Akustische Kamera

Die Schallsuche an elektrischen und elektronischen Komponenten

28.03.17 | Autor / Redakteur: Maik Kuklinski * / Hendrik Härter

Sichtbarer Schall: 
Mit einer akustischen Kamera können Entwickler Störgeräusche aufspüren und auf den Grund gehen.
Sichtbarer Schall: 
Mit einer akustischen Kamera können Entwickler Störgeräusche aufspüren und auf den Grund gehen. (Bild: CAE-Systems)

Mit einer akustischen Kamera wird Schall sichtbar und auch die Quelle lässt sich aufspüren. Wir zeigen ein handliches Schallmessgerät, das vor allem für die Entwicklung interessant sein dürfte.

Durch strengere Gesetzesgrundlagen und den stetig steigenden Anspruch der Kunden ist es notwendig, dass Geräusche reduziert werden. In Folge dessen nahm die Bedeutung des Akustikdesigns in den letzten Jahren rasant zu. In der Elektronik ist Schall aus vielerlei Hinsicht ein sehr interessantes Thema. Nicht nur in Forschung und Entwicklung, sondern auch bei individuellen Anwendungen und vor allem in der Qualitätssicherung und Produkttest sowie beim Thema Arbeitsschutz.

Schall bedeutet mechanische Wellen, mechanischer Stress und eventuell thermische Belastung, die in den Elektronikkomponenten durch Stromfluss entstehen. Unerwünschter Schall kann zu unterschiedlichen Problemen führen, im schlimmsten Fall zum Bauteilversagen.

Akustik wird Thema in der Entwicklung

Diese Tatsache führt dazu, dass Mitarbeiter mit dem Thema Akustik konfrontiert werden, die bisher keinen Kontakt damit hatten. Fehlt es an Erfahrung und dem nötigen Werkzeug, führt das langfristig zu Einbußen bei der Wettbewerbsfähigkeit. Ein möglicher Lösungsansatz ist die akustische Kamera. Sie lokalisiert akustische Quellen und stellt sie bildlich dar.

Das Ergebnis ist ähnlich einer Wärmebildkamera. Man kann direkt erkennen, welche Komponenten Schall abstrahlen. Eine akustische Kamera besteht aus einer Vielzahl von Mikrofonen, einem sogenannten Mikrofonarray, und einer Videokamera. Aus den aufgezeichneten Mikrofonsignalen wird ein akustisches Falschfarbenbild berechnet und mit dem Video überlagert.

Damit lassen sich die Messergebnisse unkompliziert dokumentieren. Das Prinzip der akustischen Kamera geht auf die Radioastronomie zurück. Planeten und andere Himmelskörper senden Radiowellen aus, die auf der Erde von sehr großen Antennen empfangen werden. Dadurch können Himmelsereignisse gezielt beobachtet werden. Zur Auflösungsverbesserung werden mehrere Antennen in einem Array zusammengeschaltet.

Anstatt Antennen werden allerdings Mikrofone verwendet. Damit ist es möglich, mit dem Mikrofonarray Schallquellen zu lokalisieren. Die so entstandenen akustischen Kameras wurden zuerst vor rund 40 Jahren in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt. Um die Jahrtausendwende fand sie ihre erste industrielle Anwendung in der Automobilbranche. Die dort eingesetzten analogen Systeme haben den Nachteil, dass sie sehr kostspielig und für mittelständische Unternehmen nicht ökonomisch einsetzbar sind.

MEMS-Mikrofone sind kostengünstig und platzsparend

Durch die fortschreitende Entwicklung wurde 2011 die erste digitale akustische Kamera entwickelt. Die dort eingesetzten MEMS-Mikrofone sind nicht nur kostengünstiger und platzsparend, sondern bieten sehr gute Eigenschaften. Im Mikrofon sind die Signalkonditionierung sowie ein A/D-Wandler direkt integriert. Bei dem A/D-Wandler handelt es sich um einen 24-Bit-Wandler, der mit einer Frequenz von 48 kHz abtastet und digitale Signale auf einem Bussystem ausgibt.

Ein Anti-Aliasing- sowie ein Hochpassfilter bereiten das Signal auf. Durch die Mikrofontechnik wird ein kostspieliges analoges Datenerfassungssystem unnötig. Ein FPGA erfasst die gewonnenen Daten und ermöglicht die erforderliche samplegenaue Abtastung der Mikrofone. An diesem FPGA ist die Kamera direkt angeschlossen, sodass die Mikrofon- und Kameradaten synchron erfasst werden. Sämtliche Daten werden vom PC oder Tablet per Ethernet abgeholt und in Echtzeit oder im Postprocessing verarbeitet.

Zum Einsatz kommt das Beamforming-Verfahren, welches die Laufzeitunterschiede von der Schallquelle zu den verteilten Mikrofonen zur Errechnung der akustischen Bilder verwenden. Die Lokalisierung der Schallquelle ist umso genauer, je mehr verschiedene Daten gesammelt werden können. Aus diesem Grund werden die Mikrofonarrays dahingehend optimiert, möglichst wenig redundante Informationen aufzunehmen.

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