Mit den Augen hören: Die Akustische Kamera
Die neue Technik: Schnell, handlich, aussagekräftig und reproduzierbar
Die Akustische Kamera ist ein leichtes, modulares und flexibles System zur bildgebenden Lokalisierung und Analyse von Schallwellen.
Eine Digitalkamera bildet das schallerzeugende Objekt ab. Gleichzeitig nimmt eine hochkanalige Anordnung von Mikrofonen (Array) die emittierten Schallwellen auf. Eine speziell entwickelte Software errechnet daraus eine Schallkarte und verknüpft das akustische und optische Abbild der Schallquelle.
Die Handhabung der Akustischen Kamera ist dabei fast so einfach wie die eines Fotoapparates. In einem Vorschaufenster wird das zu messende Objekt in Echtzeit akustisch beobachtet. Nach Einrichten der Kamera den Auslöser betätigen – fertig. Der „akustische Fingerabdruck“ ist aufgenommen. Daraus rekonstruiert der Computer dann in wenigen Sekunden eine oder mehrere Schallkarten – die akustischen Bilder als Foto und Video.
Die Geräuschkulisse, die häufig aus der Überlagerung vieler Schallquellen unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung besteht, wird wieder in Einzelquellen zerlegt. Laute Bereiche werden dabei rot, leise Bereiche blau eingefärbt. Die relevanten Quellen für hohe Schallpegel sind jetzt schnell erkennbar. Die Kartierung erfolgt auf Schalldruck. Mit bisherigen Mitteln waren solche Schallkarten nur bei stationären Geräuschen ohne Foto-Überlagerung ermittelbar.
In der Entwicklung stecken viele Basis-Innovationen: die ersten akustischen Bilder und Filme, die Entfernungsrecorder, die Mikrofon-Arrays, die integrierte Videokamera, die Rekonstruktion auf äquivalenten Schalldruck, die Rekonstruktion in Realzeit, viele neue Interaktionen zwischen Raum, Zeit und Frequenz, das Abhören der Bilder und Filme sowie die 3D-Rekonstruktion.
Die Kamera wurde zusammen mit den potentiellen Kunden entwickelt. So konnte sie bereits während der Entwicklung in den unterschiedlichsten Einsatzgebieten in praxi erfolgreich getestet werden. Hier zeigte sich, dass die Ingenieure in der Industrie unter enormem Zeit- und Kostendruck stehen und Tools benötigen, die ihnen helfen, Probleme schnell zu erkennen und zu lösen, und die nicht neue erzeugen. Daher ist bei der Entwicklung auf Modularität, einfachste Handhabung, intuitiv erlernbare Software und Konzentration auf Schallanalyse größter Wert gelegt worden.
Das gesamte System besteht aus einem Mikrofonarray, einem Datenrecorder und einem Notebook, wobei für verschiedene Einsatzgebiete angepasste Arrays eingesetzt werden. Die Technik ist in wenigen Minuten aufgebaut und einsatzbereit. Parallel zur eigentlichen Schallaufnahme können weitere Parameter wie Drehzahl, Drehwinkel, Spannungen und Ströme aufgezeichnet werden. Dadurch wird eine zeitliche und räumliche Zuordnung der Schallquellen zum Betriebszustand des Messobjektes möglich.
Aufgabenstellungen:
Lärmquellen exakt lokalisieren und reduzieren
Lärm ist ein unterschätztes Umweltgift; so steigt z. B. das Herzinfarktrisiko bei einer Dauerbelastung von 65 Dezibel erheblich. Deshalb sieht der Gesetzgeber auch immer strengere Auflagen für den Betrieb von technischen Einheiten vor. Andererseits sollen Maschinen immer leistungsfähiger, schneller und leichter werden, was häufig zu einer erhöhten Geräuschemission führt. Mit der Akustischen Kamera lassen sich Lärmquellen exakt ermitteln und in kürzester Zeit vom Standpunkt des „Beschallten“ aus lokalisieren. Dabei wird das Objekt als Ganzes mit wenigen Messungen aus den wirklich relevanten Blickwinkeln erfasst. Unklarheiten über die Ursachen der Geräuschbildung können dokumentiert und damit behoben werden. Die bildliche Darstellung ermöglicht auch die konsequente Zuordnung der Verantwortung. Mit einer „Vorher/Nachher“-Analyse lässt sich die Wirksamkeit von entsprechenden Schalldämmungsmaßnahmen dokumentieren.
Hochwertiger Sound für hochwertige Produkte
Geräusche müssen nicht unbedingt laut sein, um Unbehagen zu verursachen. Häufig sind es leise Geräuschquellen mit einer chaotischen Zeitstruktur, die psychologisch in den Vordergrund treten. Insbesondere in der Automobilindustrie sind Klapper-, Pfeif- oder Knackgeräusche unerwünscht. Hochwertige Wagen haben einen charakteristischen Sound, der ein Markenzeichen ist. Dementsprechend hoch ist der Aufwand, den gewünschten Klang zu erreichen und Störendes zu eliminieren. Porsche und DaimlerChrysler wurden zu technologischen Herausforderern der Technologie. Mit der Akustischen Kamera können Fehlerquellen lokalisiert werden und Vorgaben für einen spezifischen Sound kontrolliert werden.
In der Baumaschinenindustrie konnten ganze Serien von Mobilgeräten leiser gemacht werden. So arbeitete das Team zusammen mit Fa. Liebherr an Projekten wie „der leiseste Mobilkran“ oder „der leiseste Mobilbagger“. Auch bei Haushaltsgeräten zeichnet sich der Trend zu leisen oder markant klingenden und damit als hochwertig definierten Produkten ab; Bosch und Siemens gehören zur Stammkundschaft der Akustischen Kamera. Nicht zuletzt setzen Heimwerker- und Werkzeugmaschinenhersteller auf die Technologie.
Standardisierte Qualitätssicherung
Viele kennen die Situation: Der Motor vom Auto läuft, aber irgendetwas stimmt nicht. Die Geräuschkulisse ist anders. Noch bevor sich der Fehler mit einer Warnmeldung am Armaturenbrett bemerkbar macht, hören erfahrene Autobesitzer, dass mit ihrem Liebling etwas nicht in Ordnung ist. Auch in der Industrie äußern sich viele Fehler zuerst durch eine geänderte Schallabstrahlung. In der Qualitätskontrolle können erfahrene Mitarbeiter fehlerhafte Produkte häufig am abnormen Geräusch erkennen.
Mit der Akustischen Kamera können Fehler, die sich durch einen veränderten Klang bemerkbar machen, aufgedeckt werden, und zwar unabhängig von der „Tagesform“ der Qualitätssicherung. In einem einfachen Soll-Ist-Vergleich werden zwei akustische Bilder in der Software nebeneinander gelegt. Mit einem Mausklick kann man beiden Bildern den gleichen Wertebereich zuweisen. Abweichungen werden sofort sichtbar, wobei durch die bildliche Darstellung zugleich ein Hinweis gegeben wird, wo der Fehler herkommt.
Eine neue Technik etabliert sich am Markt
Viele erfolgreiche Messeinsätze und Verkäufe belegen die Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Genauigkeit der neuen Technologie. Das System wurde unter der Leitung von Dr. Gerd Heinz entwickelt und wird durch die Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik (GFaI) vertrieben.
Die GFaI wurde 1990 gegründet und ist in Berlin-Adlershof tätig. Das Aufgabenspektrum der gemeinnützigen Forschungsvereinigung umfasst Auftrags-FuE und wissenschaftliche Dienstleistungen sowie die Realisierung von Forschungsprojekten. Die über 90 Mitarbeiter verfügen über eine technische bzw. mathematisch-naturwissenschaftliche Ausbildung, es werden jährlich zahlreiche Kooperationen mit KMU, Forschungseinrichtungen oder Aufträge für Großunternehmen geleistet. Derzeit sind bereits vierzig akustische Kamerasysteme in unterschiedlichen Spezifikationen angefertigt worden, ein weltweites Dienstleistungsnetzwerk für akustische Bildgebung wurde 2004 eingerichtet.
Die Entwicklung der akustischen Photo- und Kinematographie wurde in verschiedenen Teilen im Rahmen der industriellen Gemeinschaftsforschung über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ (AiF) und über die marktvorbereitende Industrieforschung (Gewiplan) mit Mitteln des Bundeswirtschaftsministeriums gefördert. Für Innovationen auf diesem Gebiet erhielt das Forscherteam Dr. Gerd Heinz, Dirk Döbler und Swen Tilgner bereits den Otto von Guericke-Preis 2001 der AiF und 2003 den Innovationspreis Berlin/Brandenburg.
Informationen und Kontakt zum Deutschen Zukunftspreis unter:
E-Mail: info@deutscher-zukunftspreis.de
Internet: www.deutscher-zukunftspreis.de
Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden
deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.
Das Projekt „Mit den Augen hören: Die Akustische Kamera“ wurde von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. vorgeschlagen.