Zwei Dinge, die den meisten Menschen beim Thema Umweltverschmutzung als erstes einfallen, sind CO2 und Kunststoff. An Lärm denken eher wenige, obwohl auch er als akustische Umweltverschmutzung bekannt ist. Und durch die immer intensivere Nutzung von technischen Geräten, Anlagen und Fahrzeugen steigt er stetig an.
Lärm ist ein Thema des Arbeits- und Gesundheitsschutzes und kann den Bedienkomfort von Maschinen erheblich mindern. Einen wichtigen Schritt zur Eindämmung akustischer Umweltverschmutzung wollen nun Forschende der FH Bielefeld machen: Im Projekt „Moses“ entwickelt ein Team des Instituts für Systemdynamik und Mechatronik (ISyM) neuartige Algorithmen für die Optimierung von Akustikkameras.
Akustikkamera als Zukunft der Lärmreduktion
Akustische Kameras sind in der Lage, Schallquellen sichtbar zu machen und zeigen damit an, wo genau Lärm entsteht. Sie bestehen aus einer Vielzahl von Mikrofonen, die in einem bestimmten Abstand zueinander um die Kamera angeordnet sind.
„Trifft die Schallwelle eines Geräuschs auf die Mikrofone, lässt sich der Ursprung durch das zeitversetzte Auftreffen auf die verschiedenen Mikrofone lokalisieren“, erklärt Philipp Jünemann, wissenschaftlicher Mitarbeiter von „Moses“. „Bei diesem Verfahren handelt es sich um das sogenannte Delay-and-Sum-Beamforming. Die Kamera stellt das Ergebnis, ähnlich einer Wärmebildkamera, farblich dar. Auf diese Weise können also die Position und Intensität der Schallquelle festgestellt und visualisiert werden.“
Das Potenzial der akustischen Kamera für die Lärmbekämpfung ist dabei groß: Die Industrie könnte sie etwa in der Produktentwicklung und -optimierung einsetzen. Beispielsweise ließen sich so Elektrogeräte mit doppelter Kraft, aber halber Lautstärke umsetzen. Jünemann ergänzt: „Unternehmen wären in der Lage, gesundheitsschädliche Lärmquellen in ihren Produktionsstätten zu lokalisieren. Aber auch Automechaniker könnten eine quietschende Lärmquelle am Fahrzeug umgehend ausfindig machen. Viele weitere Einsatzgebiete wären denkbar.“
Doch noch gibt es ein Hindernis: „Der Großteil der auf dem Markt verfügbaren Akustikkameras benötigt eine Vielzahl an Mikrofonen“, schildert Jünemann. „Eine unhandliche Größe und ein kaum erschwinglicher Preis sind die Folge.“ Zusätzlich schränke der aufwendige Messaufbau ihre Einsatzmöglichkeiten stark ein; eine Anwendung sei so überwiegend nur für Experten möglich.
Inspiration aus der Tierwelt
Genau an dieser Stelle setzt das „Moses“-Projekt an. „Unser Ziel ist es, leistungsstarke Algorithmen zu entwickeln, die die bisherige Lokalisationsleistung optimieren und die Herstellung einer kleineren, mobilen Akustikkamera ermöglichen“, erklärt Projektleiter Dr. Joachim Waßmuth, Professor für elektrotechnische Gebiete der Mechatronik am Fachbereich Ingenieurwissenschaften und Mathematik.
Inspiration holte sich das Team dafür von der nachtaktiven Fliege Ormia ochracea, die ein besonderes akustisches System aufweist: „Das parasitische Insekt nutzt eine spezifische Grillenart als Wirt zur Eiablage“, sagt Jünemann. „Um die Grille aufzuspüren, besitzt die Fliege in ihrem Hörorgan eine mechanische Kopplung beider Gehörgänge. Diese Kopplung ist dafür verantwortlich, dass sie trotz geringer Körpergröße und daraus resultierendem geringem Ohrabstand den Wirt überaus gut lokalisieren kann.“
Abgesehen davon findet der Biomechatroniker auch die Interdisziplinarität des Projekts spannend. „Wir nutzen das Wissen aus der Biologie, um ein technisches Verfahren aus der Akustik zu optimieren“, sagt er. „Es treffen also Fragestellungen aus der Biologie und Physik sowie den Ingenieurwissenschaften zusammen, und die gewonnenen Erkenntnisse ergeben gemeinsam einen wertvollen Synergieeffekt für unsere Forschung.“
Kooperation mit Kamerahersteller
Ein Vorgehen mit Erfolg, wie Waßmuth berichtet: „Wir konnten bereits einen Algorithmus entwickeln, dank dem wir mit nur vier Mikrofonen und geringem Mikrofonabstand eine Geräuschquelle exakt lokalisieren können. Dafür haben wir den Algorithmus zunächst in einer Simulationsumgebung getestet. Im Anschluss folgte die Inbetriebnahme auf einer Hardware-/Softwareplattform, deren Entwicklung ebenfalls Teil des Projekts ist. Gegenwärtig evaluieren wir das neue System in unserem Akustiklabor.“
Unterstützung erhalten die Forscher dabei vom Projektpartner CAE Software und Systems aus Gütersloh. Während das FH-Team für die Algorithmen- und Simulationsentwicklung zuständig ist, erarbeiten die Experten für Schallquellenlokalisation die Benutzerführung des neuen Systems. Darüber hinaus stellen sie Mikrofone zur Verfügung und beteiligen sich an der Errichtung der Hardware-/Softwareplattform.
Das gemeinsame Ziel: eine Akustikkamera mit benutzerfreundlicher Größe und Handhabung für die breite Masse verfügbar machen. Mensch und Umwelt würden es ihnen danken.
