Ziel der Entwicklung
Ziel des Projektes „AkuScan“ war die Entwicklung eines neuen, arraybasierten Verfahrens zur Erfassung und Darstellung der Richtungscharakteristik von Schallquellen. Es sollten mit einem kleinen, handführbaren Mikrofonarray mit integriertem 3D-Scanner komplexe Messobjekte innerhalb einer 3D-Szene von allen Seiten erfasst und so die Abstrahlcharakteristika der dominanten Teilschallquellen bestimmt werden. Zu lösende Teilaufgaben waren dabei die synchrone Verrechnung der akustischen und optischen 3D-Scans, die Identifikation einzelner Teilschallquellen des gemessenen Objektes und die mathematische Modellierung der gerichteten Schallabstrahlungen dieser Teilquellen. Anschließend erfolgt eine anschauliche Visualisierung der Abstrahlung jeder Quelle in Form von Richtkeulen. Diese Darstellung gibt den Anwendern ein verbessertes Werkzeug zur detaillierten Analyse und Optimierung des akustischen Verhaltens ihrer technischen Objekte an die Hand.
Vorteile und Lösungen
Als Basis für das Vorhaben diente eine Methode zum 3D-Scanning mit einem kleinen, handgeführten Mikrofonarray. Da jede Schallquelle durch die Bewegung des Arrays entlang der vom Nutzer abgefahrenen Bahn im Raum (Trajektorie) aus vielen unterschiedlichen Blickwinkeln akustisch erfasst wird, lassen sich aus diesen Bahndaten detailliertere Informationen über das frequenzabhängige Abstrahlverhalten gewinnen. Die Modellierung und Visualisierung dieser gerichteten Abstrahlungen war Inhalt unseres Projektes „AkuScan“.
In einem ersten Schritt sollte der Nutzer von der Aufgabe der Detektion und Markierung einzelner Schallquellen im aufgezeichneten 3D-Modell entlastet werden. Hierfür wurde ein Verfahren entwickelt, das die dominanten Quellen weitgehend automatisiert auffindet und auf dem 3D-Modell lokalisiert. In einem zweiten Schritt erfolgt nun für jede dieser gefundenen Teilschallquellen die Bestimmung der Richtcharakteristik anhand der aufgezeichneten Mikrofonarraydaten. Dafür wurden im Projekt mathematisch sehr anspruchsvolle Modelle entwickelt, mit denen die Abweichung der Abstrahlung einer Teilschallquelle vom Verhalten eines idealen Kugelstrahlers bestimmt und quantifiziert werden kann. In einem letzten Schritt werden diese Abweichungen von der Kugelform direkt innerhalb des 3D-Modelles der Szene in Form von visuell anschaulich zu erfassenden „Schallkeulen“ an den jeweiligen Quellorten dargestellt. Anhand dieser räumlichen Darstellung können sich Anwender direkt am 3D-Modell einen detaillierten Überblick zum frequenzabhängigen, gerichteten akustischen Abstrahlverhalten ihrer Untersuchungsobjekte verschaffen und diese entsprechend ihrer Anforderungen optimieren. Als Beispiel wird in den Bildern die Abstrahlung von HiFi- und Koax-Lautsprechern bei 1,5 kHz und bei 6,3 kHz gezeigt.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die Projektergebnisse werden zu einer weiteren Verbreiterung der Applikationsmöglichkeiten akustischer Kartierungstechniken führen. Durch die Nutzung eines handführbaren Arrays ist einerseits die Möglichkeit gegeben, den effektiv wirksamen Arraydurchmesser und die Mikrofonanzahl virtuell erheblich zu vergrößern. So können auch tiefere Frequenzen im Bereich weniger hundert Hertz mit kleineren, handgeführten Arrays mit gutem akustischen Bildkontrast und mit stark verbesserter Quelltrennung kartiert werden. Andererseits ist die im Projekt geschaffene Möglichkeit der genaueren Untersuchung gerichteter Schallquellen gerade für höherfrequente Strahler interessant, so dass die Vorhabensergebnisse die effektive Anwendbarkeit von Arrays in beiden Frequenzrichtungen deutlich erweitern können.
Anwendungen liegen in allen Bereichen, in denen Anlagen, Maschinen und Geräte hinsichtlich Lärmreduzierung, Sounddesign und Fehlererkennung zu optimieren sind. Wichtige Zielmärkte und Anwendungsfelder sind die Automobil- und Zulieferindustrie, die akustische Fehlerdetektion an Maschinen und Anlagen, der Einsatz akustischer Kameras zur Produktoptimierung und Lärmreduktion (Hersteller von Haushaltsgeräten, Werkzeugen, Energieanlagen, Turbinen, Pumpen, Lüftern etc.) sowie die akustische Analyse und 3D-Kartierung von Maschinen und Anlagen in Industriehallen und Produktionsumgebungen. Ebenso denkbar ist der Einsatz in der Beschallungs- und PA-Technik zur Optimierung von Lautsprecher-Systemen und zur Ermittlung des Abstrahlverhaltens im Labor und am tatsächlichen Einsatzort.
