Lärm: Insekt inspiriert ISyM-Forscher der FH Bielefeld

Bielefeld (fhb) Kohlendioxyd und Plastik: Zwei Dinge, die vermutlich den meisten Menschen als erstes einfallen, wenn sie an das Thema Umweltverschmutzung denken. Durch die zunehmende Technisierung unserer Gesellschaft entwickelt sich jedoch ein weiteres, stetig wachsendes Problem, das uns und unserer Umwelt schadet: Lärm – auch bekannt als akustische Umweltverschmutzung. Sie ist eine Folge der immer intensiveren Nutzung von technischen Geräten, Anlagen und Fahrzeugen.

Akustikkamera macht Schallquellen sichtbar

Keine Frage, Lärm kann Menschen und Tiere krank machen. Er ist ein Thema für den Arbeits- und Gesundheitsschutz und kann den Bedienkomfort von ansonsten tadellosen Maschinen erheblich mindern. Einen wichtigen Schritt zur Eindämmung akustischer Umweltverschmutzung unternehmen Forschende der Fachhochschule (FH) Bielefeld nun in dem Projekt »Modulare Hardware- und Softwareplattform für den flexiblen Einsatz moderner Schallquellenlokalisationsalgorithmen« (»MOSES«). Das Projektteam des Instituts für Systemdynamik und Mechatronik (»ISyM«) entwickelt neuartige Algorithmen für die Optimierung einer sogenannten Akustikkamera.

Akustische Kameras sind in der Lage, Schallquellen sichtbar zu machen – und zeigen damit an, wo genau der Lärm entsteht. Sie bestehen aus einer Vielzahl von Mikrofonen, die in einem bestimmten Abstand zueinander um die Kamera angeordnet sind. »Trifft die Schallwelle eines Geräusches 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.«

Akustikkamera als Zukunft der Lärmreduktion

Das mögliche Potenzial der akustischen Kamera für die Lärmbekämpfung ist immens. »Die Industrie könnte sie in der Produktentwicklung und -optimierung einsetzen: Elektrogeräte mit doppelter Kraft und halber Lautstärke müssten keine Zukunftsvision mehr sein. Unternehmen wären in der Lage, gesundheitsschädliche Lärmquellen in ihren Produktionsstätten zu lokalisieren. Aber auch Mechanikerinnen und Mechaniker einer Autowerkstatt könnten eine quietschende Lärmquelle am Fahrzeug umgehend ausfindig machen. Viele weitere Einsatzgebiete wären denkbar«, so Jünemann

Doch noch gibt es ein Hindernis auf dem Weg: »Der Großteil der auf dem Markt verfügbaren Akustikkameras benötigt eine Vielzahl an Mikrofonen. Eine unhandliche Größe und ein kaum erschwinglicher Preis sind die Folge. Zusätzlich schränkt der aufwändige Messaufbau ihre Einsatzmöglichkeiten stark ein. Eine Anwendung ist überwiegend nur für Expertinnen und Experten möglich«, erläutert der studierte Biomechatroniker.

Forschungsteam nutzt Tierwelt als Quelle der Inspiration

Genau an dieser Stelle setzt das Forschungsprojekt »MOSES« der FH Bielefeld 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 Wissenschaftsteam dafür aus der Tierwelt, von der nachtaktiven Fliege »Ormia ochracea«. »Das parasitische Insekt nutzt eine spezifische Grillenart als Wirt zur Eiablage. 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 geringsten Ohrabstand, den Wirt überaus gut lokalisieren kann«, erzählt Jünemann. Ein bemerkenswertes Prinzip, das die Wissenschaftler nun für die Entwicklung ihres neuen Systems nutzen.

Besonders spannend findet Jünemann zudem die Interdisziplinarität des Projektes: »Wir nutzen das Wissen aus der Biologie, um ein technisches Verfahren aus der Akustik zu optimieren. 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.«

Erste Ergebnisse sind vielversprechend

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- und Softwareplattform, deren Entwicklung ebenfalls Teil des Projekts ist. Gegenwärtig evaluieren wir das neue System in unserem Akustiklabor.«

Kooperation mit Entwickler von Akustikkameras

Unterstützung erhält das Forschungsprojekt dabei von seinem Projektpartner CAE Software und Systems GmbH aus Gütersloh. Während das FH-Team für die Algorithmen- und Simulationsentwicklung zuständig ist, erarbeiten die Expertinnen und Experten für Schallquellenlokalisation die Benutzerführung des neuen Systems. Darüber hinaus stellen sie Mikrofone zur Verfügung und beteiligen sich an der Errichtung der Hardware- und Softwareplattform. Das gemeinsame Ziel: Eine Akustikkamera mit einer benutzerfreundlichen Größe und Handhabung für die breite Masse verfügbar machen. Mensch und Umwelt würden es ihnen danken.