Ziel der Entwicklung
Zielstellung des Forschungsvorhabens MeKariS war die Entwicklung und Anwendung neuer Verfahren und Algorithmen für die Verbesserung der absoluten und relativen Pegelgenauigkeit in der zwei- und dreidimensionalen Kartierung von Schallquellen, die eine ausgeprägte Richtungscharakteristik besitzen. Alle bisherigen klassischen Beamformingverfahren (im Zeit- und Frequenzbereich), aber auch alle Weiterentwicklungen (Verbesserungen) dieser Verfahren durch Entfaltung, wie zum Beispiel DAMAS, Clean SC, Functional Beamforming oder orthogonales Beamforming liefern pegelgenaue Resultate für punktartige, kugelförmige Schallquellen (Monopole) ohne bevorzugte Abstrahlrichtung. Um das Ziel des Vorhabens zu erreichen, sollte entweder im Rahmen einer Entfaltung oder im Rahmen eines inversen Verfahrens ein Modell erzeugt werden, das es erlaubt, Schallquellen mit unterschiedlicher, nicht kugelförmiger Strahlercharakteristik orts- und pegelgenau zu kartieren. Dazu gehört, dass dieses Modell die Parametrisierung solcher Eigenschaften wie Position, Schalldruck, Vorzugsabstrahlrichtung, Öffnungswinkel der Vorzugsrichtung (Breite der Abstrahlung) und Frequenzabhängigkeit ermöglicht. Sowohl bei der Nutzung der Entfaltung als auch bei inversen Verfahren werden eine Vielzahl von Iterationen durchzuführen seien, um von einer Startverteilung mit festgelegten Parametern für die Strahler durch sukzessive Änderung der Parameter zu einem Ergebnis zu gelangen, das die richtige Quellverteilung liefert. Es sollte also eine Methode inklusive Modellansatz entwickelt werden, die schnell zu einem stabilen Resultat konvergiert. Um in der Praxis erfolgreich eingesetzt zu werden, darf die Zahl der Iterationen nicht zu hoch und die jeweilige Berechnungszeit nicht groß sein. Insgesamt soll erreicht werden, dass für geringe Auflösungen die Methode in Echtzeit Kartierungen liefert.
Die für die Entwicklung der Methode und des Strahlermodells benötigten Daten können nur für sehr einfache Messszenen (beispielsweise ein einfacher Dipol) durch echte Messungen erzeugt werden. Deshalb war es dringend erforderlich, im Rahmen des Projektes einen Simulator zu entwickeln. Dieser Simulator muss in der Lage sein, verschiedene Quellverteilungen mit unterschiedlicher Strahlercharakteristik für jeden Strahler zu erzeugen. Außerdem soll es möglich sein, verschiedene Array-Konfigurationen mit beliebiger Mikrofonanzahl zu erstellen. Beide Komponenten zusammen ermöglichen dann die Erzeugung von simulierten Testdaten für beliebige, bekannte Schallquellverteilungen. Neben der Berücksichtigung der Richtungsabhängigkeit von Schallquellen trägt das zu entwickelnde Verfahren auch dazu bei, die Anzahl von Mikrofonen in praxisrelevanten Arrays zu verringern, ohne die Kartierungsdynamik zu verschlechtern. Gerade dafür wird der Simulator eine wichtige Rolle spielen, da er den Vergleich verschiedener Arrays bei gleichbleibender Messszene ermöglicht. Somit wird es auch möglich, den Preis für professionelle Beamformingsysteme weiter zu senken und neue Einsatzmöglichkeiten zu erschließen.
Vorteile und Lösungen
Im Rahmen des Projektes wurde entschieden, ein Verfahren der konjugierten Gradienten zu entwickeln und einzusetzen. Im Weiteren wird dieses Vorgehen als SEM (Spectral Estimation Method) bezeichnet. Durch eine geeignete Modellveränderung wurde eine entscheidende Komplexitätsverringerung erzielt. Außerdem wurde entschieden, das Verfahren der konjugierten Gradienten durch eine leistungsfähigere Optimierungsmethode zu ersetzen.
Im Rahmen der grundlegenden Systemkonzeption wurden die zu implementierenden Module und die erforderlichen Kommunikationsschnittstellen für den Informations- und Datenaustausch zwischen den Modulen erstellt. Weiterhin erfolgten Arbeiten zur Beschreibung von Daten-Import- und Export-Funktionen, Interfaces und Strukturen. Da die Lösung letztendlich im Rahmen einer schon existierenden Software erfolgte, wurden entsprechende PlugIn-Schnittstellen entwickelt. Schon in dieser Phase wurde die Möglichkeit der Parallelisierung von Abläufen (insbesondere im Hinblick auf die Iterationen), Multithread-Einbindung sowie der Einsatz von optimierten Funktionsbibliotheken vorgesehen. Bei der Implentierung der ausgewählten Optimierungsmethode wurde die für die Realisierung der Least-Square-Lösung benötigte Minimierungsmethode entwickelt. Umgesetzt wurde das in der Praxis bewährte BFGS (Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno-Verfahren) für nichtlineare Optimierungsprobleme. Für die Entwicklung des benötigten Abstrahlmodels wurde auf die Lösung von Funktion zurückgegriffen. Die im Projekt angestrebte adäquate Erfassung der Frequenzabhängigkeit der Strahlercharakteristik erfolgt durch die Verwendung der in der Optimierungsmethode verwendeten Kreuzspektralmatrizen.
Damit konnte die GUI auf die Einblendung von Informationen zur Richtungsabhängigkeit sowie auf deren grafische Darstellung reduziert werden. Die Bilder zeigt drei Beispiele dafür, wie die Richtungsabhängigkeit in einer Pseudo-3D-Oberfläche eingeblendet werden kann. Damit konnte die GUI auf die Einblendung von Informationen zur Richtungsabhängigkeit sowie auf deren grafische Darstellung reduziert werden. Gezeigt wird auch die Abstrahlrichtung bei Abrollen von Reifen bei einem Fahrzeug auf der Basis einer Beamformingmessung unter Einsatz des im Projekt entwickelten Auswerteverfahrens.
Zielgruppe und Zielmarkt
Auf allen einschlägigen akustischen Tagungen, Kongressen und Konferenzen haben Vorträge beziehungsweise ganze Sessions zum Thema Phased Arrays/Beamforming ihren festen Platz gefunden. Von vielen Ausstellern auf den entsprechenden begleitendenden Ausstellungen werden eigene Entwicklungen verschiedener Marktreife in dieser Richtung vorgestellt. Weltweit könnte der Markt in den nächsten Jahren durchaus noch einige hundert der bisherigen, eher hochpreisigen akustischen Kartierungssysteme aufnehmen. Von besonder Bedeutung ist hierbei die zuverlässigege ortsgetreue Kartierung und die genaue Messung der entsprechenden Schalldruckpegel. Hinzu kommen weitere Strahlungsparameter wie Intensität, Abstrahlrichtung, Öffnungswinkel und Ähnliches. Die Realisierung einer zuverlässig funktionierenden, automatischen auf akustischen Hochkanalmessungen basierenden Qualitätssicherung wird zu einem sprunghaften Anwachsen des Einsatzes von Beamforming-Systemen und damit zu einer deutlichen Expansion des Marktes führen. Es ist daher davon auszugehen, dass die Mitbewerber dann auch entsprechende Lösungen anstreben werden. Insofern wäre eine Monopolstellung nur sehr kurzzeitig, zirka zwei bis drei Jahre zu halten. Andererseits ist aber der Markt für solche Systeme auch enorm groß, weshalb auch nur wenige Prozente des nationalen und internationalen Marktes zu ausgesprochen großen Umsatzzahlen führen werden. Da die Lösung einen hohen Neuheitsgrad besitzt, ist nicht davon auszugehen, dass diese Technologie innerhalb der nächsten Jahre eine Sättigung erreichen wird. Der weltweite Markt für akustische Kartierungen ist in seinem Potenzial bisher kaum erschlossen. Es gibt immer noch sehr viele, gerade auch kleinere und mittlere Firmen, die überhaupt keine Kenntnis von der Existenz derartiger Systeme haben, obwohl sie es zur Lösung akustischer Probleme gut gebrauchen könnten. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die verschiedenen Anstrengungen zur Verbesserung der Robustheit und Einsetzbarkeit unter industriellen Bedingungen wie Windkanalen, Testbanches, bei Industrieanlagen, Prüfständen und Automatisierungslösungen, welche auch mit dem vorliegenden Projekt weiter vorangetrieben werden sollen, eine weitere Marktvergrößerung zur Folge haben werden. Zum Auslandsmarkt, insbesondere zum asiatischen Raum, ist zu sagen, dass es hier bei Vorliegen eines deutlich preiswerteren Systems auch in denjenigen Märkten vermehrt absetzbare Systemzahlen geben wird, welche in Deutschland traditionell eher vollwertige Laborsysteme aufnehmen können. Das sind insbesondere die Automobilindustrie und der Maschinenbau in Ländern wie China und Indien oder Korea, welche ebenfalls nach effektiven Lösungen verlangen. Diese Wachstumsmärkte haben noch lange nicht ihr Potenzial voll entfaltet. Wie sich diese Märkte quantitativ weiter entwickeln werden, kann derzeit kaum real eingeschätzt werden, es sind jedoch bei den reinen Verkaufszahlen von Komplettsystemen international höhere Absätze erreichbar als nur in Deutschland. Der von uns angestrebte Marktanteil ist bezüglich Inland und Ausland zu differenzieren. In Deutschland haben wir mit der bisherigen Version der Akustischen Kamera einen geschätzten Marktanteil von zirka 70 bis 80 Prozent. International ist das sehr unterschiedlich, im Mittel aber etwa um die 40 bis 50 Prozent. Hauptursache für diesen geringeren Marktanteil im Ausland ist nicht etwa eine fehlende technische Qualität unseres Produktes, sondern vielmehr das sehr stark ausgebaute internationale Vertriebsnetz unserer Mitbewerber. Durch die Verwertung der Ergebnisse des geplanten Vorhabens wird von uns eine Stabilisierung des deutschen Marktanteils in angegebener Höhe und ein Ausbau des internationalen Marktanteils auf mindestens 60 Prozent an traditionellen Beamformingsystemen angestrebt. Ein Marktanteil von 25 Prozent auf der Seite des Produktionseinsatzes national und zehn Prozent international können als erstrebenswerter, überragender Erfolg bewertet werden.
