PhD Theses

No. 3 - Manuel Haide

Manuel Haide: Durchflussmessung mit Ultraschall-Phased-Array-Sensoren

External publication 2016

Commission

• Prof. Dr.-Ing. Gerhard Schmidt
  (first reviewer)
• Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schroer
  (second reviewer)
• Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas Meurer
  (examiner)
• Prof. Dr.-Ing. Werner Rosenkranz
  (head of the examination board)

Abstract

Future development of reliable flow measurement in urban water management, flood control, process and power engineering are driven by developing wear-free and flexible measurement systems with high accuracy. Current ultrasonic measurement systems are limited in their scope and thus signal processing and sensor design need to be improved. The basis of the discussed measuring principle are sound-reflecting suspended solids in the fluid, which move slip-free along the stream.

This thesis presents fused signal processing methods to determine velocities of suspended solids in fluids. In combination with a phased-array ultrasonic sensor, a successive measurement of the velocity prole across the entire channel or pipe cross section can be performed. Moreover, signals are transmitted with a frequency hopping coding in order to detect a position-dependent information of the transit time and Doppler frequency. With the objective of noise-resistant and accurate flow measurement, object tracking theories or cluster methods are used to fuse the received echo information.

The object tracking is realized by a Kalman lter and various local and global association methods such as the Neares-Neighbour- and (Joint) Probabilistic Data Associations method. In contrast to this time-based tracking of streamlines, the cluster method determines the Doppler frequency by an application-oriented MUSIC method. Areas which are beyond of the phased-array sensor coverage, are complemented by a computational optimized function to generate a velocity distribution across the entire channel / pipe cross section. The technical feasibility of the analyzed evaluation methods as well as the sensor system has been adduced by a hardware platform.

By using the data fusion methods measurement errors have been reduced for high in flow velocities. Ambiguities in the Doppler frequency interpretation are cancelled by the data fusion, and thus enlarge the measurement range. In combination with the ultrasonic phased-array technology inhomogeneous velocity proles are determined across the entire channel / pipe cross section.

No. 2 - Sebastian Stenzel

Sebastian Stenzel: Multichannel Signal Processing for Spatially Distributed Microphones

Shaker-Verlag, 2014

Commission

• Prof. Dr.-Ing. Gerhard Schmidt
  (first reviewer)
• Prof. Dr.-Ing. Jürgen Freudenberger
  (second reviewer)
• Prof. Dr.-Ing. Peter Höher
  (examiner)
• Prof. Dr.-Ing. Jeffrey McCord
  (head of the examination board)

Abstract

Schon heute findet die mehrkanalige Sprachsignalverarbeitung in vielen Bereichen Anwendung, wie beispielsweise bei der Freisprechtelefonie oder der Spracheingabe. Durch eine entsprechende Signalverarbeitung kann gerade in Szenarien mit starken Umgebungsgeräuschen (Freisprechen im Auto) oder bei Szenarien mit Raumhall (Freisprechen in größeren Räumen) die Sprachqualität gesteigert werden. Heutige Mikrofonanordnungen sind dabei meist in ihrer Ausdehnung beschränkt (Mikrofonabstände von wenigen Zentimetern) und erfassen somit das akustische Szenario nur lokal. In dieser Arbeit werden Ansätze zur Signalkombination von räumlich verteilten Mikrofonen untersucht. Dabei werden aus der Literatur bekannte Verfahren auf ihre Anwendbarkeit für verteilte Mikrofonkonstellationen geprüft. Viele bekannte Verfahren z.B. der SDW-MWF oder der TF-GSC verwenden zur Signalkombination einen Referenzkanal, welcher einem zuvor ausgewählten Mikrofonsignal entspricht. Dadurch entstehen gerade bei Anordnungen mit großen Mikrofonabständen Probleme, da die resultierende Übertragungsfunktion des Gesamtsystems vom gewählten Referenzkanal abhängt. Somit beeinflusst die Wahl der Referenz maßgeblich die Sprachqualität des Systems. Bei den in dieser Arbeit vorgestellten Lösungsansätzen wird ein virtueller Referenzkanal errechnet, der sich aus der Einhüllenden der einzelnen akustischen Übertragungsfunktionen ergibt. Es wird gezeigt, dass dadurch ein partielles Equalizing der Raumakustik erreicht wird. Durch dieses Equalizing ergeben sich weitere Vorteile: Der breitbandige Signal-zu-Rauschabstand wird verbessert. Desweitern werden Sprachsignalverzerrungen sowie Verfärbungen des am Ausgang verbleibenden Restgeräusches verringert.

No. 1 - Markus Christoph

Markus Christoph: Untersuchung verschiedener Verfahren zur messtechnischen Bestimmung und Nachbildung der Akustik insbesondere von Fahrzeugaudiosystemen

Shaker-Verlag, 2013

Commission

• Prof. Dr.-Ing. Gerhard Schmidt
  (first reviewer)
• Prof. Dr.-Ing. Henning Puder
  (second reviewer)
• Prof. Dr.-Ing. Reinhard Knöchel
  (examiner)
• Prof. Dr.-Ing. Martina Gerken
  (head of the examination board)

Abstract

Bei der Verfolgung des ursprünglichen Ziels der Dissertation ein lautsprecherbasiertes System zur akustischen Dokumentation zu finden wurde schnell erkannt, dass bereits einige etablierte Verfahren zur Decodierung, d.h. für die Rekonstruktion von zuvor, meist künstlich codierter Wellenfelder, wie etwa die Wellenfeldsynthese oder das Higher-Order-Ambisonic (HOA)-Verfahren, existieren. Dagegen stelle stellte sich im Laufe der Arbeit heraus, dass im Bereich der Codierung, also der messtechnischen Bestimmung von Wellenfeldern, noch ein höherer Forschungsbedarf existiert. Zudem bestand von Beginn an das Interesse vorrangig Fahrzeugaudiosysteme zu auralisieren. Aus diesen Gründen entwickelte sich die Untersuchung unterschiedlicher Verfahren zur messtechnischen Bestimmung der Akustik, insbesondere für Audiosysteme in Kraftfahrzeugen, zum Schwerpunkt dieser Arbeit.

Nach grundlegender Untersuchung unterschiedlichster Verfahren zur messtechnischen Bestimmung der Akustik, kristallisierte sich die Verwendung zirkularer bzw. sphärischer Mikrophonarrays, wie sie im HOA-Verfahren Verwendung finden, als erfolgversprechendste Methode heraus. Unter Verwendung der HOA-Theorie wurden dabei vorrangig sphärische, d.h. kugelförmige Mikrophonarrays zur dreidimensionalen, messtechnischen Bestimmung von Wellenfeldern näher untersucht. Dabei konnten Wege zur Verbesserung bestehender Messsysteme durch Modifikationen in ihrem Design gefunden werden.

Messungen bestätigten dabei die Wirksamkeit der neuen Designs. So konnte etwa die wirksame Bandbreite durch ein neuartiges Kugelmikrophonarray durch eine einfache, rein mechanische Modifikation nahezu verdoppelt werden, ohne dabei die Anzahl der Sensoren zu erhöhen. Aber auch Veränderung im Filterdesign wurden untersucht, was zu einem neuartigen Algorithmus führte, welcher in der Lage ist Filter zu erzeugen, sodass das Mikrophonarray einerseits eine gewisse, minimale Sukzessibilität nicht unterschreiten und zudem, unabhängig von der betrachteten Frequenz, stets einen gleichen, maximalen Pegel in der Hauptempfangsrichtung aufweist. Schließlich wurden noch weitere Konzepte vorgestellt wie sich die Wirkung der Mikrophonarrays für die Codierung durch einfache, praxistaugliche Modifikationen weiter steigern lässt.

Neben der messtechnischen Bestimmung der Akustik wurden zudem noch Verfahren zur Nachbildung bzw. zur Verbesserung der Akustik untersucht, wobei hierzu die Inverse-Filter-Theorie näher betrachtet wurde. Basierend auf Aufnahmen in einem Fahrzeug wurde dieses Prinzip untersucht. Der Fokus wurde dabei auf den Filterentwurf gelegt, wobei eines der Ziele war, diese so zu entwerfen, dass sie ein möglichst geringes pre-ringing aufweisen. Hintergrund hierbei ist, dass klassische Entwurfsverfahren Filter erzeugen, welche unter einem zum Teil starken Vorläuten leiden, was sich akustisch als störend auswirkt und folglich weitestgehend vermieden werden sollte. Der Tribut, der dabei gezahlt werden musste war, die zeitliche Komprimierung der resultierenden, d.h. mit den inversen Filtern gewichteten Raumimpulsantworten, aufzugeben. Dies stellte sich letztendlich jedoch als wesentlich akzeptabler heraus als das Vorhandensein des zuvor genannten pre-ringing.