologien basieren auf einem Mikrophon für den hörbaren Schall und/oder auf piezoelektrischen Wandlern vor allem für den Ultraschall. Zur Erfassung von Schall an Oberflächen (hinreichend) fester Stoffe wird das Lasermikrophon eingesetzt.

Nachteilig bei den bisherigen Verfahren ist, dass die EAW (elektroakustische Wandler) vor Ort einen direkten Kontakt zum Medium (Gase, Flüssigkeiten, Feststoffe) benötigen. Zum Beispiel zur Erfassung des Lärmpegels in der Nähe von Industriemaschinen muss der gesamte Raum um die Maschine herum mit einem Mikrophon abgefahren werden, um die räumliche Lärmverteilung zu erfassen. Dabei entsteht eine erhebliche statische Unsicherheit dadurch, dass sich das Schallfeld während der Messung stark ändern kann, so dass die räumliche Erfassung auf der zeitlichen Achse unzuverlässig ist. Hinzu kommt, dass die Messapparatur das zu messende Schallfeld zum Teil stark beeinflusst. Bei US-Wandlern (Ultraschall) kommt erschwerend hinzu, dass diese einen direkten physischen Kontakt zum Material benötigen. Faktisch muss der US-Wandler auf das zu untersuchende Material aufgelegt werden, damit eine mechanische Kraftverbindung entstehen kann.

Mit Laser kann man den Schall an der Oberfläche von festen oder flüssigen Stoffen nach diversen (Laufzeitmessung, Interferometrie) Prinzipien erfassen. Allerdings funktioniert diese Technologie nicht, wenn man Schall in der Luft oder sonstigen lichtdurchlässigen Stoffen erfassen will, da eine Grenzschicht zur Strahlungsreflektion des Schalls faktisch gar nicht vorhanden ist. Weiter nachteilig ist, dass Schall nicht über einen Raumbereich oder Raumsegment erfasst werden kann. Deshalb besteht der Bedarf nach einem verbesserten Ansatz.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Konzept zu schaffen, dass es ermöglicht, die räumliche Verteilung eines akustischen Schallfelds kontaktfrei zu erfassen.

Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Verfahren zur räumlichen Tomographie von Schall. Das Verfahren umfasst die Schritte: Kontaktloses Erfassen eines physikalischen Parameters (wie z. B. eines lokalen Brechungsindex, eines lokalen Schalldrucks, einer lokalen Dichte, einer lokalen Temperatur und/oder eines lokalen optischen Spektrums) mittels eines Laserscanners für eine erste Vielzahl von lokalen Bereichen im Raum über die Zeit entlang eines ersten Laserstrahls und für eine zweite Vielzahl von lokalen Bereichen im Raum über die Zeit entlang eines zweiten Laserstrahls. Hierbei können sich die zwei Laserstrahlen kreuzen, so dass eine gemeinsame Ebene aufgespannt wird. Ausgehend von den erfassten physikalischen Parametern für die erste und zweite Vielzahl von lokalen Bereichen wird nun in einem dritten Schritt ein Voxelmodell des Schalldrucks berechnet.

Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass unter Zuhilfenahme eines Laserscanners (beim Einsatz in durchsichtigen Medien wie Luft) entlang des Laserstrahls ein physikalischer Parameter optisch erfasst werden kann, der beispielsweise mittels eines Linienintegrals beschreibbar ist. Dieser physikalische Parameter je Punkt (je lokaler Bereich) lässt einen Rückschluss auf lokale Druckverhältnisse und folglich auch auf den lokal vorherrschenden Schalldruck zu. Dieser lokale Schalldruck je Bereich kann ähnlich dem Computertomographie-Verfahren räumlich aufgelöst werden. Somit ist also allein mit zwei Messungen entlang zweier Laserstrahlen in unterschiedlichen Raumwinkeln der Schall in der Ebene messbar bzw. rekonstruierbar. Bevorzugt werden hinreichend viele Linienprojektionen (z. B. 360 je Ebene) genommen, um das Schallfeld hinreichend genau räumlich aufzulösen. Dies hat im Resultat den Vorteil, dass so ein Schnitt des Schallfelds zeitlich und räumlich aufgelöst werden kann. Vorteilhaft ist dabei auch, dass die Schallprojektion auf das Schallfeld im Unterschied zu bisherigen Verfahren rückwirkungsfrei erfolgt. Das bedeutet, dass das Schallfeld durch die Messanordnung nicht beeinträchtigt wird, wie das der Fall bei mechanisch-elektrischen Wandlern ist, die sich mitten im Schallfeld befinden und dadurch an ihren Positionen die Feldausbreitung faktisch stoppen.

Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen wird der Schritt also für weitere Vielzahlen von lokalen Bereichen entlang weiterer Laserstrahlen in derselben Ebene wiederholt, um eben die Ebene vollständig räumlich zu erfassen. Durch zwei oder mehr Laserscans in derselben Ebene wird also ein zweidimensionales Voxelmodell geschaffen, wobei jeder Punkt des Voxelmodels den Schalldruck je Zeitpunkt in der Ebene beschreibt.

Entsprechend wiederum weiteren Ausführungsbeispielen können auch weitere Vielzahlen von lokalen Bereichen entlang eines Laserstrahls, der die erste Ebene durchdringt, erfasst werden, um so das Voxelmodell in den dreidimensionalen Ebenen zu erweitern, so dass jeder Punkt in dem Voxelmodell den Schalldruck je Zeitpunkt im Raum beschreibt.

Da bei allen Ausführungsbeispielen immer nur von einem Zeitpunkt ausgegangen worden ist, sei an dieser Stelle angemerkt, dass dieses Verfahren natürlich auch über die Zeit kontinuierlich wiederholt werden kann, um hier auch eine zeitliche Auflösung zu ermöglichen.

Der oben angesprochene Laserscanner hat entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen zumindest eine Laserquelle, die einen gerichteten Laserstrahl durch den Raum oder mehrere Laserstrahlen kegelförmig durch den Raum emittiert, sowie eine Mehrzahl von Laserdetektorelementen, die einen Laserdetektor bilden. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen können auch mehrere Scanner, um die mehreren Raumwinkel abzutasten, eingesetzt werden. Diese mehreren Laserscanner bzw. die Laserquellen und die Vielzahl von Laserdetektorelementen können entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen in einem Kreis oder in einem Oval angeordnet sein, so dass diese eine Ebene, in welcher der Schall abgetastet werden soll, einschließen. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Laserscanner mittels Transmission arbeiten. Hierbei sind dann bevorzugt die Vielzahl der Laserquellen gegenüber dem zugehörigen Laserdetektorelement angeordnet. Um die Anwendungen zu erleichtern, kann von der gegenüberliegenden Anordnung entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen abgesehen werden und stattdessen ein Reflektor eingesetzt werden. Auch wäre es denkbar, dass nicht nur mittels Transmission, sondern mittels Streuung gearbeitet wird.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Computerprogramm zur Ausführung eines der oben beschriebenen Verfahren.

Ein wiederum weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Tomographie von Schall. Diese umfasst Mittel zur Erfassung der ersten und zweiten Vielzahl von lokalen Bereichen entlang der ersten und zweiten Laserstrahlen mittels eines Laserscanners, d. h. also beispielsweise eines ersten und eines zweiten Laserscanners, sowie eine Berechnungseinheit zur Ermittlung des Voxelmodels.

Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert. Ausführungsbeispiele werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1a eine exemplarische Anordnung eines Laserscanners zur Rekonstruktion des Prinzips der Tomographie von Schall gemäß einem Ausführungsbeispiel;

1b ein schematisches Blockdiagramm eines Verfahrens bei der Tomographie von Schall gemäß einem Ausführungsbeispiel;

2 eine schematische Darstellung einer erweiterten Anordnung zur Tomographie von Schall gemäß einem erweiterten Ausführungsbeispiel; und

3a, 3b eine schematische Darstellung zur Illustration des Prinzips der Tomographie von Schall bei einer konkreten Anwendung.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren im Detail erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass gleichwirkende Elemente und Strukturen mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander anwendbar bzw. austauschbar ist.

1a zeigt eine Anordnung von Laserscannern (Bezugszeichen 10a + 14a und 10b + 14b), hier zwei Laserscanner 10a und 10b mit zugehörigen Laserdetektoren 14a und 14b. Jeder Laser 10a und 10b emittiert einen Laserstrahl 12a und 12b, der dann von einem hier gegenüberliegend angeordneten Laserdetektor 14a und 14b detektiert werden kann. Zwischen dem jeweiligen Laser 10a und 10b und dem jeweiligen Detektor 14a und 14b ist ein Raum aufgespannt mit einem durchsichtigen Medium, in welchem Schall kontaktlos unter Zuhilfenahme der zwei Laserscanner 10a + 14a und 10b + 14b detektiert werden soll.

Schall im Raum äußert sich in Form von lokalen Druckvariationen, also eine lokale Änderung der physikalischen Parameter. Diese lokale Druckvariation ist mittels eines Lasers, z. B. anhand von dem lokalen Brechungsindex, einer optisch messbaren lokalen Dichte, oder eines lokalen optischen Spektrums oder einer Änderung dieser Parameter erfassbar. Ausgehend von dem Laserscan mittels der zwei Laserscanner 10a + 14a und 10b + 14b wird ein Rückschluss auf die physikalischen Parameter und damit auf den lokalen Schalldruck zugelassen. Der erste Laserscanner, 10a + 14a ist ausgebildet, um alle lokalen Bereiche entlang des Laserstrahls 12a zu vermessen. Hierbei können die zu messenden optischen Parameter des Mediums als Linienintegral entlang der Laserstrahlen 12a und 12b erfasst werden, da der Laserstrahl für die Messung eine hinreichend starke Abhängigkeit von der lokalen schallinduzierten Druckänderung des Mediums (allgemein: lokale Druckverhältnisse) erfasst.

Durch die zwei unterschiedlichen Raumwinkel der zwei Laserscanner 10a + 14a und 10b + 14b werden folglich zwei unabhängige Linienintegrale ermittelt werden, die jeweils die Schallverteilung entlang des jeweiligen Laserstrahls 12a bzw. 12b beschreiben. Hierbei sei angemerkt, dass jeder Punkt auf dem Linienintegral einen Schalldruck für den jeweiligen lokalen Bereich entlang des jeweiligen Laserstrahls 12a und 12b darstellt. Wenn sich die zwei Laserstrahlen 12a und 12b schneiden, wird durch die zwei Linienintegrale eine Fläche aufgespannt, so dass für die Fläche zumindest im Bereich der Laserstrahlen 12a und 12b die Schallverteilung in der Ebene bestimmt werden kann.

Nachdem nun die Anordnung der Laserscanner 10a + 14a und 10b + 14b in Bezug auf den Raum, in welchem der Schall abgescannt werden soll, erläutert wurde, wird auf das Vorgehen bei der Tomographie von Schall eingegangen. 1b zeigt das entsprechende Verfahren 100 zur Tomographie von Schall. Dieses umfasst die drei Basisschritte 110a und 110b sowie 120.

Bei dem Schritt 110a und 110b wird das kontaktlose Erfassen eines physikalischen Parameters mittels der Laserscanner durchgeführt. Hierbei wird in dem Schritt 110a der Laserscanner 10a + 14a benutzt, um die physikalischen Parameter für eine erste Vielzahl von lokalen Bereichen im Raum (über die Zeit) entlang des ersten Laserstrahls 12a zu ermitteln, während in dem Schritt 110b der Laserscanner 10b + 14b genutzt wird, um die physikalischen Parameter für eine zweite Vielzahl von lokalen Bereichen entlang des zweiten Laserstrahls 12b zu erfassen.

Hierbei wird je Schritt 110a und 110b ein Linienintegral, anzeigend die physikalischen Parameter für die Vielzahl der lokalen Bereiche entlang der zwei Laserstrahlen 12a und 12b erhalten.

Diese zwei Linienintegrale können miteinander kombiniert werden, so dass ausgehend hiervon ein Voxelmodell des Schalldrucks über die Zeit bestimmt werden kann. Bezug nehmend auf das Verfahren 100 repräsentiert diesen Schritt der Block, welcher mit dem Bezugszeichen 120 markiert ist. Für den Fall, dass sich die zwei Laserstrahlen 12a und 12b schneiden, wird ein zweidimensionales Voxelmodell ermittelt. Dieses Verfahren ist vergleichbar mit der aus dem Röntgenbereich bekannten Computertomographie.

Um in dieser Ebene die Informationsdichte anzureichern, ist es entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen sinnvoll, weitere Laserscans mit unterschiedlichen Raumwinkeln (bevorzugt in derselben Ebene) durchzuführen, um hier die Ortsauflösung des Voxelmodels weiter zu verbessern.

Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann das zweidimensionale Voxelmodell für die eine Ebene auch in den dreidimensionalen Raum erweitert werden, wenn die Raumwinkel nicht nur in der Ebene, sondern auch angewinkelt zu der Ebene variiert werden. Hierbei kann dann ein dreidimensionales Voxelmodell erhalten werden. Insofern ist es möglich, wenn hinreichend viele Linienprojektionen erhalten werden, um räumlich aufgelöst den lokalen Druckänderungen zu berechnen, so dass eine Projektion des räumlichen Schallfelds in Echtzeit zur Verfügung steht.

Bezug nehmend auf 2 wird nun ein erweitertes Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Tomographie von Schall erläutert.

2 zeigt eine quadratische Matrix 18 von symmetrisch angeordneten Voxeln (lokalen Bereichen, hier 10 × 10 Voxel), für die das Schallfeld ermittelt werden soll. Um diese Projektionsfläche 18 des Schallfelds ist ringförmig eine Mehrzahl an Laserquellen angeordnet, nämlich entlang des gestrichelten Rings, der mit dem Bezugszeichen 10 markiert ist. Jede Laserquelle erzeugt eine räumlich geformte Strahlenverteilung 12', d. h. also keulenförmig angeordnete Laserstrahlen. Zusätzlich ist in einem weiteren Ring mit dem Bezugszeichen 14 eine Vielzahl von Laserdetektorelementen ebenfalls ringförmig angeordnet. Hierbei wird wiederum von einer gegenüberliegenden Anordnung der Laserdetektorelemente 14 gegenüber den Laserquellen 10 ausgegangen, so dass die Laserstrahlen (vgl. 12') nach Durchgang durch die Voxel (vgl. Matrix 18) von den Photodetektoren 14 umfasst werden können. An dieser Stelle sei angemerkt, dass statt einer kreisrunden/ringförmigen Anordnung für die Laser 10 und Laserdetektoren 14 auch eine ovale oder eine eckige oder eine andere Anordnung infrage kommen könnte. Die Anordnung ist im Regelfall so gewählt, dass möglichst viele Voxel (Zellen der Matrix 18) mit der Bestrahlungskeule der Laserquellen 10 durchleuchtet werden können. Hierbei wird das transmittierte Licht (Linienintegral der Strahlung) von dem (bevorzugt) gegenüberliegend angeordneten Laserdetektoreinheiten 14 empfangen.

Da die Laserquellen 10 im Zeitmultiplex so geschaltet werden, dass ein kompletter Durchlauf entlang des Rings 10 der akustisch notwendigen Abtastperiode entspricht, enthält man für jede akustische Abtastperiode eine Reihe von hinreichend vielen räumlichen Linienprojektionen. Das heißt also, dass ein Durchlauf des Laserscans maximal solange dauern darf, wie die sich aus der Abtastrate ergebenden Abtastperiode. Aus der Vielzahl der Linienprojektionen wird z. B. durch Rückprojektion die lokale Schalldruckänderung bestimmt.

Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der Anordnung lässt sich akustischer Schall im Raum kontaktfrei in Echtzeit auf eine beliebige Fläche oder eine Raumstruktur projizieren.

Durch die Anwendung von Laserstrahlen können sich die geometrischen Dimensionen des Aufnahmesystems in mehreren Dekaden bewegen: von einigen Zentimetern bis hin zu einigen Kilometern (sechs und mehr Dekaden räumlicher Dynamikbereich).

Auch wenn bei obigen Ausführungsbeispielen immer davon ausgegangen wurde, dass die Anordnung der Laserquellen 10 gegenüber den Laserdetektoren 14 bzw. den jeweiligen Laserdetektorelementen (Pixel) gegenüberliegend ausgeführt ist, so dass die optischen Parameter transmissiv ermittelt werden können, sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass auch entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen eine reflektierte Messung erfolgen kann. Hierbei ist dann immer gegenüberliegend zu den Laserquellen ein Reflektor vorgesehen, der die Laserstrahlen zurückreflektiert, so dass diese aufseiten der Laserquellen wieder empfangen werden können. Die reflektive Messung bietet zusätzlich den Vorteil, dass nicht der gesamte Raum durch Laserquellen und Photodetektoren umfasst werden muss. Die einzige Randbedingung ist, dass eine reflektierende Fläche hinter dem Raum vorgesehen ist.

Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen können die Laserstrahlen unsichtbar bestrahlen, z. B. Infrarotlaser sein, so dass eine (physisch, physiologisch, psychologisch) völlig rückstandsfreie Feldmessung möglich ist.

Entsprechend wiederum weiteren Ausführungsbeispielen kann die hier als Laser bezeichnet Strahlenquelle, welche im Regelfall im UV-, IR- oder sichtbaren Bereich arbeitet, auch auf einer anderen Technologie als der Lasertechnologie basieren. In anderen Worten heißt das, dass unter einem Laser bzw. Laserscanner allgemein eine Strahlenquelle, bzw. Strahlenquelle eingesetzt zu Messzwecken) verstanden wird, die zur optischen Abtastung von physikalischen Parametern im Raum geeignet ist.

Bezug nehmend auf 3a und 3b wird ein Realisierungsbeispiel dargestellt. Die Schallquellen (vgl. Bezugszeichen 19a und 19b) erzeugen mechanische Wellen im Raum und dadurch in den räumlich simultanen Summe Wellenfronten. Die räumlich und zeitlich aufgelöste Aktivität (der lokale Schalldruck der Schallquellen 19a und 19b) wird mittels den Strahlungsquellen 14a und 10b und mittels räumlich verteilten Strahlungsdetektorelementen, die anhand der gestrichelten Linie 14 dargestellt sind, erfasst. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Strahlungssensoren 14 an beliebigen Punkten im Raum angeordnet sein können. Weiter sei angemerkt, dass die Strahlungssensoren 14 sowohl in Kombination mit der Laserquelle 10a als auch in einer Kombination mit der Laserquelle 10b eingesetzt werden können, und so den Laserscanner formen.

Die Schallquellen 19a und 19b werden ausgehend von dem wie oben erläutert ermittelten Voxelmodell in einem Inversverfahren direkt oder verarbeitet am identischen Ort mit identischem zeitlichem Verlauf rekonstruiert. Bei diesem Vorgehen gibt es hinsichtlich des Wellenfelds keine Differenzen, auch nicht bei veränderten Raumbedingungen bzw. bewegten Objekten. Dieser Fakt folgt aus der Rekonstruktion der Schallquelle. Ausgehend hiervon wird in 3b ein weiteres Realisierungsbeispiel dargestellt. Bei derselben Anordnung der Schallquellen 19a und 19b und Strahlungsquellen 10a und 10b sowie der Strahlungsdetektoren 14 wird nicht wie beim Ausführungsbeispiel aus 3a die Schallquellen 19a und 19b rekonstruiert, sondern der durch die Schallquellen 19a und 19b entstehende Schalldruck entlang der Linie 19l. Dies ist ebenfalls ausgehend von dem Voxelmodell möglich, da das Voxelmodell den Schalldruck in dem Raum zwischen den Laserquellen 10a und 10b und den Detektoren 14 beinhaltet. Auf diese Weise kann der örtlich zeitliche Schalldruck direkt vor Ort rekonstruiert werden. Auch dadurch wird eine komplette Unabhängigkeit von diversen Bewegungen erreicht.

Grundsätzlich kann die laserbasierte Schallfelderfassung überall dort eingesetzt werden, wo das Medium für die verwendeten Strahlen hinreichend transmissiv ist und mindestens ein optischer Parameter des Mediums schalldruckabhängig ist. So könnte man beispielsweise durch Triangulation mit zwei (oder mehr) Flächenprojektionen eine Schallquelle orten, die sich in Luft oder Wasser befindet bzw. bewegt. Man kann in lichtdurchlässigen Stoffen (Glas, Plaste, Kristalle) die innere Druckverteilung messen, um beispielsweise die Qualität der Glastemperierung zu prüfen.

Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.

Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.

Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.

Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.

Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.

Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.

Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.

Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.

Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.