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Vom kausalen System zum Wellenfeld-Integral



Film: Hochlauf eines PKW-Motors (Maserati, 2003). Man erkennt eine Schallspiegelung am Boden und eine Feldverschmelzung zwischen direktem und gespiegeltem Schall.

Die Theorie der (nervlichen) Interferenznetzwerke und deren Analogie zur Fotographie brachte eine neue Sicht auf Wellenfelder. Werden Fotographien als Interferenzintegrale interpretiert, dann existieren Interferenzintegrale auch im Nervensystem oder in der Akustik.
Waren ursprüngliche Ansätze der Akustik z.B. Ultraschall-Beamforming, Geophonie, aber auch Radar etc. dadurch gekennzeichnet, daß eine Erregung (Puls, Chirp etc.) ausgesandt wurde, deren (kausales) Echo zur Bildgebung genutzt wurde, so eröffnete die Theorie der Interferenzintegrale einen neuen Zugang. Deren Analogie zu Optik zeigte, daß es möglich sein würde, ohne kausalen Ursache-Wirkungsbezug nicht nur optische, sondern auch nervliche oder akustische Bilder rein passiv empfangen zu können.
Mit dem Maskenalgorithmus stand ein Hilfsmittel zur Verfügung, Interferenzintegrale beliebiger Länge - begrenzt nur durch Rechenzeit - zu entwickeln. Das akustische Bild - im eigentlichen, integralen Sinn - war geboren.
Wie immer im Leben verlief auch dieser Übergang gleitend. So waren (aus heutiger Sicht - 2015) die ersten Abrollbilder des Transrapid von Brühl und Schmitz 1993 ein interessanter Zwischenschritt auf dem Weg zur integralen Sicht auf Bildgebung. Einerseits waren sie noch kausal - man wußte genau, zu welchem Zeitpunkt welcher Wagenteil am Linienarray vorbeifuhr, andererseits waren sie integral, da man pro Bildpunkt stets über Bereiche der Zeitfunktionen zu integrieren hatte.
Erst die Interferenznetzwerke eröffneten vollständig die intergrale Sicht. So entstand das erste, akustische Bild 1994 (Lautsprecher-S) mit "rosa" rauschenden Lautsprechern. Und auch folgende Bilder und Filme entstanden ohne irgendeine kausale Beziehung zur Schallquelle.

Erstes, akustisches Integralbild Aus einer Entfernung von 2,6 Metern wurden achtkanalig acht Mini-Lautsprecher aufgenommen. Die Lautsprecher waren parallelgeschaltet und wurden mit rosa Rauschen gespeist. Zur Vermeidung von partiellen Reflektionen sind die Mikrofone an die Decke geklebt, die Lautsprecher liegen auf dem Boden. Die Farbtabelle hatte noch Fehler, aber der Weg war nun entdeckt. Grau: Mikrofone im Abstand von je einem Meter; violette Ringe: Lautsprecher. Gerade zwei Wochen vorher, am 9.8.1994, gelang die erste Interferenzrekonstruktion in der Simulation. Flecken im Bild deuten auf Raumresonanzen.

Bild: Gerd Heinz, Software: Sabine Hoefs, Hardware: Carsten Busch, GFaI, 23. August 1994

Erstes, hübsches Integralbild und erster Film des Wellenfeldes - Lautsprecher eines Stereo-Radios aus einer Entfernung von 2,4 Metern aufgenommen. Die grünen Nippel stellen die Projektionspunkte der Mikrofone dar. Schwarze Kreise: Soll-Koordinaten der Lautsprecher. Verzerrungen entstanden wohl durch Interferenz mit partiellen Reflektionen. Kurz dannach, im August 1996, konnten bereits fahrende Autos über eine Entfernung von 170 m im Movie dargestellt werden.

Gerd Heinz, Sabine Hoefs, Carsten Busch, GFaI, 15. März 1996

Erste Fernaufnahme, erster integraler Schallfilm. Aus der 8. Etage (Nordseite) des ZKI-Gebäudes 13.7 (heute Albert-Einstein-Str.16) wurden 4 Schnüre mit je 4 Mikrofonen abgeseilt. Es entstand eine quadratische Mikrophonmatrix 4x4, bei der die Mikrophone im Abstand von je zwei Metern waren. Im August 1996 konnten damit Geräusche fahrender Autos auf der Rudower Chausseüber eine Entfernung von 170 m im akustischen Bild und im akustischen Film dargestellt werden. Zu erkennen ist eine Bildserie der Vorbeifahrt eines PKW. Wind verwehte den Schall, so daß jedes einzelne Photo ungenau war: So entstand der erste Film: Aus Einzelbildern.

Gerd Heinz, Carsten Busch, GFaI, August 1996

Ein Bild geht um die Welt.
Boing 737-400 beim Triebwerkstest (nur das linke Triebwerk läuft). Erste Schallspiegelung fotografiert (Meßabstand ca. 30m, bis 143 dB). Erste Überlagerung mit kantenextrahiertem Photo, erstes "schönes" und publiziertes Schallbild.

Gerd Heinz, Marc Zöllner, Tan Than Nguyen, GFaI, 21. Januar 1997; GEO Heft 9/1997

Probleme mit der Software? Beim ersten Blick unter eine geöffnete Motorhaube sehen wir die Stoßstange ‘leuchten’. Fehler? Nach einer Woche intensivsten, aber erfolglosen Bemühens wird nochmals gemessen, auch seitlich und von vorn. Erst dann ist es klar: wir sehen dominant die Lärmreflexion des Motor-Unterbodens (Vorschalldämpfer, Ölwanne) auf der Strasse.

G. Heinz, GFaI, Januar 1997; BZ vom 4.6.1997

Der erste TV-Sender ist zu Gast: N3-PRISMA (Sendung vom 25.11.1997). Zur Demo wird ein Motorrad analysiert. Wir finden den hochliegenden Schalldämpfer als stärkste Quelle (Sonderzulassung). Eine Motoremission ist trotz intensiven Bemühens nicht zu finden. Sie ist zu klein verglichen mit der brachialen Emission des Auspuffs. Unsere Interpretation des Bildes: Ein wirklich guter Auspuff  sollte nur unter den Helm des Fahrers strahlen. gh 1997

Akustisches Bild eines elektrischen Funken. Mit 100 kHz-Messmikrofonen Gefell MK301 (Hilfspannung 200 Volt elektrostatisch) auf 16-Kanal Ringarray (70 cm Durchmesser) wurden erste hochfrequente Aufnahmen gemacht. Das Bild läßt erahnen, mit welcher Präzision die einzelnen Kanäle vermessen und kalibriert sein müssen. Für den Ring war eine Relativabweichung der Mikrofonkoordinaten von kleiner 0,5 mm gestattet.

Carsten Busch, Gerd Heinz, GFaI, um 1998

Bild eines Akkustaubsaugers - auch Hausgeräte lassen sich analysieren. Der Lärm kommt aus den seitlich liegenden Abluftschlitzen (gh um 1998).

Für die Berliner Verkehrsbetriebe werden 1998 Emissionen von U-Bahn Zügen (5/98) und Straßenbahnen (6/98) untersucht. Eine tragende und nicht ganz preiswerte Initiative der BVG, um die öffentlichen Verkehrsmittel leiser zu machen.

Ganz gewöhnliche, auf der Straße fahrende Autos können auch gefilmt werden. Die teuersten und stärksten Marken kartieren im Außengeräusch am lautesten. Das horizontale Bildzittern markiert tieffrequentes Grollen - man sieht im Bild, alle wieviel Zentimeter ein Zylinder zündet (gh 6/98).

Überraschend: Ein stationärer 4-Zylinder Diesel mit (Zylinder obenliegend) zeigt aus 1,5 m Meßentfernung als stärksten Emissionsort Schallabstrahlung an der Ölwanne (gh 3.2.1999). Diese Erkenntnis paßt zu den Ergebnisssen der Straßenaufnahmen - dort sehen wir immer wieder die Spiegelung des Geräuschs der Ölwanne auf dem Asphalt als starke Emission. Während der Zylinderkopf massiv und schwer ist, ist die Ölwanne relativ leicht gebaut, sie schwingt in der Grundwelle um den weit obenliegenden Schwerpunkt des Motors.

Zur Hannover Industriemesse im April 1999 stellten wir erstmals eine automatische Überlagerung zwischen Photo und Schallbild vor. In das Mikrofonarray war die ersteUSB-Videokamera integriert. Karmann stellte einen gestylten Renault-Megane zur Verfügung, an dem geübt werden konnte. Eine Analyse der Emissionen der zuschlagenden Fahrertür löst im Hochgeschwindigkeitsmovie die Abfolge der verschiedenen Emissionen auf: bis dahin weltweit einmalig.

Gerd Heinz, Dirk Döbler, Swen Tilgner GFaI, April 1999

Natürlich läßt sich auch die Emission einer Bohrmaschine in der heimischen Werkstatt untersuchen. Wir sehen jetzt, warum die Maschine leiser wird, wenn wir eine Matte unterlegen: sie wird nicht leiser! Nur die Tischplatte emittiert nicht mehr. Bild links: ohne Matte, rechts mit unterlegter Matte.

Die Software ‘NoiseImage’ kann akustische Bilder auch in FFT-, Modal- oder Terzanalysen berechnen. Bei der Analyse von Bremsscheiben sehen wir mit etwas Glück sogar Knoten und Bäuche stehender Wellen. (Ein Interferenzsystem ist dann überfordert, wenn dominante Sinuswellen mit der gleichen Frequenz von verschiedenen Orten hereinkommen. In diesem Fall findet eine Superposition am Mikrofon statt - die Ortsinformation verschwindet und wir sehen einen einzelnen Fleck, der den Schwerpunkt aller beitragenden Emissionen markiert) gh 1999.

Blechtafel aus Alu, 2mm dick, nach dB(A) schallografiert. Eine Modalanalyse zeigt zusätzlich sehr komplexe Schwingungsmoden, die sich trotz größter Mühe meist nicht sauber auflösen lassen. Eine spätere Analyse von Blechen mit Körperschallaufnehmern zeigte, daß sich in dünnen Platten und Blechen nicht einmal eine Leitgeschwindigkeit finden läßt - so stark wechselwirken longitudinale mit transversaler Welle.

Waschmaschine bei Wassereinlauf. Links oben leuchtet die Waschmittelklappe rot. Sprachlich schwierig, aber wissenschaftlich korrekter wäre: "sie leuchtet laut". Wir errinnern uns vielleicht, daß bei den Interferenznetzen Sehen und Hören verschmilzt...

Kühlschrank von hinten. Kühlschrank und Bodenreflexion des Kompressorgeräuschs sind zwar mit unseren Ohren kaum wahrnehmbar (um 22dB(A)), sie können aber dennoch mit Mikrofonen kartiert werden, die 30dB Eigenrauschen haben. Das Interferenzintegral über viele Mikrofone macht es möglich.

Auch kleine Dinge, wie Rasierapparate oder elektrische Zahnbürsten lassen sich kartieren. Hier eine Aufnahme mit dem 70 cm-Ringarray. Die Wellenlänge der Schwerpunktemissionen eines Objekts scheint stets der Objektgröße proportional zu sein.

Im Jahre 2000 konnten Innengeräusche erstmals dreidimensional kartiert werden. Diese sind für die Autoindustrie im Bereich Knack- und Knarz- sowie Verwindungsanalyse interessant. Im Bild ist ein Knarzen des Schiebedachs in der vorderen Halterung zu sehen. Wissenschaftlich geht es darum, eine Art von wellentheoretischem Ray-Tracing (Strahlverfolgung) einzuführen. Problematisch ist die nötige Dreieckszerlegung der 3d-Objekte. Für qualitativ hochwertige Ergebnisse entstehen Millionen Knoten. Da jeder Knoten mittels Maskenalgorithmus zu berechnen ist, ergeben sich immense Rechenzeiten. Um Ergebnisse bereits nach Sekunden zu erhalten, sind intelligente Verfahren zur Reduktion der Knotenzahl erforderlich.

Inspektionen komplexer Maschinenanlagen in Innenräumen beginnen oft mit roten Bildrändern oder mit Aliasingflecken, während Emissionen des Zielobjekts nicht zu erkennen sind. Damit ist jetzt Schluß. Die Zukunft hat begonnen: 3D-Bilder geben im voraus Auskunft über im Raum vorhandene, dominante Emissionsquellen oder Reflexionen.
Bild: aus dem Schlund eines Induktionsofens steigt eine Schallkeule mit 320 Hz nach oben, die aus der seitlichen Sicht nicht zu erkennen ist. Erst eine Deckenreflexion verriet den Zusammenhang.

Im Außenbereich gelang im Jahre 2000 der Durchbruch. Von der Tonhalle aus gesehen, Emission der Rheinbrücke Duisburg über die eine Straßenbahn fährt (Integral über viele Sekunden, die Straßenbahn ist nicht mehr im Bild). Wir erkennen eine Reflektion auf der darunter liegenden Straße am Rheinufer

Messungen im Windkanal (Januar 2001). Aus Platzgründen konnte nur mit Ring32 gemessen werden (Grenzfrequenz > 500 Hz). Windgeräusche in den Mikrofonen wurden mit Popschutz bekämpft.

Patrick von Pflug, Robin Oswald, Gerd Heinz, GFaI, 18.1.2001

Akustische Messungen in einer Industrieanlage. Hier stellt sich immer wieder die praktische Frage, Emissionen welcher Anlagenteile in das Fernfeld wirken. Traditionelle Akustik beantwortet diese Frage mit Modalanalyse aller in Frage kommenden Anlagenteile, mit einer akustischen Kamera aber macht man einfach ein Bild (Züricher Sonntagszeitung v. 10.6.2001, S. 93).

Erste Schallbilder von Windkraftanlagen: Messung von einer Hebebühne in 60 Metern Höhe aus ca. 15 m Entfernung zur Kanzel. Da die Interferenzrekonstruktion f(t+T) im Gegensatz zur Interferenzprojektion (Beamforming f(t-T)) keine Schärfenbeschränkung auf Axialnähe kennt, konnte die Aufnahme der 32 Kanäle aus 15 Metern Entfernung auf ein Bild der Anlage aus hundert Metern Entfernung gelegt werden.
Messung im Sept. 2000

Mißt man hingegen aus einer Entfernung von 100 Metern, entsteht ein völlig anderes Bild. Nur die Blattspitzen leuchten. Steht man seitlich versetzt zur Windrichtung, bemerkt man, daß maximale Schallabstrahlung in Richtung der abwärts gehenden Flächennormalen erfolgt (links). Dies hat bei geeigneten Verhältnissen einen Leuchtturm-Effekt zur Folge: die Windkraftanlage scheint zu blinken.
Messung im Mai 2002

Akustisches Bild eines Großbaggers, mit 30-Kanal Stern-Array vom Autodrehkran aus aufgenommen. Wir sehen vlnr. eine Bodenreflexion und zwei Abluftöffnungen als nach oben dominante Lärmquellen.

Swen Tilgner, Gerd Heinz, GFaI, 26.-28.3.2002

Auch Flugzeuge oder Hubschrauber lassen sich kartieren. Messung eines Überflugs mit einem Stern30 Array in Berlin-Tegel. Die Presse berichtete darüber (Bild-Zeitung, 13.11.2002, S. 7). Ein Hubschrauber hat i.a. zwei Emissionsorte. Einerseits ist das Turbinengeräusch nach unten versetzt im akustischen Bild abhörbar, andererseits erzeugt jede vorbeikommende Blattspitze eine Druckwelle (im Bild rechts).

Für Ausstellungen und Messen erwies sich letztlich eine Nähmaschine als praktikabel. Diese besitzt unterschiedliche Emissionsorte, die sich mit dem virtuellen Mikrofon grundverschieden anhören.

Weitere historische Aufnahmen sind auf folgenden Seiten zu finden:


Viele dieser Aufnahmen verdanken wir der materiellen, finanziellen und ideellen Unterstützung der deutschen Industrie. Ohne deren Hilfe, aber auch ohne die Förderung durch das Bundesministeriums für Wirtschaft (marktvorbereitende Industrieforschung und industrielle Gemeinschaftsforschung) gäbe es unsere akustische Kamera nicht.

Das GFaI-Team bedankt sich sehr herzlich für Unterstützung insbesondere bei folgenden Firmen und Institutionen:

  • ADtranz Berlin
  • ADtranz Hennigsdorf
  • AEG Postautomation/Siemens Electrocom Konstanz
  • AEG Postautomation/Siemens Electrocom Berlin
  • Allied Signal Bremsbelag Hamburg
  • Berliner Verkehrsbetriebe BVG
  • Bosch-Siemens Hausgeräte Giengen
  • Bosch-Siemens Hausgeräte Berlin
  • Braun GmbH Kronberg 
  • DEMAG Mannesmann Kraus Maffey Duisburg
  • DaimlerChrysler Stuttgart-Untertürkheim
  • Draegerwerk AG
  • Duktilguß Fürstenwalde
  • Hauni Hamburg
  • Hoogovens Aluminium Koblenz
  • Liebherr Ochsenhausen
  • Lufthansa Berlin
  • Mayer Textilmaschinen Obertshausen
  • Karmann Osnabrück
  • Porsche Weissach
  • RuhrgasAG Dorsten/Werne
  • RWTH Aachen, Institut für Elektrische Maschinen
  • Sony Environmental Center Stuttgart
  • Sächsisches Institut der Druckindustrie Leipzig
  • Synotec Geyer
  • TU Magdeburg, Institut für Kolbenmaschinen
  • Universität Stuttgart, Institut für Werkzeugmaschinen
  • VW Wolfsburg

Mein besonderer Dank gilt insbesondere den Mitarbeitern der Akustikabteilung des Porsche Forschungszentrums Weissach um Rolf von Sivers, namentlich Siegfried Meyer, Kim Havemann, Horst Großmann und deren Mitarbeiter für Unterstützung der Arbeiten in Ausrichtung auf eine Profilierung für die Motor- und Fahrzeugakustik der Autoindustrie im Zeitraum zwischen 1998 und 2001.

Gerd Heinz
info@gheinz.de