Akustische Kameras: der Guide für Einsteiger
09.06.2023
In diesem Blogartikel geben wir Ihnen einen Einblick in die Funktionsweise und Anwendungsbereiche einer akustischen Kamera. Erfahren Sie auch, wie die Akustische Kamera zur Optimierung von Maschinen und Anlagen beiträgt und welche Rolle sie im Umwelt- und Lärmschutz spielt.
Das Thema Lärmschutz bzw. Lärmreduktion gewinnt in der heutigen Zeit immer mehr an Bedeutung. Gesetzliche Anforderungen für Lärmemissionen werden strenger und sowohl Unternehmen als auch Verbraucher reagieren zunehmend sensibler auf Störgeräusche bei Produkten und Prozessen. Angesichts dieser Tatsache entdecken viele Unternehmen eine neue, spannende Technologie für sich – akustische Kameras.
Was ist eine akustische Kamera?
Eine akustische Kamera, manchmal auch Akustikkamera oder Schallkamera genannt, ist ein aus mehreren Mikrofonen bestehendes Messsystem zur Analyse von Schall.
Es wird eingesetzt, um Schallquellen zu orten und deren Frequenzinhalt sowie Schalldruckpegel zu bewerten. Im Gegensatz zu einem Schalldruckpegelmesser erlaubt die akustische Kamera eine visuelle Darstellung und Zuordnung des Schalls, ähnlich einer Wärmebildkamera.
Wann benötigt man
eine akustische Kamera?
Störgeräusche und andere akustische Auffälligkeiten können zwar deutlich hörbar sein – die genaue Ortung stellt Betroffene allerdings häufig vor Herausforderungen.
Mit bloßem Gehör lassen sich nur selten Erfolge erzielen und einfache Messungen des Schalldruckpegels liefern in komplexen Situationen nicht genug Informationen, um die Ursache eines Akustikproblems identifizieren zu können.
In solchen Fällen führt der Einsatz einer akustischen Kamera schnell zu verwertbaren Ergebnissen. Die visuelle Darstellung beschleunigt die Ursachenforschung und verschafft dem Anwender so genug Zeit und Informationen, um an einer zielgerichteten Lösung arbeiten zu können.
Neben Anwendern in Wartung und Instandhaltung profitieren vor allem Ingenieure in der Produktentwicklung von diesen Vorteilen.
Wodurch wird die Qualität einer akustischen Kamera festgelegt?
liegenden Quellen unterschiedlicher Laustärke und Frequenzinhalte
Die Bildqualität einer akustischen Kamera ist durch zwei Parameter wesentlich bestimmt, nämlich die Größe der Messfläche und die Anzahl bzw. Anordnung der darauf verteilten Mikrofone.
Folgende Zusammenhänge sind zu beachten:
- Je größer der Durchmesser der Messfläche, desto höher ist die örtliche Auflösung und desto besser können nahe zueinander liegende Schallquellen separiert werden.
- Die Größe der Messfläche bestimmt aber auch die tiefste Frequenz, bei der Schallquellen lokalisiert werden können.
- Je höher die Mikrofonanzahl, desto größer ist der im akustischen Bild darstellbare Unterschied zwischen lauten und leisen Schallquellen (Dynamikumfang).
Viele Anwendungen aus unterschiedlichen Branchen verlangen die Lokalisierung von komplexen Schallquellverteilungen mit unterschiedlichem Lautstärkeniveau und mit dominanten Frequenzinhalt unterhalb von 1kHz.
Typische Beispiele sind die Lokalisierung von Schallbrücken in Gebäuden oder Schallquellen an Motor-/Getriebeeinheiten.
Somit ist die Verwendung von großen Messflächen mit hoher Mikrofondichte für viele Anwendungen ein Muss.
Die Anwendungsgebiete im Überblick
Die Akustische Kamera ist ein vielseitiges Instrument, das in verschiedenen Branchen eingesetzt wird. In diesem Artikel werden einige Anwendungsbeispiele für die Akustische Kamera vorgestellt.
1. Industrie und Maschinenbau
Die Akustische Kamera wird in der Industrie und im Maschinenbau eingesetzt, um Maschinen und Anlagen zu optimieren.
Durch die Lokalisierung der Schallquellen kann die Geräuschentwicklung reduziert werden. Dadurch wird nicht nur die Arbeitssicherheit verbessert, sondern auch der Komfort der Mitarbeiter erhöht.
Ein weiterer Vorteil der Akustischen Kamera in der Industrie ist die Möglichkeit, die Qualität der Produkte zu verbessern. Durch die Analyse von Schallwellen können Fehler in der Produktion erkannt und behoben werden.
2. Fahrzeugtechnik und Automotive
In der Fahrzeugtechnik ist die Akustische Kamera ein nützliches Instrument, um die Aerodynamik zu verbessern und Fahrgeräusche zu reduzieren.
Durch die Analyse von Schallwellen können Schwachstellen im Design erkannt und behoben werden. Auch bei der Entwicklung von Flugzeugen wird sie eingesetzt, um die Schallintensität des Triebwerks zu reduzieren.
Ein weiterer Anwendungsbereich der Akustischen Kamera im Verkehrswesen ist die Überwachung von Verkehrslärm. Durch die Identifizierung von Lärmschwerpunkten können Lärmschutzmaßnahmen geplant und umgesetzt werden.
3. Bauakustik und Raumakustik
Die Akustische Kamera wird im Bauwesen eingesetzt, um die Schallintensität und Schallausbreitung in Gebäuden zu visualisieren.
Dadurch können Schwachstellen erkannt und beseitigt werden. Auch in der Raumakustik wird sie eingesetzt, um die Akustik von Konzertsälen und anderen Veranstaltungsräumen zu verbessern.
Ein weiterer Anwendungsbereich der Akustischen Kamera im Bauwesen ist die Überwachung von Baustellenlärm. Durch die Identifizierung von Lärmschwerpunkten können Lärmschutzmaßnahmen geplant und umgesetzt werden.
4. Umgebungslärm und Lärmschutz
Die Akustische Kamera ist ein wichtiges Instrument im Umwelt- und Lärmschutz. Sie hilft bei der Identifizierung von Lärmschwerpunkten und der Planung von Lärmschutzmaßnahmen. Außerdem kann sie dabei helfen, die Einhaltung von Lärmgrenzwerten zu überprüfen.
Ein weiterer Anwendungsbereich der Akustischen Kamera im Umweltschutz ist die Überwachung von Tierpopulationen. Durch die Analyse von Schallwellen können Tierarten identifiziert und ihr Verhalten beobachtet werden.
Insgesamt ist die Akustische Kamera ein vielseitiges Instrument, das in verschiedenen Branchen eingesetzt wird. Sie trägt dazu bei, die Arbeitssicherheit zu erhöhen, die Produktqualität zu verbessern und den Umweltschutz zu fördern.
Die technische Funktionsweise
Die Funktionsweise einer akustischen Kamera lässt sich am besten anhand der uns vertrauten menschlichen Sensorik erklären. Mit unseren zwei Ohren sind wir in der Lage, die Richtung einer Schallquelle einschätzen zu können.
Ein Schallereignis, wie zum Beispiel ein sich von rechts annäherndes Fahrzeug, erzeugt eine Schallwelle, die von den beiden Ohren zu leicht unterschiedlichen Zeitpunkten wahrgenommen wird.
Bereits kleinste zeitliche Unterschiede von weit weniger als einer Tausendstelsekunde sind für die Verarbeitung im Gehirn ausreichend, um erfolgreich die Richtung eines Einzelschallereignisses zuzuordnen.
Akustische Kameras machen sich genau dieses Messprinzip zunutze und ermöglichen durch enormen technischen Einsatz eine dem Menschen weit überlegene Ortungsgenauigkeit von komplexen Schallereignissen mit mehreren Quellen unterschiedlicher Lautstärke und Frequenzanteile.
Die beiden Ohren werden hierbei durch ein sogenanntes Mikrofon Array ersetzt – hunderte Mikrofone, die auf einer Fläche von bis zu mehreren Quadratmetern verteilt sind. Pro Sekunde werden so bis zu 200 Megabyte an Audiodaten verarbeitet und farblich codiert mit einem optischen Bild der Messszene überlagert.
Beamforming-Techniken
Beamforming-Techniken werden bei herkömmlichen Akustischen Kameras eingesetzt, um die Richtcharakteristik des Mikrofonarrays gezielt zu steuern.
Das bedeutet, dass das Mikrofonarray auf bestimmte Schallquellen ausgerichtet werden kann, um ihre Schallintensität zu messen und zu lokalisieren. Dabei wird die Phasenlage der Signale angepasst, um die Schallwellen zu verstärken oder zu schwächen.
Beamforming-Techniken können auch genutzt werden, um Störgeräusche zu unterdrücken und die Qualität der Messungen zu verbessern. Durch die gezielte Ausrichtung des Mikrofonarrays auf die Schallquelle können unerwünschte Schallquellen ausgeblendet werden.
Neues Verfahren
Sound Field Scanning
Das Sound Field Scanning mit einem linearen Mikrofon-Array basiert auf einem kompakten, rotierenden Sensorarm mit digitalen Mikrofonen. Das Schallfeld wird mit einem ortsfesten und bis zu sieben bewegten Mikrofonen vermessen. Die Bewegung des Mikrofonarms auf einer Kreisbahn mit einem Durchmesser von bis zu 2,54 Meter liefert technische Vorteile im erreichbaren Dynamikumfang und in der örtlichen Auflösung.
Die gewonnenen Daten werden dezentral in der Cloud auf einem Hochleistungsrechner mit mehreren Prozessorkernen verarbeitet und auf einem mobilen Endgerät (Smartphone, Tablet) visualisiert.
Zur Berechnung akustischer Bilder auf Basis von Mikrofonsignalen, die mit einem Schallfeld Scanner erfasst werden, wird das Coherence Scanning Holography (CSH) Verfahren verwendet.
Seven Bel ist zur Zeit (Stand Juni 2023) der einzige Anbieter von Schallfeld Scannern und hält sowohl Hardware als auch Software Patente auf die eingesetzten Kerntechnologien.
Diese sind in den Bereichen Signalverarbeitung (Echtzeit-Berechnung von akustischen Bildern basierend auf Signalen von bewegten Mikrofonen mittels CSH) und mechatronischem Design (Integration von Sensorik, Datenerfassung und aeroakustisch optimierten, drehbar gelagerten Rahmenkonstruktionen zur Erfassung von hochqualitativen Signalen von bewegten Mikrofonen) zu finden.
Wesentliche Qualitätskriterien für akustische Kameras sind einerseits die Fläche des Mikrofon-Arrays sowie die Anzahl der darauf verteilten Mikrofone.
Da industrielle Schallereignisse typischerweise tieffrequente Anteile weit unter zwei Kilohertz aufweisen, soll der Durchmesser der Mikrofon-Array Fläche auf jeden Fall größer als ein Meter sein, um eine akzeptable örtliche Auflösung zu erhalten.
Auch sollte das Array mehr als hundert verteilte Mikrofone umfassen, um eine hohe Bilddynamik zu erreichen und so in der Analyse laute und leisere Quellen gezielt zu bewerten.