DE19524705C2 - Vorrichtung und Verfahren zum lokalen und richtungsabhängigen Erfassen von Schallwellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum lokalen und richtungsabhängigen Erfassen von Schallwellen.

Es ist bekannt, daß sich Schallwellen als mechanische Longitudinalwellen im Raum ausbreiten. Die Phasengeschwindigkeit dieser Wellen wird auch als Schallgeschwindigkeit bezeichnet. Sie hängt nur von den mechanischen Eigen­ schaften des Mediums, nicht aber von der Frequenz der Wellen ab. Die Schall­ geschwindigkeit in Gasen und in Luft hängt weiterhin von der herrschenden Temperatur ab. Es ist weiterhin bekannt, die sogenannte Schallschnelle, d. h. die Schwinggeschwindigkeit der Teilchen des Mediums, aus dem Schalldruck zu berechnen. Als Schalldruck werden hierbei die in einer Schallwelle auftretenden periodischen Druckabweichungen, also Über- und Unterdruck, bezeichnet. In gasförmigen Medien ist dabei der Schalldruck von dem vorhandenen Gasdruck überlagert. Innerhalb weiter Grenzen hängt die Schallgeschwindigkeit jedoch nicht vom Gasdruck, sondern nur von der Temperatur ab.

Als Vorrichtung zum lokalen Erfassen von Schallwellen ist beispielsweise das menschliche Ohr bekannt.

Aus der DE 40 07 440 C1 ist eine trichterförmige, zweiseitig geöffnete Schallempfangseinrichtung für den von einer Trommel ausgesandten Schall bekannt. Diese weist einen Trommelschalltrichter mit einer kegelstumpfförmigen Wandung und einer großen Trichteröffnung sowie einer kleinen Trichteröffnung auf. Im Bereich seiner großen Trichteröffnung ist eine Kupplung zum druckdich­ ten Verbinden mit der Trommel und im Bereich der kleinen Trichteröffnung ein hohler Halteschaft für ein Mikrofon vorgesehen. Zudem ist eine Resonanzöff­ nung für einen Resonanzausgleich, also einen Ausgleich elastischer Sekundär­ reaktionen bzw. ansonsten auftretender ungedämpfter Schwingungen im Halte­ schaft oder im Mikrofonhalter vorgesehen. Die Resonanzöffnung ist insbeson­ dere als Resonanznut ausgebildet. Sie kann auch als Resonanzloch ausgebildet sein. Zumindest in dem der kleinen Trichteröffnung benachbarten Bereich der Innenwandung des Trommelschalltrichters kann diese mit einem schall­ schluckenden Material belegt sein. Einerseits dient dies Selektionseffekten zum Abhalten des Umgebungsschalls und andererseits zum Beeinflussen der Klang­ farbe der mit dem Mikrofon aufgenommenen, von der Trommel ausgesandten Schallwellen. Alternativ ist ebenfalls bekannt, die Innenseite der kegel­ stumpfförmigen Wandung im Bereich des gesamten Trommelschalltrichters mit schallschluckendem Material zu versehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren A zur qualifizierten Richtungsbestimmung von Schallwellen zum Vermessen von beispielsweise Sälen zu schaffen, wobei die Vorrichtung entfernt von einer Schallquelle frei im Raum aufstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 definierte Erfindung gelöst. Wei­ terbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert. Dadurch wird eine qualifizierte Richtungsbestimmung von Schallwellen ermöglicht. Es ist da­ durch erstmals möglich, beispielsweise Vortragshörsäle an entsprechend aus­ gemessenen optimalen Positionen mit Mikrofonen und Lautsprechern zu verse­ hen. Diese Vorgehensweise kann mit dem Begriff Schalltechnik bezeichnet werden. Das Auditorium kann dadurch die vortragende Person optimal verste­ hen. Eine eventuell akustisch ungünstige Bauweise eines solchen Hörsaales, beispielsweise durch auftretenden Hall in diesem Vortragshörsaal, kann durch Aufstellen der Vorrichtungen zum lokalen und richtungsabhängigen Erfassen von Schallwellen optimal vermessen und anschließend mit entsprechenden Hilfsmitteln, beispielsweise Mikrofonen, Lautsprechern etc. versehen werden. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind kostengünstig herstellbar und viel­ seitig verwendbar.

Im Prinzip wird eine Vorrichtung zum lokalen und richtungsabhängigen Erfassen von Schallwellen geschaffen, bei der ein würfel- oder quaderförmiger Hohlkör­ per mit schallharten Seitenwänden und einer elastisch beweglichen Seitenwand vorgesehen ist und in dem Hohlkörper Mittel zur Druckaufnahme und Mittel zum Druckausgleich luftdicht in einer der schallharten Seitenwände vorgesehen sind. Die drei Richtungskomponenten der Schallwellen im Raum gelangen auf die Seitenwände des Hohlkörpers. Da nur eine Seitenwand des Hohlkörpers elastisch beweglich ist, die anderen Seitenwände jedoch schallhart vorgesehen sind, kann eine auf diese elastisch bewegliche Schallwand auftreffende Schall­ welle diese Wand auslenken. Für diese elastisch bewegliche Seitenwand kann beispielsweise Schweinsblase, Metallfolie oder ein Elastomer verwendet wer­ den. Schallharte Materialien für die anderen Seitenwände sind beispielsweise Metall, Stahl, Glas oder auch polierte Keramik. Auch eine zusätzliche sandwich­ artige Beschichtung mit Blei oder Ton kann vorgesehen sein. Es soll durch das Vorsehen der schallharten Wände keine Beeinflussung durch die auftreffenden Schallwellen für den Innenraum des Hohlkörpers auftreten. Durch die Kraftein­ wirkung der von außen auf die elastisch bewegliche Seitenwand auftreffenden Schallwellen wird diese Seitenwand nach innen bewegt. Im Innenraum des Kastens ist ein Mittel zur Druckaufnahme, beispielsweise ein Drucksensor, vor­ gesehen. Dieser Drucksensor nimmt die von der Schallwelle auf die elastische Seitenwand ausgeübte Kraft auf. Durch geeignete Aufstellung des Drucksen­ sors hinter der elastisch beweglichen Seitenwand wird eine richtungsabhängige Schallmessung ermöglicht. Eine Eichung kann durch Krafteinwirkung auf die elastisch bewegliche Seitenwand erfolgen. Die Schallwelle wird also als Vek­ torgröße quantifiziert und qualifiziert bzgl. ihrer Raumrichtung. Das im Hohlkör­ per vorgesehene Mittel zum Druckausgleich, beispielsweise ein Druckaus­ gleichsventil nach dem rheologischen Prinzip oder ähnlich dem Druckaus­ gleichsmechanismus im menschlichen Ohr, dient dem Druckausgleich mit der Umgebung. Beim menschlichen Ohr sorgt die sogenannte Eustachische Röhre für diesen Druckausgleich zwischen Außenluft und Luft im Mittelohr. Ein nach dem rheologischen Prinzip arbeitender Druckausgleich würde durch locker ge­ packtes, körniges (vorzugsweise 5-100 µm Korngröße) Material erreicht wer­ den. Würde kein solches Druckausgleichsventil vorgesehen, würde durch ver­ schiedene Druckverhältnisse im Hohlkörper und in der Umgebung und durch die Bewegung der elastischen Seitenwand im Innenraum des Hohlkörpers einmal ein Unterdruck, dann ein Überdruck entstehen. Die bewegliche Seitenwand kann bei Unterdruck im Hohlkörper aufgrund ungleicher Druckverhältnisse im Hohlkörper und in dessen Umgebung nach innen gezogen werden, auch ohne Schalleinwirkung. Dies bedeutet eine Verfälschung der Meßergebnisse durch das Mittel zur Druckaufnahme.

Außer einem Druckausgleich zwischen der Umgebung und dem Innenraum des Hohlkörpers sollte auch ein Temperaturausgleich mit der Umgebung stattfinden. Dies ist erforderlich, da nach den bekannten Gastheorien die Gasmoleküle bei höheren Temperaturen schneller schwingen als bei niedrigeren. Bei unter­ schiedlichen Temperaturen innerhalb des Hohlkörpers und außerhalb in dessen Umgebung kann keine genaue Messung der Schallwellen durch die Vorrichtung ermöglicht werden. Zum Erzielen von Meßsicherheit kann eine Ausgleichsmes­ sung durch einen Temperatursensor innerhalb des Hohlkörpers vorgenommen werden. Die gemessene Differenz der Temperaturen im Innern und in der Um­ gebung des Hohlkörpers kann dann mit in die Berechnung einfließen.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden im folgenden mehrere Ausfüh­ rungsbeispiele von Vorrichtungen zum lokalen und richtungsabhängigen Erfas­ sen von Schallwellen anhand der Zeichnungen beschrieben.

Diese zeigen in:

Fig. 1 eine schematische Prinzipskizze einer ersten Ausfüh­ rungsform einer Vorrichtung zum lokalen und richtungs­ abhängigen Erfassen von Schallwellen,

Fig. 2 eine seitliche Schnittansicht durch die Vorrichtung ge­ mäß Fig. 1,

Fig. 2a eine Detailansicht des Druckausgleichsventils gemäß Fig. 2,

Fig. 3 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform einer elastisch beweglichen Seitenwand und

Fig. 4 eine perspektivische Prinzipskizze einer Aufstellung von mehreren Vorrichtungen gemäß Fig. 1 innerhalb eines Raumes zu Meßzwecken.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum lokalen und richtungsabhängigen Erfassen von Schallwellen. Die Vorrichtung ist ein würfelförmiger Hohlkörper 1. Die Schallwellen 2 wirken aus drei Raumrichtungen auf die Vorrichtung ein. Die einwirkenden Schallwellen 2 sind durch drei Pfeile veranschaulicht. Die drei dargestellten Pfeile entsprechen den voneinander unabhängigen Richtungs­ komponenten der Bewegung eines Teilchens nach der kinetischen Gastheorie. Die drei Richtungskomponenten sind mit x, y und z bezeich­ net. Die Bewegung der Teilchen aufgrund des Schalls überlagert sich den normalen Wärmebewegungen der Gasteilchen.

Die Gastherorie besagt, daß die Teilchen eines Gases sich im Raum regellos, ohne Vor­ zugsrichtung bewegen. Sie stoßen elastisch zusammen und weisen eine Geschwindig­ keit v auf. Die Druckkraft eines Gases ist demzufolge die Folge der Molekülstöße auf be­ grenzende Flächen. Die Gesamtmasse des Gases M berechnet sich zu N·m = M, wobei m die Masse eines Moleküls und N deren Anzahl ist.

Wird die Geschwindigkeit v jedes einzelnen Moleküls in seine Komponenten in Richtung der Würfelkanten zerlegt, so ergeben sich die drei verschiedenen Bewegungsrichtungen.

Je ¹/₃ der Moleküle bewegt sich also parallel zu den Würfelkanten.

Bei jedem Stoß, auch gegen eine Wand, gibt ein Molekül den Impuls 2mv ab, da es nach dem Stoß die entgegengesetzte Geschwindigkeit hat.

Zwischen je zwei Stößen an dieselbe Wand hat es dann den Weg 2a zurückzulegen. Bei der Geschwindigkeit v legt das Molekül in der Zeit Δt den Weg v·Δt zurück und trifft da­ bei (v·Δt)/2a mal die Wand.

Es gibt dabei also einen Impuls von 2 mv·(v/2a)·Δt = mv²·At/a ab.

Die auf die Wand wirkende Kraft ergibt sich zu

wobei ΔJ der von allen Molekülen an die Wand abgegebene Impuls ist. Der Druck des Gases errechnet sich aus p = K/F wobei F = a² die Fläche der Wand ist. Die auf die Wand ausgeübte Kraft ist danach K = p·F, also Gasdruck mal Fläche der Wand.

Die Vorrichtung ist ein würfelförmiger Hohlkörper mit sechs Seitenwänden 3a-3f. Die Seitenlängen sind bei Verwendung eines würfelförmigen Hohlkörpers alle gleich lang. Vorteilhaft wird ein Würfel mit Kantenlänge a = 10 cm verwendet, also einem Volumen von 1 Liter. Es könnte aber auch an Stelle des würfelförmigen Hohlkörpers ein beliebiger Quader verwendet werden, dessen Seitenlängen ungleich lang sind. Fünf der Seiten­ wände 3b, 3c, 3d, 3e, 3f sind schallhart aufgebaut. Sie bestehen beispielsweise aus Me­ tall, Stahl, Glas oder polierter Keramik. Zusätzlich können sie sandwichartig aufgebaut sein. Sie sind dann zusätzlich mit plastischen Materialien der Akustik, beispielsweise Blei oder ungebrannten Ton beschichtet. Durch die fünf schallharten Seitenwände kann also kein Schall in den Innenraum der Vorrichtung dringen.

Die sechste Seitenfläche 3a ist beweglich gestaltet. Beispielsweise kann für diese Fläche ein Elastomer oder eine Schweinsblase verwendet werden. Bei Krafteinwirkung von außen wird diese elastische Fläche nach innen bewegt. Eine solche Krafteinwirkung stellt der auftretende Schall dar. Diese Seitenfläche 3a ist in Fig. 1 schraffiert dargestellt. Auf der Innenseite 4 der Seitenwand 3a im Innenraum 5 der Vorrichtung ist ein Drucksensor 6 vorgesehen. Vorzugsweise ist der Drucksensor 6 direkt hinter der membranartigen Seitenwand 3a angeordnet. Vorteilhaft ist auch eine bodengleiche Anordnung des Druck­ sensors 6. Dadurch ist eine eindeutige geometrische Zuordnung der auf die elastische Seitenwand 3a auftreffenden Schallwellen möglich. Das Schallfeld wird dadurch am wenigsten gestört. Es werden nur Schallwellen von einer einzigen Seite aufgenommen. Dadurch ist eine richtungsabhängige Schallmessung möglich. Durch die Aufteilung in die Richtungskomponenten x, y und z ist die senkrecht zu der Seitenwand 3a angeordnete Richtungskomponente x die größte Richtungskomponente bezüglich der Seitenwand 3a. Eine Eichung der Krafteinwirkung auf die Seitenwand 3a ist durch Einwirken einer be­ kannten Kraft auf diese Seitenwand möglich.

Die Empfindlichkeit der elastischen Seitenwand 3a bzgl. des auftreffenden Schalls kann variiert werden. Beispielsweise kann sie der des menschlichen Ohres entsprechen. Die Membranauslenkung (Trommelfell) liegt dabei bei etwa 10^-9 in als wahrnehmbarer Hör­ grenze, dies entspricht einem Druck von 0,002 N/m² bei einer Frequenz von beispielsweise 1.000 Hz.

Um genaue Messungen zu erhalten, ist es erforderlich, innerhalb der Vorrichtung und in deren Umgebung dieselben Druck- und Temperaturverhältnisse zu haben. Der Druck in einem Gas ist nämlich abhängig von der Temperatur des Gases. Dies folgt bereits aus den Gasgesetzen. Es ist daher erforderlich, den Innenraum 5 des Hohlkörpers 1 druck- und temperaturbezogen mit der Umgebung des Hohlkörpers 1 zu verbinden. Dies ge­ schieht durch ein Druckausgleichsventil 7. Das Druckausgleichsventil 7 ist in Fig. 1 auf der Oberseite des Hohlkörpers angedeutet. Das Druckausgleichsventil 7 arbeitet vor­ zugsweise nach dem rheologischen Prinzip, oder ähnlich wie die Eustachische Röhre bei dem menschlichen Ohr. Zu diesem Zweck ist auf der Oberfläche 8 der Seitenwand 3e eine elastische, poröse Membran 9 des Druckausgleichsventils 7 vorgesehen. Diese Membran 9 ermöglicht in Verbindung mit der besonderen Formgebung des Druckaus­ gleichsventils 7 den Druckausgleich zwischen Innenraum des Hohlkörpers und dessen Umgebung. Aufgrund der Durchlässigkeit der Membran 9 ist auch der Temperaturaus­ gleich gewährleistet. Ein solches Druckausgleichsventil 7 ist in Fig. 2 in einer ersten Ausführungsform dargestellt.

Fig. 2 zeigt eine seitliche Schnittansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1. Dargestellt ist eine Ausführungsform eines sandwichartigen Aufbaus der schallharten Seitenwände 3b-3f. Eine äußere Schicht 10 ist beispielsweise aus Glas aufgebaut. Eine darunter an­ geordnete innere Schicht 11 ist beispielsweise aus Ton aufgebaut. Das Druckausgleichs­ ventil 7 ist luftdicht an die Innen- und Außenflächen des Hohlkörpers angeschlossen. Für den Fall eines Luftzutritts ist ein Druckausgleichs-Hilfsventil 7a zusätzlich vorgesehen, welches bis zur Schicht 11 reicht. Dies ist in Fig. 2 nur angedeutet. Um eine Ver­ fälschung der Meßergebnisse im Bereich des Druckausgleichsventils 7 in der Seitenwand 3e zu verhindern, baut das rheologisch wirkende Druckausgleichsventil für kurze Drucklastwechsel eine Kraftwirkung auf, die etwas größer ist, als die schallbedingte Kraft im Innenraum. Für raumtemperaturbedingt wirkende Änderungen der Kraft im Innenraum gegen die Seitenwände des Hohlkörpers erlaubt das Druckausgleichsventil den Aus­ gleich. Verbleibende Resteinflüsse sind durch Eichung zu erfassen. Die Membran 9 des Druckausgleichsventils 7 ist vorteilhaft aus einem gasdurchlässigen Material gefertigt. Das Eindringen von Schallwellen im Bereich dieser fest mit der Seitenwand 3e verbunde­ nen Membran 9 in den Innenraum 5 des Hohlkörpers 1 wird dadurch verhindert, daß eine Füllschicht 16 des Druckausgleichsventils 7 den Schall abfängt.

Ein Eindringen von Schallwellen in den Innenraum 5 des Hohlkörpers 1 ist lediglich von der Seite der Seitenwand 3a möglich. Eine nichtausgelenkte Seitenwand 3a ist als strich­ punktierte Linie angedeutet, die ausgelenkte Seitenwand 3a′ durch eine gebogene, durchgezogene Linie. Auf der Innenseite 4 der ausgelenkten Seitenwand 3a′ ist der Drucksensor 6 angedeutet. Die Haupt-Richtungskomponente x ist durch einen großen Pfeil dargestellt. Bei geeigneter Aufstellung der Vorrichtung im Raum wird das Zentrum der Seitenwand 3a′ am weitesten nach innen in den Innenraum 5 des Hohlkörpers 1 aus­ gelenkt. Der Geschwindigkeitsvektor v des Schalls ergibt sich aus der Gleichung (1).

Die Empfindlichkeit des Drucksensors kann so genau gewählt werden, daß, wie beim menschlichen Ohr, eine Auslenkung der Seitenwand 3a′ um etwa 10^-9 m noch wahrge­ nommen werden kann. Eine Auswertung der durch den Drucksensor aufgenommenen Daten kann im Inneren der Vorrichtung vorgesehen sein. Beispielsweise ist dort eine Auswerteeinheit mit einer Platine mit entsprechenden Schaltungen vorgesehen. Die Vor­ richtung kann, beispielsweise zum Anschluß an einen Computer, auf einer der schall­ harten Seitenwände 3b-3f mit einer entsprechenden Anschlußschnittstelle für ein Über­ tragungskabel versehen sein. Auf einer dieser schallharten Seitenwände kann aber auch eine Anzeigeeinrichtung vorgesehen sein. Beispielsweise ist, bei Verwendung einer schallharten Seitenwand aus Glas, eine Anzeigeeinrichtung im Innenraum 5 des Hohl­ körpers 1 vorgesehen. Diese kann durch die Seitenwand aus Glas abgelesen werden.

Auf der Innenseite der schallharten Wand 3f oder einer der anderen Wände im Innen­ raum 5 des Hohlkörpers 1, kann eine Reihe von weiteren Sensoren 17 vorgesehen sein zum Erfassen des Schalldrucks im Hohlkörper. Die Sensoren 17 können hinter dem bo­ dengleichen Drucksensor 6 bis hin zu der schallharten Seitenwand 3c vorgesehen sein. Vorzugsweise werden solche Sensoren 17 gewählt, die in Zeiten von weniger als 60 ms ansprechen. Dadurch ist eine Frequenzanalyse möglich.

Fig. 2a zeigt eine Detailansicht des Druckausgleichsventils 7 gemäß Fig. 2. Die Füll­ schicht 16 ist in der äußeren Schicht 10 angeordnet. Sie weist auf der Außenseite, mit der Oberfläche 8 der äußeren Schicht 10 in einer Ebene liegend, ein Gewebe 18 auf. Das Gewebe 18 deckt die Füllschicht 16 über ihrer gesamten Außenfläche ab. Die Maschenweite des Gewebes 18 beträgt beispielsweise 5 µm.

Die Füllschicht 16 ist vorzugsweise ein körniges Material. Sie wirkt dadurch schall­ dämpfend und gleichzeitig druckdurchlässig. Die Füllschicht 16 und damit das Druckaus­ gleichsventil 7 sind im Querschnitt rund und weisen einen Durchmesser von 6-100 µm auf.

Auf der anderen Außenseite der Füllschicht 16, der zu der inneren Schicht 11 gewandten Seite, ist ein zweites Gewebe 19 vorgesehen. Auch dieses Gewebe 19 deckt die Füll­ schicht 16 über ihrer gesamten Außenfläche ab. Die Maschenweite des Gewebes 19 beträgt vorzugsweise 5 µm.

Unter dem Gewebe 19 ist ein Hohlraum 20 vorgesehen. Dieser ist mit Luft gefüllt. Er weist im wesentlichen die gleiche Höhe auf wie die Schicht 11, innerhalb derer er vorge­ sehen ist.

Auf der zum Innenraum 5 des Hohlkörpers 1 weisenden Seite ist der Hohlraum 20 durch eine Membran 21 verschlossen. Die Membran ist elastisch und porös oder porig. Sie ist vorzugsweise fluchtend mit der Oberfläche der inneren Schicht 11 angeordnet.

Anstelle der die gleiche Höhe wie die Schicht 10 aufweisenden Füllschicht 16 kann diese auch auf ihrer Oberseite eine röhrenförmige Verlängerung aufweisen. Das Gewebe 18 deckt dann die röhrenförmige Verlängerung auf der Oberfläche ab. Die röhrenförmige Verlängerung weist vorzugsweise den gleichen Durchmesser, wie der Führschicht 16 an ihrer Oberfläche entspricht, auf. Sie kann eine Länge von z. B. 1 m aufweisen und in Form einer Spirale vorgesehen sein. Innerhalb der röhrenförmigen Verlängerung ist dann das körnige Material oder Schüttgut vorgesehen. Besonders vorteilhaft ist die röhren­ förmige Verlängerung bei extremen Druckunterschieden im Innern und der Umgebung des Hohlkörpers, beispielsweise bei einem Umgebungsdruck von 3 bar.

Anstelle des beschriebenen Druckausgleichsventils kann auch ein Bunsen-Ventil verwen­ det werden. Ein solches Ventil weist ein Schlauchstück mit einem ca. 1 cm langen Längs­ schnitt auf. An einem Ende ist das Schlauchstück verschlossen, beispielsweise mit einem Glasstabstück. An dem gegenüberliegenden anderen Ende ist das Schlauchstück über beispielsweise ein Glasrohrstück mit dem Hohlkörper verbunden. Über das Glasrohrstück kann Luft von dem Innenraum des Hohlkörpers in das Schlauchstück gelangen. Herrscht in dem Innenraum des Hohlkörpers in Bezug zu der Umgebung des Hohlkörpers ein Überdruck, so weitet sich das Schlauchstück. Die Luft entweicht dabei durch den ge­ weiteten Längsschnitt. Es entsteht also ein Druckausgleich zwischen Innenraum und Umgebung des Hohlkörpers.

In Fig. 3 ist eine zweite Ausführungsform einer elastisch beweglichen Seitenwand dar­ gestellt. Es ist ein starres scheibenförmiges Element 22 vorgesehen, das an seinem äußeren umlaufenden Rand von Federelementen 23 eingefaßt ist. Die Federelemente 23 sind an ihrem von dem starren scheibenförmigen Element 22 wegweisenden Ende 24 mit den schallharten Seitenwänden 3b, 3d, 3e, 3f luftdicht und fest verbunden. Der Druck­ sensor 6 ist auf der zum Innenraum 5 des Hohlkörpers 1 weisenden Innenseite 25 des Elementes 22 mit Abstand zu diesem angeordnet. Bei auftreffenden Schallwellen wird das scheibenförmige Element 22 um dx ausgelenkt, wie in Fig. 3 mit dem Bezugs­ zeichen 22′ gestrichelt dargestellt. Die gestrichelt dargestellten Federelemente 24′ zeigen ebenfalls die ausgelenkte Position. Das starre Element 22 wird also nicht, wie die Mem­ bran in den vorigen Figuren, selbst elastisch bewegt, sondern lediglich die Federele­ mente 24.

Fig. 4 zeigt eine Prinzipskizze einer Aufstellung von drei Vorrichtungen (14a, 14b, 14c) im Raum zu Meßzwecken. Der Raum weist eine Schallquelle 12 und ein Auditorium 13 auf. Der Raum könnte beispielsweise ein Vortragshörsaal sein, in dem das Auditorium aufgrund stark auftretenden Halls nicht in der Lage ist, dem Vortrag eines Vortragenden (Schallquelle 12) zu folgen, da es den Vortragenden akustisch nicht verstehen kann. Das Problem kann durch entsprechende Aufstellung von Mikrofonen und Lautsprechern ge­ löst werden. Die Schallwellen löschen sich dann selbst aus. Eine solche Auslöschung ist jedoch nur möglich, wenn gleiche Ausbreitungsrichtung, gleiche Frequenz und gleiche Amplitude der Schallwellen vorgesehen sind und ein Gangunterschied bei den Schall­ wellen von (2 k+1)· λ/2 (k = 0, 1, 2, . . . ) vorgesehen ist. Bei ungleicher Amplitude tritt ledig­ lich eine Schwächung der Schallwellen, nicht jedoch deren Auslöschung auf. Der Schall muß also als Vektorgröße quantifizierbar sein, um eine vollständige Auslöschung an den gewünschten Stellen durch eine entsprechende Aufstellung der Mikrofone und Laut­ sprecher vorsehen zu können. Es sollte also die Größe des insgesamt an einem be­ stimmten Punkt auftretenden Schalls gemessen werden können. Dies wird als qualifi­ zierte Richtungsbestimmung des Schalls bezeichnet. Zu diesem Zweck sind in Fig. 3 drei Vorrichtungen 14a, 14b, 14c gemäß Fig. 1 vorgesehen. Die beweglichen Seiten­ wände 3a der drei Vorrichtungen 14a, 14b, 14c können zu der Schallquelle gerichtet sein. Ebenso können sie aber auch in die drei Raumrichtungen x, y, z gerichtet sein. Dadurch können die drei Richtungskomponenten x, y, z gemessen werden. Die drei Vorrichtungen 14a, 14b, 14c sind dann vorteilhaft an einer Stelle im Raum angeordnet. Die Anordnung entspricht für diesen Fall nicht der in Fig. 3 angedeuteten. Beispielsweise könnte die Anordnung gemäß Fig. 3 jeweils durch zwei weitere Vorrichtungen, die mit ihren elastischen Seitenwänden 3a in die jeweils anderen beiden Raumrichtungen weisen, er­ gänzt werden. Dadurch könnte an den durch die drei Vorrichtungen 14a, 14b, 14c ange­ deuteten Positionen in der Schallrichtung zum Auditorium 13 hin eine Messung erfolgen.

Eine weitere Aufstellungsmöglichkeit der Vorrichtungen 14a, 14b, 14c zu Meßzwecken ist, diese auf einem winkelgesteuerten Drehtisch vorzusehen. Dadurch ist eine winkelab­ hängige und bzgl. des Winkels genaue Erfassung der Schallwellen möglich. Diese Anordnung wäre auch in der Lage, folgende Grenzfrage zu klären: ob einzig die Schallwellenauslöschung und/oder Teilüberlagerungen Ursache einer Hallproblematik sind, oder ob hier eine Beschreibung auf der Basis der kinetischen Gastheorie zu erfol­ gen hat. Letztere wäre einzig auf Asymmetrien der Laufzeiten längs der drei Raum­ hauptrichtungen zurückzuführen. Diese Asymmetrien sind durch Kraftmessung für jede Raumrichtung quantifizierbar.

Zu Meßzwecken sollten die Vorrichtungen 14a, 14b, 14c im Raum möglichst so angeord­ net werden, daß kein Kabel oder ähnliches, mit der Vorrichtung verbundenes Über­ tragungswerk die Messung behindert.

Anstelle der würfelförmigen Hohlkörper können auch beliebig geformte Körper mit einer elastisch beweglichen Seitenwand und ansonsten schallharten Schallwänden verwendet werden.

Mit der würfelförmigen Vorrichtung als Bezugsgegenstand könnten mit beliebig geformten Körpern und deren Meßergebnissen Formfaktorbeiwerte definiert werden. Die Über­ tragung dieser Beiwerte auf die Akustik zu planender Bauwerke ist von größtem wirt­ schaftlichen, möglicherweise auch kulturellen Interesse.

Claims (13)

1. Vorrichtung zum lokalen und richtungsabhängigen Erfassen von Schall­ wellen (2), dadurch gekennzeichnet, daß ein würfel- oder quaderförmiger Hohlkörper (1) mit schallharten Seiten­ wänden (3b, 3c, 3d, 3e, 3f) und einer elastisch beweglichen Seitenwand (3a) vorgesehen ist, und daß in dem Hohlkörper (1) Mittel (6) zur Druckaufnahme und Mittel (7) zum Druckausgleich luftdicht in einer der schallharten Seiten­ wände vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (1) würfelförmig oder quaderförmig ist und fünf schall­ harte und eine bewegliche Seitenwand aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Druckaufnahme ein Drucksensor (6) oder dergleichen ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Druckausgleich ein Druckausgleichsventil (7) ist, das nach dem rheologischen Prinzip oder ähnlich einer Eustachischen Röhre oder einem Bunsen-Ventil arbeitet.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die schallharten Seitenwände (3b, 3c, 3d, 3e, 3f) einschichtig oder sandwichartig aufgebaut sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die schallharten Seitenwände (3b, 3c, 3d, 3e, 3f) aus Metall, Stahl, Glas oder polierter Keramik oder in Verbindung mit Blei, Ton oder dergleichen ge­ fertigt sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Seitenwand (3a) aus einem Elastomer, Goldfolien, einer Schweinsblase oder dergleichen gefertigt ist oder ein starres, scheibenförmi­ ges Element (22) und Federelemente (23) aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (6) zur Druckaufnahme im Bereich der beweglichen Seiten­ wand (3a) auf deren Innenseite (4) angeordnet oder bodengleich im Bereich der beweglichen Seitenwand (3a) vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (7) zum Druckausgleich im Bereich der Oberfläche (8) der schallharten Seitenwand (3b, 3c, 3d, 3e, 3f) eine druck- und temperaturdurchlässige Membran (9) aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (7) zum Druckausgleich zum Verhindern des Eindringens von Schallwellen in den Innenraum des Hohlkörpers im Bereich von dessen Membran (9) unter dieser eine Füllschicht (16) aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllschicht (16) in der äußeren Schicht (10) einer schallharten Sei­ tenwand angeordnet, auf der Außenseite von einem Gewebe (18) über der gesamten Außenfläche abgedeckt und auf der zur inneren Schicht (11) ge­ wandten Seite von einem zweiten Gewebe (19) über der gesamten Fläche abgedeckt ist, daß die Füllschicht (16) ein körniges Material ist, und daß unter dem Gewebe (19) ein luftgefüllter Hohlraum (20) vorgesehen ist, der zum Innenraum (5) des Hohlkörpers (1) mit einer Membran (21) verschlossen ist.

12. Verfahren zum lokalen und richtungsabhängigen Erfassen von Schallwellen mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Vorrichtungen (14a, 14b, 14c) für Meßzwecke in einem Raum aufgestellt werden, daß die beweglichen Seitenwände (3a) der Vorrichtungen (14a, 14b, 14c) so ausgerichtet werden, daß sie jeweils senk­ recht zu den drei Raumkomponenten (x, y, z) der Schallwellen angeordnet werden, und daß eine eindeutige geometrische Zuordnung der auf die jewei­ lige bewegliche Seitenwand (3a) auftreffenden Schallwellen vorgenommen wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswertung oder Zuordnung der aufgenommenen Daten in einer in der Vorrichtung (14a, 14b, 14c) vorgesehenen oder in einer daran anschließ­ baren oder angeschlossenen Auswerteeinheit vorgenommen wird.