Akustische Kamera

(Lokale Kopie G. Heinz für Wikipedia)

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Versionsgeschichte: Diesen Beitrag stellte ich Ende 2005 zusammen mit Beiträgen zu Somatotopie und Akustische Kamera auf Wikipedia. Leider wurden diese Beiträge 2006 durch Unbekannte ohne Rückfrage gelöscht. Die Materie ist offenbar noch zu unbekannt, man verzeihe den Unwissenden. Wissenschaft ist halt auch nur getragen vom Glauben. Wer hat schon die Chance, eine komplexe Theorie sofort zu begreifen? Offenbar geht der Mensch mit neuem Wissen zu allen Zeiten so um, wie zu Keplers Zeiten. gh


Unter einer akustischen Kamera verstehen wir ein bildgebendes System, welches in einer Verbindung aus Video-Kamera, Mikrofonarray, Datenrecorder und PC akustische Emissionskarten berechnet und automatisch auf ein Videobild oder einen Video-Film überlagert. Als Ergebnis entsteht zum Beispiel ein kantenextrahiertes Interferenzbild, auf welchem laute Schallquellen zu erkennen sind. Entsprechende Frequenzbewertungen können in den Rechnungsgang eingeschaltet werden. Pixelgenau wird die Zeitfunktion jedes Ortes rekonstruiert. Diese lässt sich abspeichern oder anhören - per Mauszeiger wird auf den zu analysierenden Ort im Bild gezeigt.

Die von den Mikrophonen kommenden Zeitfunktionen werden mit einem Datenrecorder digitalisiert und meist auf der Festplatte zwischengespeichert. Mit nur wenigen Sekunden Aufnahmezeit können im Nachgang am PC akustische Analysen aller Art durchgeführt werden. Es gelingt, Spektrogramme an verschiedenen Stellen des Objekts zu rekonstruieren oder hochauflösende Schallfilme in spektraler Bewertung zu entwickeln. Man kann im Spektrogramm nach unerwünschten Frequenzen suchen und das zugehörige Schallbild darstellen.

Um Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu Schallpegelmessern herzustellen, wird die Schallbewertung als sogenannter 'äquivalenter Schalldruck' (Equivalent Noise Pressure, ENP) mit einer Farbtabelle codiert ausgegeben. ENP ist der Schalldruck, den ein Schallpegelmesser im gleichen Objektabstand wie das Mikrofonarray einer akustischen Kamera anzeigen würde.

Seit 2000 gelingt es mit dieser Technik auch, akustisch 'live' zu filmen. Das System wird gestartet und berechnet kontinuierlich und mit nur Millisekunden Verspätung Bildfolgen bis zu 20 Bilder pro Sekunde.

Historie

Der Begriff "akustische Kamera", der sich inzwischen weltweit für akustische Bildgebung durchgesetzt hat, entstand auf der CeBit 1997, als der Wissenschaftsreporter der Berliner Zeitung, Herr Dr. Ochel, den GFaI-Messestand besuchte, auf dem ein sog. "akustischer Interferenz-Messplatz" [1] mit 16 Mikrophonkanälen ausgestellt war. Mit diesem konnten erste, akustische Filme und Standbilder in industrieeller Umgebung [2] entwickelt werden. Er schlug vor, das Messsystem doch griffiger als 'akustische Kamera' zu bezeichnen. Im selben Jahr entstand auch der Begriff der "akustischen Photo- und Kinematographie".

Die akustische Kamera verdankt ihre Herkunft Untersuchungen zu Interferenznetzwerken. Dabei wurde erkannt, dass der klassische, feldtheoretische Beamforming- oder Holographieansatz mit dem Übergang in den Frequenzbereich parametrisch den Zahlenbereich der komplexen Zahlen verlassen kann. Ein komplexer Zeiger dreht nur bis 360 Grad, Interferenzsysteme aber weisen beliebig große Verzögerungen über mehrere Wellen auf. Dadurch entstehen Mehrdeutigkeiten bei der Feldrekonstruktion im Frequenzbereich, die nur mit einer hohen Mikrophonanzahl kompensiert werden können. Auch wurde eine punktgenaue, als "Interferenz-Rekonstruktion" bezeichnete Methode entwickelt. Problem des Beamforming (im Ultraschall seit den vierziger Jahren) ist eine mathematische Überbestimmtheit, die (wie in der Optik) zu axialferner Unschärfe führt. Eine Lösung im Zeitbereich, der sog. Maskenalgorithmus (Interferenz-Rekonstruktion) brachte in den Jahren 1994 bis 1996 den Durchbruch: Zeitinversion und Arbeit im Zeitbereich erschliessen einerseits die Möglichkeit, Filme mit Bildraten bis zur Abtastrate zu machen, andererseits konnten Aufnahmen mit geringst möglicher Kanalzahl entstehen. Rechenzeit wurde gespart. Werkzeuge mit einer neuartigen Interaktivität zwischen Zeit, Frequenz und Raum konnten entwickelt werden (bis 1999 "PSI-Tools", danach "NoiseImage").

Kernproblem der automatischen Filmüberlagerung stellte anfangs die Disharmonie zwischen einer begrenzten Öffnung der Video-Kamera und einer Reduktion des Bildkontrasts einer akustischen Karte bei wachsender Entfernung und tiefen Frequenzen mit hoher Wellenlänge (100 Hertz ~ 3,4 Meter) dar. Da die Größe der Arrays für Mobilität bei industriellen Applikationen nicht beliebig gesteigert werden kann, stellte die Einführung der Kopplung mit einer Videokamera ein gewisses Wagnis dar. 1996 wurden mit 16 Kanälen sehr große Reichweiten von über 170 Metern [3] erzielt, die eine starre Bildüberlagerung auf das Kamerabild tragbar werden ließen. Die Video-Akustikbild- Kopplung wurde auf der Hannover Industriemesse 1999 [4] zum ersten Mal vorgestellt. Hier wurde auch zum ersten Mal ein offenes Ringarray gezeigt, welches mit integrierter optischer Kamera (damals noch mit 16 Kanälen) der Technik der akustischen Kameras zum internationalen Durchbruch verhalf.

Weblinks

Quellen