Ziel der Entwicklung

Ziel dieses Projektes war die Entwicklung und Anwendung eines neuartigen, leichten und preiswerten MEMS-Mikrofon-Array-Systems mit integriertem 3D-Scanner und 2D-HD-Kamera. Für dieses integrierte Array-System waren im Vorhaben speziell angepasste Auswertemethoden und neue Algorithmen zur Multi-Sensor-Fusion akustischer und optischer Daten und zum handgeführten 3D-Scanning zu entwickeln. Die spezifische technologische Innovation der hier entwickelten Lösung besteht darin, dass hier weltweit erstmalig ein mobiles Komplettsystem realisiert werden konnte, das die Komponenten MEMS-Mikrofonarray, digitaler Datenrekorder, autarke Stromversorgung, 3D-Scanner und mobile Auswerteeinheit in einem einzigen, leichten und damit handführbaren Gerät zur mobilen 3D-Schallquellenortung vereint.

Vorteile und Lösungen

Das neue Mobilsystem ermöglicht es dem Anwender, innerhalb weniger Minuten ein 3D-Modell seines Messobjektes handgeführt einzuscannen und unmittelbar anschließend akustische 3D-Kartierungen auf dieses soeben erfasste Modell durchzuführen. Die im Projekt MultiFu3D geschaffene Lösung bietet gegenüber existierenden mobilen 2D-Systemen einen erheblichen Mehrwert. In der Praxis liegen bei vielen Anwendern gar keine 3D-Modelle für ihre akustisch zu vermessenden Objekte vor, diese Modelle können oft nur schwer oder gar nicht beschafft werden. Akustische 3D-Kartierungen sind immer dann notwendig, wenn es darum geht, technische Objekte mit deutlich tiefenstrukturierter Oberfläche wie zum Beispiel Motoren, Getriebe, kleinere Aggregate und Maschinen zu erfassen und Aussagen über das richtungsabhängige Abstrahlverhalten einzelner Teilschallquellen beziehungsweise Fehleranalysen aus diesen Arraymessungen abzuleiten. Ein großer Vorteil aus Nutzersicht besteht darin, dass nun keine separaten und kompliziert zu bedienenden Einzelsysteme für die Schritte bis zu einer vollständigen akustischen 3D-Kartierung mehr erforderlich sind. Früher musste ein teurer, separater 3D-Handscanner mit eigener Software-Umgebung zum Erstellen eines 3D-Modelles benutzt werden. Anschließend war dieses 3D-Modell in ein von der Software der Akustischen Kamera lesbares Format zu konvertieren und dort aufwändig in Relation zum Array zu positionieren. Eine zusammenhängende Verrechnung vieler Einzelmessungen war auf diesem Wege gar nicht möglich. Die hier geschaffene integrierte Lösung vereint dagegen 3D-Scanner und mobiles Array in einem einzigen, konsistent bedienbaren und völlig frei handführbaren Gerät. Der Messablauf gestaltet sich zweistufig. In einem ersten Schritt umfährt der Anwender das Messobjekt zur stufenweisen Erfassung des 3D-Modelles. Sind genügend Details des Objektes im 3D-Modell erfasst, wird in einem zweiten Schritt die akustische Arraymessung bei fortgesetzter freihändiger Bewegung gestartet. Die relative Position zwischen Array und Modell wird dabei weiterhin automatisch verfolgt und auch zur weiteren geometrischen Verfeinerung des 3D-Modelles mit genutzt. Ist auch die akustische Messung abgeschlossen, werden nachfolgend die akustischen Einzelmessungen entlang der aufgenommenen Array-Trajektorie miteinander verrechnet und auf dem 3D-Modell als Farbkarte visualisiert. Eine weitere, aus Anwendersicht wichtige Eigenschaft besteht in einer hohen Robustheit bei der Bestimmung der Arraytrajektorien sowie einer schnellen Wiederaufnahme abgebrochener 3D-Scanvorgänge wie Wiederfinden der relativen Array-Objekt-Position. Selbstverständlich sind mit dem realisierten Array auch weiterhin klassische akustische 2D-Kartierungen auf einzelne Tiefenbilder des integrierten 3D-Sensors beziehungsweise auf Bilder der integrierten 2D-HD-Kamera möglich.

Zielgruppe und Zielmarkt

Mit der erfolgreichen Realisierung der technischen Zielsetzungen des hier vorgestellten Projektes können viele wichtige und teilweise auch neue Anwendungsfelder für den Einsatz Akustischer Kameras zur 3D-Kartierung am Markt erschlossen werden. Zielgruppe sind alle Anwender akustischer Kartierungstechniken mit Mikrofon-Arrays, die bislang überwiegend mit 2D-Systemen arbeiten. Neben dem wichtigen Automobil- und Zulieferbereich zum Beispiel Störgeräusche in Kfz-Innenräumen und 3D-Kartierungen an Motoraggregaten, sind Zielmärkte im gesamten Bereich des Maschinenbaus zu sehen, so beispielsweise bei Herstellern von Pumpen, Getrieben, Elektromotoren, Haushaltsgeräten und Werkzeugen bis hin zur 3D-Vermessung von kleineren Produktionsanlagen und Fertigungseinrichtungen. Die Vorhabensresultate eröffnen nun die Möglichkeit, technische Objekte mit relativ komplexer Tiefenstrukturierung, für die vor Ort bei den allermeisten Industrie-Anwendern kein fertiges 3D-CAD-Modell vorliegt, schnell eigenständig zu erfassen und akustisch 3D-kartieren zu können. Es werden neue Möglichkeiten für die Kartierung der akustischen Eigenschaften von Schallquellen aller Art innerhalb von komplexen 3D-Umgebungen eröffnet. Mit dem neuen 3D-Array-System wird erstmals auch eine schnelle und unkomplizierte Beurteilung der Abstrahlcharakteristik von Schallquellen aus verschiedenen Richtungen möglich, für deren Ermittlung ansonsten eine Vielzahl von Einzelmessungen erforderlich wäre. Somit kann mit dem neuen Mobilsystem auch kostbare Einrichtungs- und Messzeit beim Kunden gespart werden. Diese Verkürzung des Zeitaufwands bei gleichzeitig erhöhter Qualität der Auswertungen wird dabei ein wichtiges Verkaufsargument darstellen.