Diese Geräuschaufnahme eines Autos überrascht:
Der Motor ist kaum an den Schallemissionen beteiligt. Vielmehr erzeugt
der Vorschalldämpfer den meisten Lärm. Dieser wird zudem am Boden
reflektiert. Gelb, Grün, Rot und Blau markieren in dieser Reihenfolge
einen ansteigenden Schallpegel; Gelb zeigt die geringste, Blau die höchste
Lautstärke an.
Wie Töne Gestalt gewinnen
Schallortung nach dem Vorbild des menschlichen Gehörs
Aus welcher Richtung Geräusche kommen, erkennt der Mensch
mit Hilfe seiner Ohren und seines Gehirns. diesem Vorbild ist das Verfahren
zur Erzeugung akustischer Bilder nachempfunden, das Berliner Forscher entwickelt
haben. Damit können so komplizierte Schallmuster sichtbar gemacht
werden.
Schallwellen erreichen in der Regel das eine Ohr etwas früher
als das andere. Befindet sich zum Beispiel eine Schallwelle links vom Kopf,
so treffen die wellen zuerst auf das linke und den Bruchteil einer Sekunde
später auf das rechte Ohr. Aus diesem geringen zeitlichen Unterschied,
der sogenannten Laufzeitdifferenz, errechnet das Gehirn, woher das Geräusch
kommt. Befindet sich die Schallquelle genau in der Mitte, erreichen die
Wellen beide Ohren gleichzeitig - ihre Laufzeitdifferenz ist gleich Null.
Bei dem technischen Verfahren übernehmen Meßmikrofone die Funktion
der Ohren. Sie wandeln den Schall in elektrische Signale um. Diese wertet
ein Computer aus. Anders als das Gehirn, das alle Eindrücke in seinem
komplizierten neuronalen Netzwerk gleichzeitig verarbeitet, geht der Rechner
schrittweise vor: Um etwa herauszufinden, ob Schall aus der Mitte kommt,
gibt er die Laufzeitdifferenz Null vor und prüft, ob die Mikrofone
Signale ohne Laufzeitunterschied liefern. Ist dies der Fall, dann bedeutet
das: Aus der Richtung dieses einen Punktes im Raum kommt Schall. Auf diese
Weise "fragt" der Rechner die Mikrofone ständig nach Schallsignalen
und registriert mit Hilfe der Laufzeitunterschiede die Richtungen, aus
denen Geräusche kommen.
Bei dem Verfahren der Berliner werden die von einem Objekt
abgestrahlten -Signale von 16 Mikrofonen aufgenommen. Nach der Computerbearbeitung
erscheint das "Lauschergebnis" als akustische Karte auf dem Monitor. Unterschiedliche
Schallpegel sind farblich gekennzeichnet. Die Kombination der akustischen
Karte mit einem normalen Foto - in unserer Abbildung die Silhouette eines
Autos - macht die Schallverteilung auf einen Blick deutlich.
Die Anlagen waren einfach zu laut, jahrelang
hatten die Konstrukteure eines großen Unternehmens erfolglos an Transportbändern,
Stößeln und Ventilen der Etikettiermaschine herumgeschraubt.
Die Techniker kapitulierten: Es blieb ihnen verborgen, welche unter den
vielen tausend Teilen den Lärm verursachten. Auch herkömmliche
akustische Messungen führten nicht weiter. Dem Ingenieur Gerd Karl
Heinz und seinen Kollegen von der Gesellschaft zur Förderung angewandter
Informatik e.V. (GFaI) war das tückische Objekt gerade recht, um ihr
neues "Verfahren zur Erzeugung von Präzisionsbildern akustischer Laufzeitfelder
durch Nutzung paralleler und serieller Interferenz (PSI)" zu erproben.
Mit dieser Methode sei es weltweit erstmals möglich, die4 Lage komplizierter,
räumlich ausgedehnter Schallquellen sichtbar zu machen, gewissermaßen
zu fotografieren, erläutert Heinz. Ende 1993 habe er mit den Arbeiten
an den theoretischen Grundlagen begonnen, "Details des Verfahrens
wollen wir patentieren lassen", sagt er.
Auf der suche nach einem Testobjekt wandten sich die Forscher aus Berlin-Adlershof
an verschiedene Firmen. Nicht wenige Unternehmen hätten Interesse
an einer Zusammenarbeit gezeigt. Schließlich entschied man sich für
die problematische Etikettiermaschine.
Heinz und seine Kollegen reisten daraufhin samt "Fotoausrüstung"
zum Standort der lärmenden Maschine. Mit Hilfe der akustischen Fotografie
fanden die Forscher binnen kurzer Zeit heraus, daß weder Stößel
noch Gestänge die Ursache des unerwünschten Schallpegels der
Maschine waren, sondern der Antriebsmotor sowie ein Lüfter, die sich
an der Unterseite der Anlage befinden. "Der Lärm konnte danach gezielt
reduziert werden."
Nur in dem schalltoten Raum eines Akustik-Labors hätten die Konstrukteure
vielleicht noch eine Chance gehabt, die Ursache aufzuspüren. Große
und tonnenschwere Anlagen, wie die Etikettiermaschine, lassen sich jedoch
nicht in ein solches Labor verfrachten. Ein Vorteil der akustischen Kamera
ist es, transportabel zu sein, auch wenn sie mit 1,1 mal 1,1 Meter
Frontfläche beeindruckende Ausmaße hat. Die "Linse" der Kamera besteht aus einer
Anordnung von 16 hochwertigen Meßmikrophonen. Ein Personalcomputer
"entwickelt" die Aufnahmen, die auf einem Bildschirm betrachtet werden
können. Eine normale Fotokamera liefert zusätzlich herkömmliche
Bilder von den Objekten . Diese Aufnahmen werden später mit den Schall-Bildern
kombiniert, um sie besser interpretieren zu können( siehe auch Info-Kasten).
Um ihr Verfahren zu erproben und zu optimieren, war den Erfindern jedes
Meßobjekt recht. So stellten sie die akustische Kamera vor die geöffnete
Motorhaube eines Autos. Sie rechneten damit, daß - "wie es in den
Fachbüchern steht" - der Motor des Wagens die Hauptlärmquelle
sei. Das akustische Foto zeigte jedoch ein eher ruhiges Aggregat. Stärkere
Geräusche kamen dagegen aus dem Bereich des Vorschalldämpfers
unter dem Fahrzeugboden. Überraschend laut war der Schall, der vom
Straßenbelag direkt unterhalb des Dämpfers reflektiert wurde.
"Schallabsorbierende Straßenbeläge" könnten solche Lärmreflexionen
um die Hälfte reduzieren", folgert Gerd Karl Heinz. "Der Verkehr wäre
dann so ruhig wie beim Fahren auf schneebedeckter Strecke". Freilich weiß
der Ingenieur, daß man nicht alle Straßen erneuern kann. Die
Schallwellen-Fotografie würde den Autokonstrukteuren aber detaillierte
Hinweise liefern, wo sie an den Lärmquellen in den Autos selbst Abhilfe
schaffen können.
Eine neue Version von PSI, die jetzt auch bewegte Bilder liefert, haben
die Forscher in der vergangen Woche fertiggestellt. Bis zu 50 000 Einzelbilder
pro Sekunde kann der Computer berechnen. Mit solchen Hochgeschwindigkeitsaufnahmen
könnten Mechaniker in Automobilwerkstätten bei laufendem Motor
jeden einzelnen Zylinder eines Verbrennungsmotors in jeder Phase ihrer
Funktion analysieren. In kürzester Zeit ließe sich so ermitteln,
ob ein Zylinder defekt oder nur die Zündung falsch eingestellt ist,
hoffen die Adlershofer.
Nach ihrer Ansicht steht nun eine Technologie zur Verfügung, mit
der sich Techniker eine genaue Übersicht über die Schallemission
komplizierter Objekte verschaffen können. von Nutzen könne das
Verfahren überall dort sein, wo mit herkömmlichen Methoden nicht
ermittelt werden kann, welche -Baugruppen oder Gehäuseteile von Maschinen
und Anlagen Lärm verursachen. Nach den guten Erfahrungen mit dem Testprojekt
"Etikettiermaschine" hat das Unternehmen sich nun mit einem noch kniffligeren
Problem an die Adlershofer gewandt,. Die Firma könnte wesentlich mehr
Briefverteilmaschinen exportieren, wenn es gelänge, anspruchsvollen
Wünschen der Kunden nachzukommen: Diese fordern ein maximales Geräusch
von 67 Dezibel, was dem Geräuschpegel einer Schreibmaschine entspricht.
bislang sind die Maschinen aber noch so laut wie Motorrasenmäher.
Gerd Karl Heinz und seine Kollegen sind zuversichtlich, daß sie helfen
können. Zuvor müssen sie ihr Verfahren jedoch optimieren. So
müsse die Anpassung der optischen an die akustischen Bilder noch genauer
werden, räumen die Forscher ein. Sie wollen ihre Technik so weit verfeinern,
daß sie Details im Bereich einiger Zentimeter erkennen können.
In der Bilderwelt des Schalls wären das superscharfe Aufnahmen.
