TECHNIK
Eine Kamera sieht Krach
Mit 16 Mikrofonen und einer ausgeklügelten Software sind Geräuschquellen genauestens zu lokalisieren
GEO 09/97, Seiten 147-148
Sämtliche GEOskop-Meldungen werden in die Wissens-Datenbank integriert, die GEO im Internet in seinem "GEO-Explorer" (http://www.geo.de/) eingerichtet hat
Eigentlich wollte der Berliner Mikroelektroniker Gerd Heinz
die Nervenaktivitäten im menschlichen Hirn erforschen. Dann aber hat er "einfach mal Mikrofone statt Hirnelektroden an den Adapter gestöpselt". Ein kleiner Schritt mit großer Wirkung: Es war die Geburtsstunde der akustischen Kamera. Neben einem Computer fällt dem Betrachter ein großes viereckiges Gebilde auf, das an einen Lautsprecher erinnert. Es handelt sich um ein "Mikrofonarray", eine quadratische Anordnung von vier mal vier Mikrofonen, die das "Objektiv" der Schallkamera sind.
Schallwellen, beispielsweise von einem Motor, werden von den Mikrofonen erfaßt und dem nachgeschalteten PC zugeleitet. Dieser zeichnet mit Hilfe eines von der Informatikerin Sabine Höfs entwickelten Programms ein Schallbild des Gegenstandes. Besonders lautstarke Bereiche werden durch den Computer blaulila abgebildet und weniger lärmende abgestuft rot, grün und gelb.
Werden die "Farbkleckse" dieser Schallbildung mit einer Fotografie der Geräuschquelle - aufgenommen vom selben Standort - überlagert, kann sogar ein Laie erkennen, woher genau der Krach rührt. Möglich werden solche "Lärmfotos" durch die Mikrofonanordnung sowie eine spezielle Software. Das Programm registriert und verarbeitet den jeweiligen Laufunterschied der Schallwellen vom Entstehungsort bis zu den versetzt positionierten einzelnen Mikrofonen. Nicht anders lokalisiert auch das Gehirn eine Lärmquelle. so wie wir mit geschlossenen Augen sagen können, woher Geräusche kommen, so registriert dies auch die akustische Kamera - nur viel genauer. Bei einem Personenkraftwagen im Leerlauf beispielsweise machen die Ohren und der gesunde Menschenverstand den Motor als Hauptlärmquelle aus. Das Lärmfoto zeigt aber, daß der Motor vergleichsweise wenig Geräusche von sich gibt. Hauptübeltäter sind der unten liegende Vorschalldämpfer und der vom Asphalt zurückgeworfene Schall. Was auch Heinz und seine Kollegen zunächst erstaunte., läßt sich durch eine einfache Beobachtung bestätigen. Autos, die auf tiefem Schnee fahren, sind leise, weil der -schnee den Vorschalldämpfer-Lärm verschluckt und weniger Geräusche reflektiert.
Erfolgreich entschärften die Berliner Erfinder auch eine Brief-Etikettieranlage, wie sie in vielen Betrieben eingesetzt wird. Teilweise arbeiten solche Geräte pneumatisch und sind so laut wie Rasenmäher. Mit der Schallkamera war die Hauptlärmquelle schnell ermittelt; Es waren die Ventile der Pneumatik.
Inzwischen kann die Anlage nicht nur Einzelschallbilder, sondern Bildfolgen und sogar Hochgeschwindigkeits-Aufnahmen mit 50 000 Schallbildern pro Sekunde schießen. Daraus ergeben sich akustische Filme, mit denen sich beispielsweise Verkehrssünder entlarven lassen oder die bei der Geräuschminderung von Motoren und Triebwerken überaus menschenfreundlich einzusetzen sind.
Nicht jeder Lärm kommt direkt aus den Düsen: Asphalt reflektiert das ohrenbetäubende Donnern eines startenden Jets sehr stark (roter und violetter Bereich)
Nachtrag zur Technik
Nur falls sich jemand wundert, warum nur Lärm von einem Triebwerk zu sehen ist: Müßten nicht beide Triebwerke einen Schallfleck erzeugen?
Das Schallbild (rechts) entstand bei Testläufen einer gewarteten Boing 737 auf dem Flughafen SXF (Berlin-Schönefeld). Vielen Dank an die Kollegen von Lufthansa, daß wir dabei sein durften!
Leider waren die Triebwerke zu laut für unsere Meßmikrofone (Gefell MK250). Die Mikrofone wurden provisorisch mit zufällig im Werkzeugkasten vorhandenen Filzpads beklebt. Aber die 16 Kanäle übersteuerten noch immer. Wir hatten etwa 140 dB am Mikrofonarray. Eine Berechnung der akustischen Bilder in Echtzeit war damels undenkbar. Rechner, wie auch Software waren noch viel zu langsam. Wir konnten nur Daten aufnehmen.
Letztlich fuhren wir etwas frustriert nach Hause. Bei der Auswertung bemerkte ich, daß ein Datensatz dabei war, der nicht übersteuert war. Ich berechnete diesen als ersten. Das dauerte damals Stunden. Wie erwartet, entstanden zwei Emissionsflecken: Für jedes Triebwerk einer. Leider aber entstanden sie übereinander und nicht nebeneinander! Die Vermutung lag nahe, daß es sich um eine Schallspiegelung handeln könnte. Aber wo war die Emission des anderen Triebwerks? Diese hätte man doch auch erkennen müssen? Wenigstens deren Reflektion auf dem Boden? Ich rechnete tagelang herum, aber es war keine Emission des rechten Triebwerks zu finden.
Auch wurde die Software geprüft. Wodurch könnte die Bildverdrehung entstanden sein? Es konnte kein Fehler entdeckt werden. Irgendwann rief ich bei der Lufthansa an und fragte danach, was an diesem Datensatz (es war wohl die Nr.4) anders war. Sie schauten ins Prüfprotokoll: "Bei Nummer vier lief nur das linke Triebwerk auf halber Leistung."
Das konnte nur bedeuten, daß wir mit der akustischen Kamera eine Schallspiegelung auf dem Boden visualisiert hatten! Die erste überhaupt! Wir jubelten vor Freude und konnten es nicht fassen!
Die Aufnahme interessierte dann auch ein Fernsehteam. Sie wurden ein Jahr später, im Februar 1998 von der Deutschen Welle für das Zukunftsmagazin "Leonardo" nachgestellt und verfilmt (Text) (MP4). Allerdings mit anderen Mitarbeitern.
Das Bild der Schallspiegelung ging mit GEO um die Welt. Hier ist noch die Seite aus GEO-Korea von Heft 11/1997 zu sehen:
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