Ziel der Entwicklung

Ziel des Forschungsprojekts „AkuMan“ war die Entwicklung von Verfahren und Algorithmen zur Modellierung, Manipulation und Visualisierung wesentlicher Parameter von Schallquellen, die eine ausgeprägte Richtungscharakteristik besitzen. Methodischer Ausgangspunkt ist die Ortung von Schallquellen und die Bestimmung der jeweiligen Abstrahlparameter im Resultat der Auswertung hochkanaliger akustischer Messungen mit Phased Arrays unter Verwendung von weiter entwickelten Beamforming-Verfahren. Diese Quellkartierungen dienten als erste Ausgangsbasis für die im hier beschriebenen Projekt zu entwickelnden neuen Verfahren und Methoden zur Veränderung der Abstrahlparameter mit dem Ziel der Reduzierung der Schallemission und der Prognose des Schalldruckes an vom Anwender bestimmten Koordinaten im akustischen Gesamtmodell. Diese Prognose ist vor allem von Interesse für die Abschätzung der Effektivität von Lärmschutzmaßnahmen wie zum Beispiel Lärmschutzwänden, Einhausungen, Dämmungen. Auch für die Einhaltung von vielen Vorschriften zum Schallschutz (zum Beispiel Vorbeifahrten, Lärmbelastungen an Maschinen und Anlagen) ist der Schallruck, der Pegel und bzw. oder die Intensität an einem vorgegebenen Ort von besonderem Interesse. Eine Prognose zur Bestimmung dieser Größen bei Änderung der Quellparameter kann eine große Hilfe bei der effektiven Entwicklung von Schallschutzmaßnahmen sein. Ein weiteres großes Anwendungsgebiet ergibt sich im Zusammenhang mit der Energiewende. Hier sind seit geraumer Zeit viele Windparks mit einer großen Zahl von Windenergieanlagen entstanden. Insbesondere die Lärmerzeugung durch die Rotorblätter, aber auch durch die eigentlichen Energieanlagen werden immer mehr zu einem Schwerpunkt für den Einsatz von Beamforming-Systemen wie der Akustischen Kamera. Dabei hat sich gezeigt, dass vor allem die Emissionen von den Rotorblättern eine starke Richtcharakteristik aufweisen. Somit sind sie prädestiniert für den Einsatz der im Projekt entwickelten Algorithmen. Das betrifft sowohl den Bereich Forschung und Entwicklung als auch die Zustandsüberwachung derartiger Anlagen. Ein weiterer Schwerpunkt für den Einsatz der hier geplanten Verfahren sind akustische Spezialräume wie Windkanäle und andere akustische Halbräume zur Forschung und Entwicklung in den Bereichen Fahrzeuge, Maschinen und Geräte. Hier ist der schallharte Untergrund und die damit verbundenen Reflexionen Ausgangspunkt ausgeprägter Richtcharakteristika, die im Rahmen des Projektes ebenfalls ermittelt und berücksichtigt werden sollten. Alle bisherigen klassischen Beamforming-Verfahren (im Zeit- und Frequenzbereich), aber auch alle Verbesserungen dieser Verfahren durch Entfaltungen und andere erweiterte Algorithmen, liefern pegelgenaue Resultate nur für punktartige, kugelförmige Schallquellen (Monopole). Das Ziel des aktuellen Projektes war deshalb die Verbesserung der mathematischen Modellierungsansätze zur orts- und pegelgenauen Kartierung von Schallquellen mit komplexer, nicht kugelförmiger Strahlercharakteristik. Technische Zielparameter waren in diesem Zusammenhang u. a. Quellparameter wie Position, Schalldruck, bevorzugte Abstrahlrichtung und Öffnungswinkel der Vorzugsrichtung (Breite der Abstrahlung). Im aktuellen Projekt waren verbesserte Ansätze zur physikalisch realistischeren Modellierung der in der Praxis stets vorliegenden Frequenzabhängigkeit der Abstrahlung einzubeziehen. Im Endeffekt wird ein akustisches Basismodell erzeugt, bei dem die gefundenen Quellen an den ermittelten Koordinaten positioniert und mit den durch eine Optimierungsmethode gefundenen Richtungsparametern versehen werden. Diesen Quellen wird der bei der Kartierung gefundene Schalldruckverlauf zugeordnet. Ein weiteres Teilziel war die Schätzung des Schalldrucks an vorgegebenen Positionen im Raum. Dabei waren auch neue Modellansätze zu erproben, mit denen weitgehend unabhängig von den Mikrofonpositionen innerhalb des Arrays zuverlässige Prognosen von Schalldruckwerten um beliebige Quellpositionen herum, aber nun unter Berücksichtigung von messtechnisch erfasster beziehungsweise modellseitig vorgegebener Richtcharakteristik erlaubt werden.

Vorteile und Lösungen

Mit den Ergebnissen des Projekts wird insbesondere all jenen Anwendern, die eine Schallreduzierung an bestimmten, zum Beispiel durch Vorschriften vorgegebenen Orten, erreichen wollen beziehungsweise müssen, ein effektives Prognosewerkzeug an die Hand gegeben.
Im Rahmen des Projekts konnten Methoden, mathematische Modelle und Algorithmen entwickelt werden, die es ermöglichen, Prognosen zu erstellen, welche Abstrahlparameter verändert werden müssen, um ein bestimmtes Resultat bei der Lärmreduzierung am effektivsten zu erreichen. Diese Prognoseverfahren im Rahmen eines akustischen Manipulators führen zu neuen Einsatzmöglichkeiten und somit zu einer deutlich größeren Praxisrelevanz von hochkanaligen Array-Mess-Systemen und Beamforming-Methoden.

Zielgruppe und Zielmarkt

Zielmärkte für die neuen algorithmischen Verfahren zur Modellierung und Manipulation gerichteter Schallquellen liegen in allen traditionellen Gebieten akustischer Kartierungs- und NVH-Techniken (akustische Kameras in Kombination mit Schwingungssensoren, insbesondere hochkanalige Prüfstände und Prüfstandsausrüster im Akustikbereich). Grundsätzlich gibt es Anwendungen in all den Bereichen, in denen Anlagen, Maschinen und Geräte hinsichtlich Lärmreduzierung, Sounddesign und Fehlererkennung zu optimieren sind. Als Beispiele für Zielmärkte und Anwendungsfelder sind zu nennen: akustische 3D-Kartierungen mit hochkanaligen Mikrofon-Arrays, die ein Testobjekt von außen einhausen (in allen Qualitäts- und Leistungsklassen von LowCost bis hin zu High-End-Systemen), Akustik-Prüfstände für Entwicklung sowie für akustische Qualitätsüberwachung, klassischer Automobilsektor und Zulieferindustrie, gesamter Bereich der Motor- und Fahrzeugakustik, Qualitätssicherung und Fehlerprüfung von Maschinen (Verbrennungsmotore, Antriebsstränge, Getriebe, Motor-Getriebe-Einheiten etc.), akustische Prüfung und Optimierung moderner Elektro- und Hybridantriebe, akustische Bewertung von Konzepten und Systemen der Elektromobilität, Produktoptimierung und Lärmreduktion (Hersteller von Haushaltsgeräten, Werkzeugen, Pumpen, Lüftern, Elektrogeräten u. v. anderen lärmerzeugenden technischen Objekten), Optimierung von Transferpfadanalysen im Fahrzeugbereich und im allgemeinen Maschinen- und Anlagenbau, Einsatz im High-End-Bereich (aeroakustische Windkanäle) mit hochkanaligen Mehrarray-Systemen, Anwendungen im Luft-Ultraschallbereich zur Untersuchung stark gerichtet abstrahlender hochfrequenter Schallquellen (zum Beispiel Leckagedetektion). Gerade für die Erfüllung von Vorschriften und Normen fehlen Anwendern heutzutage oft noch geeignete Mittel, um die Ursachen zu hoher Pegelwerte insbesondere im Fall gerichtet abstrahlender Quellen zu ermitteln und um überhaupt geeignete Lärmreduzierungsmaßnahmen daraus ableiten zu können. Hier kann die mit dem Projekt „AkuMan“ geschaffene Innovation künftig auch neue Marktsegmente erschließen.