Ziel der Entwicklung

In der Industrie aber auch im privaten Sektor werden geräuschoptimierte beziehungsweise leise Geräte durch den Anwender bevorzugt. Laute Geräusche eines Gerätes werden nicht nur als störend wahrgenommen, sondern lassen bei auffälligen Geräuschen durchaus auch eine Fehlfunktion oder gar einen drohenden Ausfall befürchten. Besonders bei Geräten, die in der Nähe des menschlichen Ohres verwendet werden, zum Beispiel Fön, Rasierer, elektrische Werkzeuge, Maschinen für den Garten, wird die Geräuschwahrnehmung nochmals verstärkt. Da zu viel Lärm die Gesundheit des Menschen negativ beeinflusst, sieht der Gesetzgeber immer strengere Auflagen für den Betrieb vor. Zum Schutz vor Lärm bei mobilen Geräten und Maschinen existiert die Geräte- und Maschinenlärmschutzverordnung. In dieser Regelung wird festgelegt, dass jedes Gerät eine Kennzeichnung erhält, in der maximaler Schalldruckpegel des Gerätes und die möglichen Einsatzorte des Gerätes dokumentiert werden. Ein Hinweis auf die Erfüllung dieser Kriterien für das jeweilige Anwendungsgebiet wird durch das CE-Zeichen sichtbar. Zudem ist ein niedriger Geräuschpegel ein immer wesentlicher werdendes Verkaufsargument. Besonders bei Staubsaugern, Waschmaschinen und anderen elektronischen Haushalts- und Gartengeräten ist die Betrachtung des Geräuschpegels durch den Anwender ein wesentlicher Kaufgrund. Aufgrund dieser Regelungen muss innerhalb der Produktion auch auf die Einhaltung dieser Geräuschpegel geachtet werden. - Es werden stichprobenartige Geräuschpegelmessungen durch die Qualitätssicherung im Rahmen der Produktion vorgenommen. Akustische Geräusch- und Funktionsprüfung mittels akustischer Mustererkennung hat zum Ziel, einen Prüfling anhand seines Eigengeräusches oder auch nach Fremderregung einer Qualitätsklasse zum Beispiel iO, niO, zuzuweisen. Die Geräuschprüfung wird aktuell innerhalb der industriellen Serienfertigung im Bereich der Produktion von elektronischen Haushalts- und Gartengeräten mittels einer subjektiven menschlichen Qualitätssicherung durchgeführt. Hierbei werden einzelne Prüflinge mit dem menschlichen Ohr oder mittels eines mobilen Schalldruckpegelmessers einer Geräuschprüfung unterzogen. Dafür werden vereinzelte Stichproben aus der Serienfertigung ausgewählt und separat einer Geräuschprüfung unterzogen. Der Vergleich zwischen dem Prüfling und einem physisch vorliegenden Gut-Referenzklangmuster stellt die Grundlage der Geräuschprüfung dar. Eine weitere Aufgabenstellung der Geräuschprüfung sind Reklamationen durch den Kunden oder Instandhaltungsaufgaben. In diesem Bereich wäre ein Vergleich zwischen dem aktuellen Geräusch und dem Geräusch im Neuzustand relevant, um eine eventuelle Fehlbedienung oder den Grad der Alterung des Gerätes festzustellen. Dafür wäre eine standardisierte Messvorrichtung wesentlich, die die gleichen Messbedingungen innerhalb der stationären Inline-Prüfung aber auch mobil beim Kunden bereitstellt. Diese Messvorrichtung müsste so konstruiert sein, dass eine reproduzierbare Schallsignatur eines Prüflings aufgenommen werden kann. Zur Geräuschprüfung wird aktuell in nahezu allen geltenden Vorschriften und Regelungen im Bereich der Akustik, der mittels der A-Bewertung gewichtete Schalldruckpegel verwendet. Obwohl dieser die Physiologie des menschlichen Ohres nicht im Ganzen betrachtet. Daher führt die ausschließliche Berücksichtigung des Schalldruckpegels in vielen Fällen zu Fehlklassifikationen, bei denen Prüflinge mit ähnlichen Schalldruckpegeln unterschiedliche Klänge beziehungsweise Lautstärken für das menschliche Ohr aufweisen. Durch Umgebungsgeräusche wird die akustische Mustererkennung in vielen industriellen Anwendungen negativ beeinflusst. Grundlage für die Erkennung der Muster ist die Aufnahme von Luftschallmessungen. Durch moderne Signalverarbeitung werden dann die zu erkennenden Muster aus Rauschen und Hintergrundgeräuschen extrahiert. Hierfür werden Frequenzfilter eingesetzt. In vielen Anwendungen der akustischen Mustererkennung führen Umgebungsgeräusche zur Veränderung der akustischen Signatur ohne dass sich das Prüfobjekt verändert hat, da die Merkmale der Umgebungsgeräusche die wesentlichen akustischen Merkmale des Prüfobjekts überlagern. Somit kann es durch veränderliche Umgebungsgeräusche zu Fehlklassifikationen kommen. Aus diesem Grund sollten akustische Qualitätsprüfungen in Umgebungen mit möglichst geringen Umgebungsgeräuschen durchgeführt werden. Ein weiterer wesentlicher Punkt ist die Berücksichtigung der Temperatur in der Prüfkammer. Es ist allgemein bekannt, dass sich akustische Eigenschaften von Strukturen durch Temperaturunterschiede verändern. Da diese temperaturabhängigen akustischen Unterschiede zu Fehlklassifikationen führen können, muss die Temperatur bei der Klassifikation beachtet werden.

Vorteile und Lösungen

Der erste Entwicklungsschritt war die Konstruktion eines Prüfstands mit dem sich reproduzierbare Schallsignaturen von Prüflingen unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur aufnehmen lassen. Als Grundlage für den Prüfstand dient eine Transportbox aus Aluminium. In diese Box wurde ein Rahmen aus Aluminiumprofilen integriert. Mit den Profilen lassen sich individuelle Anpassungen an die Prüfsituation hinsichtlich der Anbringung von verschiedenen Komponenten (Mikrofon, Prüfling, Halterung) umsetzen. Um die Temperatur in der Prüfkammer zu regulieren, wurden eine Heizung und ein Heizungssteuerelement in die Prüfkammer integriert. Weitere Komponenten, die in die Box integriert wurden waren ein Mikrofon, ein Temperaturfühler, eine Laborklemme für die Befestigung von Prüfobjekten und Anschlussmöglichkeiten für die Stromversorgung im Innenraum (USB, Schuko-Steckdose). Anschließend wurde die Prüfkammer hinsichtlich ihrer akustischen Eigenschaften untersucht, da diese als Hallraum konzipiert wurde. Hierfür wurden die Nachhallzeit, die äquivalente Absorptionsfläche und der Hallradius bestimmt und mehrere zeitliche und örtliche Messwiederholungen mit einem Prüfobjekt durchgeführt. Der nächste Entwicklungsschritt bestand in der Analyse von Eigengeräuschen verschiedener Geräte (Barttrimmer, Fön, Stabmixer) im iO- und niO-Zustand mittels psychoakustischer Merkmale und unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur. Hierfür wurden die psychoakustischen Merkmale Lautheit, Rauigkeit, Schärfe und Tonalität implementiert und validiert. Basierend auf den Untersuchungen konnte ein Verfahren zur Trennung von iO- und niO-Zuständen, mit Hilfe von Algorithmen aus dem Bereich der Signalverarbeitung und des maschinellen Lernens, entwickelt werden. Aus den gewonnen Erkenntnissen und entwickelten Verfahren zur Klassifikation wurde eine grafische Benutzeroberfläche entwickelt mit der sich Schallsignaturen aufnehmen und in einer Datenbank abspeichern lassen. Mit dem implementierten Verfahren zur Trennung von iO- und niO-Zuständen kann eine Klassifikation von Prüfobjekten durchgeführt werden. Für die Zuordnung von einer Schallsignatur in der Datenbank zu einer durchgeführten Messung wurde eine Schnittstelle zur Bowerbird-Bibliothek (Farbbarcode) implementiert. Mit dieser lassen sich definierte Farbbarcodes von Prüfobjekten generieren, um diese eindeutig identifizieren zu können. Damit ist eine spätere Klassifikation nach erneutem Aufnehmen einer Schallsignatur und Berechnung der psychoakustischen Merkmale möglich. Die generierten Barcodes lassen sich durch Austausch der Codiermaske an das jeweilige Prüfobjekt anpassen und lassen sich mit einer Applikation für Mobiltelefone und Tablets auslesen.

Zielgruppe und Zielmarkt

Das im Rahmen des Vorhabens zu entwickelnde Gesamtsystem bestehend aus Hardware- und Software-Komponenten zur schnellen, einfachen und kosteneffizienten Geräuschs- und Funktionsprüfung sind auf den kommerziellen Einsatz in Firmen und Einrichtungen (national und international) ausgerichtet, die sich mit akustischer Qualitätssicherung befassen. Es wird davon ausgegangen, dass für das Gesamtsystem oder Einzelkomponenten davon, insbesondere bei kleinen und mittleren Unternehmen, ein sehr attraktives Einsatzsegment erschlossen werden kann. In der Industrie aber auch im privaten Sektor werden geräuschoptimierte bzw. leise Geräte durch den Anwender bevorzugt. Laute Geräusche eines Gerätes werden nicht nur als störend wahrgenommen, sondern lassen bei auffälligen Geräuschen durchaus auch eine Fehlfunktion oder gar einen drohenden Ausfall befürchten. Besonders bei Geräten, die in der Nähe des menschlichen Ohres verwendet werden, zum Beispiel Fön, Rasierer, elektrische Werkzeuge, Maschinen für den Garten, wird die Geräuschwahrnehmung nochmals verstärkt. Daher wird vor allem im Bereich der Gerätehersteller ein großes Anwendungsgebiet gesehen. Die Anzahl der potentiellen Anwender ist aufgrund dieser vielfältigen Hersteller nicht zu ermitteln. Die angenommene und zu erwartende große Anzahl potentieller Lizenznehmer ermöglicht aufgrund der Kostenumverteilung den Ansatz relativ niedriger Lizenzgebühren, da die Vervielfältigung des Komplettsystems dann nur sehr geringen Aufwand erfordert und durch größere Stückzahlen auch Einsparungen in der Produktion der Hardware möglich sind. Es gibt gegenwärtig noch kein vergleichbares automatisches Prüfsystem zur stationären und mobilen Geräuschs- und Funktionsprüfung mit psychoakustischen Merkmalen und der Berücksichtigung der Umgebungstemperatur zur Klassifikation. Durch den diesbezüglichen Pionierstatus der Anwendung erscheint ein erfolgreicher Markteintritt sehr realistisch