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"Bilder leuchten laut"
oder "Hörend Sehen"


Emission eines PKW-Motors (Maserati). Man erkennt eine Schallspiegelung am Boden und eine partielle Feldverschmelzung zwischen direktem und gespiegeltem Schall. Gerd Heinz, 2003.

Die Theorie der (nervlichen) Interferenznetzwerke und deren Analogie zur Fotographie brachte eine neue Sicht auf Wellenfelder. Werden Fotographien als Interferenzintegrale interpretiert, dann existieren Interferenzintegrale in der Optik, wie im Nervensystem oder in der Akustik.

Waren ursprüngliche Ansätze der Akustik z.B. Ultraschall-Beamforming, Geophonie, aber auch Radar etc. dadurch gekennzeichnet, daß eine Erregung (Puls, Chirp etc.) ausgesandt wurde, deren (kausales) Echo zur Bildgebung genutzt wurde, so eröffnete die Theorie der Interferenzintegrale einen neuen Zugang. Deren Analogie zu Optik zeigte, daß es möglich sein würde, ohne kausalen Ursache-Wirkungsbezug nicht nur optische, sondern auch nervliche oder akustische Bilder rein passiv empfangen zu können.

Mit dem Maskenalgorithmus (Link) stand ein Hilfsmittel zur Verfügung, Interferenzintegrale beliebiger Länge - begrenzt nur durch Rechenzeit - zu entwickeln. Das akustische Bild - im eigentlichen, integralen Sinn - war geboren.

Wie immer im Leben verlief auch dieser Übergang gleitend. So waren (aus heutiger Sicht - 2015) die ersten Abrollbilder des Transrapid (Link) von Brühl und Schmitz 1993 ein interessanter Zwischenschritt auf dem Weg zur integralen Sicht auf Bildgebung. Einerseits waren sie noch kausal - man wußte genau, zu welchem Zeitpunkt welcher Wagenteil am Linienarray vorbeifuhr, andererseits waren sie integral, da man pro Bildpunkt stets über Bereiche der Zeitfunktionen zu integrieren hatte.

Die Interferenznetzwerke erweiterten diese integrale Sicht. So entstand das erste, akustische Bild 1994 (Lautsprecher-S) mit "rosa" rauschenden Lautsprechern. Bemerkenswert: Die Software hieß "Bio-Interface" und war ursprünglich zur Rekonstruktion nervlicher Quellen aus dem EEG, oder ECoG gedacht. Auch folgende Bilder und Filme entstanden ohne irgendeine kausale Beziehung zur Schallquelle.


Allererstes, akustisches, integrales Standbild (Link) Aus einer Entfernung von 2,6 Metern wurden achtkanalig acht Mini-Lautsprecher aufgenommen. Die Lautsprecher waren parallelgeschaltet, sie lagen in Form eines "S" und wurden aus einem Rauschgenerator gespeist. Zur Vermeidung von partiellen Reflektionen waren die Mikrofone an die Decke geklebt, die Lautsprecher lagen auf dem Boden. Die Farbtabelle hatte noch Fehler, aber der Weg war nun klar. Grau: 8 Mikrofone im Abstand von je einem Meter; violette Ringe: 8 Lautsprecher. Gerade zwei Wochen vorher, am 9.8.1994, gelang die erste Interferenzrekonstruktion in der Simulation. Flecken im Bild deuten auf Raumresonanzen. Foto: Gerd Heinz, Software: Sabine Hoefs, Hardware: Carsten Busch, GFaI, 23. August 1994


Standbild mit korrekter Farbtabelle und erster Film des Wellenfeldes (Link) - Lautsprecher eines Stereo-Radios aus einer Entfernung von 2,4 Metern aufgenommen. Die grünen Nippel stellen die Projektionspunkte der Mikrofone dar. Schwarze Kreise: Soll-Koordinaten der Lautsprecher. Verzerrungen entstanden wohl durch Interferenz mit partiellen Reflektionen. Kurz dannach, im August 1996, konnten bereits fahrende Autos über eine Entfernung von 170 m im Movie dargestellt werden. Foto: Gerd Heinz, Software: Sabine Hoefs, Hardware: Carsten Busch, GFaI, 15. März 1996

Erste Fernaufnahmen, erster integraler Schallfilm. Aus der 8. Etage (Nordseite) des ZKI-Gebäudes 13.7 (heute Albert-Einstein-Str.16) wurden 4 Schnüre mit je 4 Mikrofonen abgeseilt. Es entstand eine quadratische Mikrophonmatrix 4x4, bei der die Mikrophone einen Abstand von je zwei Metern hatten. Im August 1996 konnten damit Geräusche fahrender Autos (Link) auf der Rudower Chausseüber eine Entfernung von 170 m im akustischen Bild und im akustischen Film dargestellt werden. Zu erkennen ist eine Bildserie der Vorbeifahrt eines PKW von rechts nach links. Wind verwehte den Schall, so daß jedes einzelne Photo ungenau war: Der erste Schallfilm entstand aus Einzelbildern, die Software hatte noch keine Film-Option. Gerd Heinz, Carsten Busch, 8. August 1996


Erste Überlagerung auf ein kantenextrahiertes Photo. Erste Schallspiegelung fotografiert mit dem neuen, 16-Kanal Kofferarray (mit 1/2" Meßmikrophonen MK250 aus Gefell), das in Carsten Buschs Hobbykeller entstand. Beim ersten Blick unter eine geöffnete Motorhaube sehen wir die Stoßstange "leuchten". Gibt es vielleicht Probleme mit der Software? Wir hatten erwartet, den Motor zu sehen ("Den hört man doch!"). Wo liegt der Fehler? Nach einer Woche intensivsten, aber erfolglosen Nachrechnens wird nochmals gemessen (Link), auch seitlich und von vorn. Erst dann ist es klar: wir sehen dominant die Schallreflexion des Motor-Unterbodens (Vorschalldämpfer und Ölwanne) auf der Straße. G. Heinz, Januar 1997; BZ vom 4.6.1997


Ein Bild geht um die Welt: Boing 737-400 beim Triebwerkstest (Link) auf dem Flughafen SXF (nur das linke Triebwerk läuft). Schallspiegelung fotografiert (Meßabstand ca. 30m, 143 dB(A), Gefell 1/2", Mikrophone wurden mit Filzkappen bedämft) mit dem 16-Kanal Kofferarray. Erstes weltweit publiziertes Bild einer Schallspiegelung. Gerd Heinz, Marc Zöllner, Tan Than Nguyen, GFaI, 21. Januar 1997; GEO Heft 9/1997


Der erste TV-Sender ist zu Gast: N3-PRISMA (Sendung vom 25.11.1997) (Link). Zur Demo wird ein Motorrad analysiert. Wir finden den hochliegenden Schalldämpfer als stärkste Quelle (Sonderzulassung). Eine Motoremission ist trotz intensiven Bemühens nicht zu erkennen. Sie ist zu klein verglichen mit der brachialen Emission des Auspuffs. Unsere Interpretation des Bildes: Ein wirklich guter Schalldämpfer sollte nur unter den Helm des Fahrers strahlen. G. Heinz, 1997


Bild eines Akkustaubsaugers - auch Hausgeräte lassen sich analysieren. Der Lärm kommt aus den seitlich liegenden Abluftschlitzen (Gerd Heinz, 1998).


PSI-Tools wurde um einen Line-Scan Algorithmus bereichert, um auch Vorbeifahrten als Abrollbilder filmen zu können. Für die Berliner Verkehrsbetriebe wurden Emissionen von U-Bahn Zügen (5/1998) (Link) und Straßenbahnen (Link) (6/1998) untersucht. Eine tragende Initiative der BVG, um die öffentlichen Verkehrsmittel leiser zu machen. Gerd Heinz, 6/1998


Straßenfahrzeuge (Link) können ebenfalls mit dem Linescan-Algorithmus gefilmt werden. Die teuersten und stärksten Marken kartieren im Außengeräusch am lautesten. Das horizontale Bildzittern markiert tieffrequentes Grollen - man sieht im Bild, alle wieviel Zentimeter ein Zylinder zündet. Gerd Heinz, 6/1998


Natürlich läßt sich auch die Emission einer Bohrmaschine in der heimischen Werkstatt untersuchen (Link). Wir sehen jetzt, warum die Maschine leiser wird, wenn wir eine Matte unterlegen. Sie wird nicht leiser! Nur die Schalleinleitung in die Tischplatte entfällt. Bild links: ohne Matte, rechts mit untergelegter Dämmatte (Mauspad). Gerd Heinz, 19.8.1997.


Ein stationärer 4-Zylinder Diesel mit obenliegenden Zylindern zeigt aus 1,5 m Meßentfernung als stärksten Emissionsort Schallabstrahlung an der Ölwanne. Diese Erkenntnis paßt zu den Ergebnisssen der Straßenaufnahmen - dort sehen wir immer wieder die Spiegelung des Geräuschs der Ölwanne auf dem Asphalt als stärkste Emission. Während der Zylinderkopf massiv und schwer ist, ist die Ölwanne relativ leicht gebaut. Gerd Heinz, 3.2.1999


Zur Hannover Industriemesse im April 1999 stellten wir erstmals eine automatische Überlagerung zwischen Photo und Schallbild vor. In das neue 16-Kanal Mikrofonarray (Link) (Ring mit 1/4" MK301 mit 200 Volt) wurde zusätzlich zum Laser eine USB-Videokamera (USB, Logitech) integriert. Fa. Karmann stellte freundlicherweise einen Renault-Megane zur Verfügung, an dem geübt werden konnte. Allerdings durfte der Motor nicht gestartet werden. Die zuschlagende Fahrertür zeigt in der Zeitlupe eine Abfolge verschiedener Emissionen. Dirk Döbler, Swen Tilgner GFaI, Gerd Heinz, April 1999


Die Software "NoiseImage" kann von akustischen Bildern auch FFT-, Modal- oder Terzanalysen berechnen. Bei der Analyse von Bremsscheiben sehen wir mit etwas Glück sogar Knoten und Bäuche stehender Wellen. (Ein Interferenzsystem ist dann überfordert, wenn dominante Sinuswellen mit der gleichen Frequenz von verschiedenen Orten hereinkommen. In diesem Fall findet eine Superposition am Mikrofon statt und die Ortsinformation verschwindet) Gerd Heinz, 1999.


Wie nützlich akustische Kameras zur Auflösung zeitlich sehr kurzer Vorgänge sein können, zeigt dieser Zeitlupenfilm mit 10.000 img/sec. Hier spielen wir mit dem Kalibriertester ("Klicker") ping-pong. Der Schall wird von der Tischplatte reflektiert. Gerd Heinz, 16.8.1999


Akustisches Bild eines elektrischen Funken. Eine Motorrad-Zündspule diente seit 1995 als Kalibrierquelle, um Kamera und akustisches Bild zur Deckung zu bringen. Schon die ersten Mikrophonarrays hatten im Nullpunkt {x,y,z} = 0 des Arrays einen Laser eingebaut, der mit dem Funkengenerator kalibriert wurde. Mit 1/4" Messmikrofonen Gefell MK301 (max. 90 kHz, Hilfspannung 200 Volt elektrostatisch) auf einem 28-Kanal Ringarray ("Ring28 lemo" mit 75 cm Durchmesser) wurden die hochfrequenten Aufnahmen gemacht mit einer Abtastrate von 192 kS/s. Gerd Heinz, 10.4.2000

Der Zeitlupenfilm mit 192.000 img/sec entstand unter Verletzung des Abtastheorems. Er funktioniert, weil bei verteilten, mehrkanaligen Systemen die Mikrofonzahl in das Abtasttheorem mit eingeht. Theoretisch wären bis zu 192 kS/s · 1/2 · 28 = 2,688 Mio. Bilder pro Sekunde denkbar. Das Bild läßt erahnen, mit welcher Präzision die einzelnen Kanäle vermessen und kalibriert sein müssen. Für den Ring war eine maximale Relativabweichung der Mikrofonkoordinaten von kleiner 0,5 mm gestattet.


Alu-Blechtafel, 2mm dick, nach dB(A) "schallografiert". Eine Modalanalyse zeigt zusätzlich sehr komplexe Schwingungsmoden, die sich trotz größter Mühe meist nicht ganz sauber auflösen lassen. Eine spätere Analyse von Blechen mit Körperschallaufnehmern zeigte, daß sich in dünnen Platten und Blechen nicht einmal eine Leitgeschwindigkeit finden läßt - so stark wechselwirken longitudinale mit transversaler Welle. Gerd Heinz, um 2000.


Waschmaschine bei Wassereinlauf. Links oben leuchtet die Waschmittelklappe rot. Sprachlich schwierig, aber wissenschaftlich korrekter wäre: "Sie leuchtet laut". Wir errinnern uns vielleicht, daß bei den Interferenznetzen Sehen und Hören verschmilzt. Gerd Heinz, um 2000.


Kühlschrank von hinten. Kühlschrank und Bodenreflexion des Kompressorgeräuschs sind zwar mit unseren Ohren kaum wahrnehmbar (um 22dB(A)), sie können aber dennoch mit Mikrofonen kartiert werden, die 30dB Eigenrauschen haben. Das Interferenzintegral über viele Mikrofone macht es möglich. Gerd Heinz, 21.10.97


Auch kleine Dinge, wie Rasierapparate oder elektrische Zahnbürsten lassen sich kartieren. Hier eine Aufnahme mit dem 70 cm-Ringarray. Wichtige Erkenntnis: Die Wellenlänge der Schwerpunktemissionen eines Objekts scheint stets der Objektgröße proportional zu sein.


Im Jahre 2000 konnten Innengeräusche erstmals dreidimensional kartiert werden. Diese sind für die Autoindustrie im Bereich Knack- und Knarz- sowie Verwindungsanalyse interessant. Im Bild ist ein Knarzen des Schiebedachs eines PKW in der vorderen Halterung zu sehen. Wissenschaftlich geht es darum, eine Art von wellentheoretischem Ray-Tracing (Strahlverfolgung) einzuführen. Problematisch ist die nötige Dreieckszerlegung der 3d-Objekte. Für qualitativ hochwertige Ergebnisse entstehen Millionen Knoten. Da jeder Knoten mittels Maskenalgorithmus zu berechnen ist, ergeben sich immense Rechenzeiten. Um Ergebnisse bereits nach Sekunden zu erhalten, sind intelligente Verfahren zur Reduktion der Knotenzahl erforderlich.


Aus dem Schlund eines Induktionsofens steigt eine Schallkeule mit 320 Hz nach oben, die aus der seitlichen Sicht nicht zu erkennen ist. Erst eine Deckenreflexion verriet den Zusammenhang.

Inspektionen komplexer Maschinenanlagen in Innenräumen beginnen oft mit roten Bildrändern oder mit Aliasingflecken, während Emissionen des Zielobjekts nicht zu erkennen sind. Damit ist jetzt Schluß. Die Zukunft hat begonnen: 3D-Bilder geben im voraus Auskunft über im Raum vorhandene, dominante Emissionsquellen oder Reflexionen.


Auch im Außenbereich gelang im Jahre 2000 der Durchbruch. Von der Tonhalle aus gesehen, Emission der Rheinbrücke Duisburg über die eine Straßenbahn fährt (Integral über viele Sekunden, die Straßenbahn ist nicht mehr im Foto, weil das Kamerabild erst zum Schluß der Aufnahme gemacht wird). Wir erkennen eine Reflektion auf der darunter liegenden Straße am Rheinufer


Erste Messungen im Windkanal (Januar 2001). Aus Platzgründen konnte nur mit dem Ring32 gemessen werden (70 cm Durchmesser, untere Grenzfrequenz > 500 Hz). Windgeräusche in den Mikrofonen wurden mit Popschutz bekämpft. Patrick von Pflug, Robin Oswald, Gerd Heinz, 18.1.2001


Akustische Messungen in einer Industrieanlage. Hier stellt sich immer wieder die praktische Frage, Emissionen welcher Anlagenteile in das Fernfeld wirken. Traditionelle Akustik beantwortet diese Frage mit Modalanalyse aller in Frage kommenden Anlagenteile, mit einer akustischen Kamera aber macht man einfach ein Bild (hier für die Züricher Sonntagszeitung v. 10.6.2001, S. 93).


Erste Schallbilder von Windkraftanlagen: Messung von einer Hebebühne in 60 Metern Höhe aus ca. 15 m Entfernung zur Kanzel. Da die Interferenzrekonstruktion f(t+T) im Gegensatz zur Interferenzprojektion keine Schärfenbeschränkung auf Axialnähe kennt, konnte die Aufnahme der 32 Kanäle aus 15 Metern Entfernung auf ein Bild der Anlage aus hundert Metern Entfernung gelegt werden. Aufnahmen: Gerd Heinz, Swen Tilgner, Sept. 2000.


Mißt man hingegen aus einer Entfernung von 100 Metern, entsteht ein völlig anderes Bild. Nur die Blattspitzen leuchten. Steht in einem definierten Winkel zur Windrichtung, bemerkt man, daß maximale Schallabstrahlung in Richtung der abwärts gehenden Flächennormalen erfolgt (links). Dies hat bei geeigneten Verhältnissen einen Leuchtturm-Effekt zur Folge: die Windkraftanlage scheint akustisch zu blinken (Video unter dem Bild, Kartierung des Schallfilms auf ein Bild). Aufnahmen: Dirk Döbler, Swen Tilgner, Mai 2002.


Akustisches Bild eines Großbaggers, mit 30-Kanal Stern-Array vom Autodrehkran aus aufgenommen. Wir sehen vlnr. eine Bodenreflexion und zwei Abluftöffnungen als nach oben dominante Lärmquellen. Aufnahmen: Swen Tilgner, Gerd Heinz, 26.-28.3.2002



Auch Flugzeuge oder Hubschrauber lassen sich kartieren. Messung eines Überflugs mit einem Stern30 Array in Berlin-Tegel. Die Presse berichtete darüber (Bild-Zeitung, 13.11.2002, S. 7). Ein Hubschrauber hat i.a. zwei Emissionsorte. Einerseits ist das Turbinengeräusch nach unten versetzt im akustischen Bild abhörbar, andererseits erzeugt jede vorbeikommende Blattspitze eine Druckwelle (Video unter dem Bild, im Bild rechts).


Eine Geldsortiermaschine zeigt verschiedene Emissionsorte, siehe ein Video unter dem Bild. Das virtuelle Mikrofon wird von Ort zu Ort geschwenkt. Man hört den verschiedenen Klang an den verschiedenen Orten.


Für Ausstellungen und Messen erwies sich ab der Jahrtausendwende eine Nähmaschine als praktikabel. Diese besitzt unterschiedliche Emissionsorte, die sich mit dem virtuellen Mikrofon grundverschieden anhören, siehe ein Video unter dem Bild.

Weitere historische Aufnahmen sind auf folgenden Seiten zu finden:

Viele dieser Aufnahmen verdanken wir der materiellen, finanziellen und ideellen Unterstützung der deutschen Industrie. Ohne deren Hilfe, aber auch ohne die Förderung durch das Bundesministeriums für Wirtschaft (marktvorbereitende Industrieforschung und industrielle Gemeinschaftsforschung) gäbe es wohl noch keine akustischen Kameras.

Das GFaI-Team bedankt sich sehr herzlich für Unterstützung insbesondere bei folgenden Firmen und Institutionen:

Mein besonderer Dank gilt insbesondere den Mitarbeitern der Akustikabteilung des Porsche Forschungszentrums Weissach um Rolf von Sivers, namentlich Siegfried Meyer, Kim Havemann, Horst Großmann und deren Mitarbeiter für die Unterstützung der Arbeiten in Ausrichtung auf eine Profilierung für die Motor- und Fahrzeugakustik der Autoindustrie im Zeitraum zwischen 1998 und 2001.

Nicht zuletzt gilt der Dank unseres Teams auch der wohlwollenden Unterstützung durch den Geschäftsführer der GFaI, Dr. Hagen Tiedtke und den Vorstandsvorsitzenden Prod. Dr. Alfred Iwainsky.

Gerd Heinz
info@gheinz.de