Methoden zur Detektion von Schallquellen

Einsatzgebiete der Lärmdetektionsverfahren sind die Lärmreduktion in der Umgebung (Umweltschutz) und in Betrieben (Lärmreduktion am Arbeitsplatz), also z. B. Reduktion der Lärmabstrahlung von lauten Maschinen (Produktionsstätten). Für eine effiziente Reduktion der Lärmpegel in Betrieben ist es wichtig, die maßgeblichen Schallquellen zu identifizieren. Ebenso ist es bei bereits akustisch gekapselten Maschinen erforderlich, vorhandene Schallbrücken zu detektieren, um selbige zu reduzieren. Baumaschinen müssen für den Schutz der Bauarbeiter und eventuell der Anrainer akustisch optimiert werden.

In diesem Zusammenhang treten die gleichen Fragestellungen auf wie zuvor: Welche Maschinen oder Aggregate sind für den Lärmpegel maßgeblich bzw. (bei gekapselten Maschinen) an welchen Stellen existieren Undichtigkeiten, die für eine effiziente Lärmreduktion beseitigt werden müssen? Auch in Fahrzeugbereichen (Lkw, Pkw, Bahnen, Schiffe etc.) ist es erforderlich, den Pegel für Mitarbeiter und Fahrgäste gering zu halten. Hier ist es nötig, zum einen die Antriebsaggregate akustisch zu optimieren und zum anderen die Transmissionswege ins Fahrzeuginnere zu reduzieren. Neben Transferpfadanalysen werden hier auch Arraymessungen durchgeführt. In den engen Fahrkabinen und Fahrgasträumen kommen sogenannte tragbare Arrays zum Einsatz.

Wenn es z. B. bei einem Getriebe „irgendwo scheppert“, können bildgebende Verfahren, d. h. Methoden, mit denen Schall in Bilder umgewandelt wird, helfen, den fehlerhaften Teil zu finden.

Während klassische Methoden zur Quellsuche mittels Handschallpegelmessern, die nur ein Mikrophon besitzen, Schallquellen meist nur nach dem „Warm-Kalt“-Prinzip detektieren, können modernere Verfahren ein Gesamtbild mit verschiedenen Schallquellen liefern.

Verfahren mit Vor- und ­Nachteilen

Im Folgenden wird versucht, einen kurzen Abriss über die üblichen Verfahren und ihre Vor- und Nachteile zu geben. Bei den meisten beschriebenen Verfahren handelt es sich um Methoden, die den Schall mit einer Vielzahl von Mikrophonen an verschiedenen fixen Positionen messen und aus den verschiedenen Messungen Rückschlüsse über den Ursprung des Schalls ziehen. Zusätzlich zu diesen Verfahren wird auch noch kurz auf die Laservibrometer eingegangen, die nicht den Schall direkt messen, sondern Vibrationen am zu messenden Objekt, die ursächlich für den Schall sind.

Allen diesen Methoden gemeinsam sind die hohen Kosten der Geräte und der hohe Aufwand bei Aufbau, Abbau und Kalibrierung der Geräte. Somit ist häufig der Zeitaufwand für eine Messung mit einem derartigen System größer als eine einfache Suche mit einem Handschallpegelmesser nach der Quelle oder einer Undichtigkeit bei einer Schallkapsel bzw. einer Schallbrücke. Auch ist zu beachten, dass bei einer Messung großer Platzbedarf gegeben ist, und Reflexionen von Wänden, Maschinen und Mobiliar das Ergebnis verfälschen können.

Beamforming

Die am häufigsten verwendete Methode zur Quelllokalisation ist das sogenannte Beamforming. Bei diesem Verfahren wird der Schall mittels eines Arrays aus mehreren Mikrophonen aufgenommen und anhand der Aufnahmen der verschiedenen Mikrophone errechnet, aus welcher Richtung der Schall bzw. gewisse Komponenten des Schalls gekommen sind. In ganz groben Zügen funktioniert das Beamforming ähnlich wie das Richtungshören beim Menschen. Wenn am rechten Ohr ein Signal früher und stärker als am linken Ohr ankommt, wissen wir, dass der Schall eher von rechts kommt. In ähnlicher Weise versucht der Algorithmus aus den verschiedenen Laufzeit- und Intensitätsunterschieden zwischen den Mikrophonen Richtungsinformation zu gewinnen.

Beamforming kann natürlich auch in umgekehrter Richtung verwendet werden. Beim Vorhandensein einer Störquelle kann die Sensibilität des Beamformers (also das Mikrophonarray) virtuell in eine bestimmte Richtung erhöht und somit der Einfluss der Störquelle reduziert werden.

Der Vorteil dieser Methode ist ihre Flexibilität und Geschwindigkeit. Diesen Vorteil erkauft man jedoch durch einige Nachteile. Je nach Anzahl und Anordnung der Mikrophone kann die Größe und Breite der Hauptkeule (d. h. die Region/Richtung mit der größten Sensibilität) mit verschiedenen Frequenzen und Ausrichtungswinkeln variieren. Ein zusätzliches Problem sind Fehlinterpretationen, die durch Nebenkeulen entstehen können.

Akustische Holographie

Im Gegensatz zum Beamforming wird die akustische Holographie zur Detektion von Schallquellen im Nahbereich verwendet. Dabei wird angenommen, dass sich alle Schallwellen in einer Ebene befinden. Anhand der Messungen mit einer Vielzahl von in bestimmter Weise angeordneten Mikrophonen kann auf den Schalldruck oder auch auf Schallschnellen  in dieser Ebene zurückgerechnet werden. Da für dieses Rückrechnen auch schnell abfallende Komponenten des Schalls verwendet werden, kann die akustische Holographie nur sehr nahe am zu betrachtenden Objekt verwendet werden. Es ist jedoch dadurch ein viel schärferes Bild der verschiedenen Schallquellen möglich. Akustische Holographie ist dann sinnvoll, wenn mit dem (oft sehr einfach tragbaren) Mikrophonarray sehr nahe an das zu untersuchende Objekt gelangt werden kann, z. B. ein schepperndes Bauteil, bei dem nicht ganz klar ist, welche Komponente das Scheppern auslöst.

Wie schon beim Beamforming spielen die Anzahl und die Anordnung der Mikrophone eine wichtige Rolle. Eine Gemeinsamkeit mit dem Beamforming ist die fehlende Erfassung von Reflexionen des Schalls.

Inverse Randelemente-Methode (IBEM)

Eine neue, sehr rechenintensive Methode ist die Inverse Randelemente-Methode. Bei ihr wird grob gesagt mittels der herkömmlichen Randelemente-Methode die Übertragungsfunktion von jedem Mikrophon zur Oberfläche der Struktur bestimmt, die entstandene Übertragungsmatrix invertiert und die daraus resultierende Matrix mit den Messwerten ausmultipliziert.

Bei dieser Methode kann die Anordnung der Messmikrophone willkürlich gewählt werden und auch Reflexionen können berücksichtigt werden. Zusätzlich lassen sich sowohl Nah- als auch Fernfeldkomponenten der Schallwellen berücksichtigen. Ein wesentlicher Nachteil ist jedoch der damit verbundene hohe Rechenaufwand.

Laservibrometer

Mittels Laservibrometer lassen sich Vibrationen auf einer Struktur direkt bestimmen. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass bei der Messung an sich große Störungen auftreten, die durch spezielle mathematische Algorithmen korrigiert werden müssen. Nachteile des Verfahrens sind, dass nur sichtbare reflektierende Oberflächen erfasst werden können und die hohen Kosten für die Hardware. Da bei diesem Verfahren eigentlich nicht der Luftschall bestimmt wird, der wiederum von der Umgebung beeinflusst werden kann, liegt der Vorteil eines Laservibrometers in der direkten Bestimmung von Vibrationen am Objekt, die normal zur Messrichtung erfolgt.

Aktionstag LÄRM.HÖR.AUF

Am Mittwoch, 25. April 2018, ist „Internationaler Tag gegen Lärm“. Das Institut für Schallforschung der ÖAW lädt zu diesem Anlass in Kooperation mit der AUVA, dem Umweltbundesamt, der TU Wien, der Universität Wien und Med-EL zum Aktionstag LÄRM.HÖR.AUF ein.

Wann: Mittwoch, 25. April, von 9.30–17.30 Uhr
Wo: Institut für Schallforschung, ­Wohllebengasse 12–14, 1040 Wien

Eintritt frei!

Die Schallforscherinnen und -forscher der ÖAW sowie die Expertinnen und Experten der AUVA stehen vor Ort Lärminteressierten bzw. -geplagten zur Verfügung. Die Besucherinnen und Besucher können an zahlreichen kostenlosen Stationen mitmachen, mithören, erfahren, verstehen und staunen.

Mehr Infos unter: www.kfs.oeaw.ac.at/tgl18

Zusammenfassung

Der Autor stellt verschiedene Verfahren zur Detektion von Schallquellen mit ihren Vor- und Nachteilen vor.