Akustik-Forscher nutzen Laser als Mikrofon
Mit einer neuen Laser-Methode können Bosch-Forscher Töne und Geräusche – in der Fachsprache: Schallwellenfelder – sichtbar machen. Der Messbereich reicht von tiefen Tönen um 100 Hz bis in den für Menschen nicht hörbaren Ultraschallbereich von 50 Kilohertz – in letzterem arbeiten beispielsweise Ultraschallsensoren für die Einparkhilfe von Fahrzeugen.
Wenn ein Konzertpianist für – sagen wir einmal idealerweise – eine Sekunde den Kammerton a anschlägt und festhält, treffen rund 440 Luftdruckimpulse unser Trommelfell im Ohr. Das entspricht einer Frequenz von 440 Hertz. Das Hörerlebnis einer Klaviersonate hängt aber nicht nur von der Fingerfertigkeit des Pianisten ab, auch das akustische Gesamtsystem Konzertflügel, Konzerthalle und Sitzposition, in dem sich das Schallfeld ausbreitet, ist entscheidend. Schließlich werden die Schallwellen, bis sie das Ohr erreichen, unterschiedlich von Wänden reflektiert und von Hindernissen gebeugt.
Solch unsichtbare Schallwellenfelder können Forscher von Bosch mit Hilfe von Laserstrahlen visualisieren. Für einen begrenzten Raum, rund einen Quadratmeter Grundfläche, können sie genau studieren, wie sich Schallfelder ausbreiten und von Hindernissen oder Wänden beeinflusst werden. Dabei machen sie sich zunutze, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes von der Dichte des durchstrahlten Mediums abhängt. Trifft der Laserstrahl auf einen Schallwellenberg – einen Ort höherer Luftdichte –, so braucht er zum Durchlauf mehr Zeit. Eine Messeinheit im Laser-Scanner zeichnet diese Verzögerung auf. Mit dem Computer lässt sich so ein dreidimensionales Abbild des Schallfeldes – mit Wellenfronten, Wellenbergen und -tälern erzeugen.
Bei Bosch wird dies eingesetzt, um beispielsweise zu studieren, wie sich die Ultraschallimpulse eines Sensors der Einparkhilfe ausbreiten. In einen Stoßfänger sind vier bis sechs Ultraschallsensoren eingebaut. Sie senden mehrere Ultraschallimpulse in Form einer Strahlungskeule aus, die von Fahrbahnhindernissen oder parkenden Autos reflektiert werden. Aus der Zeit, in der das Signal als Echo zurückgeworfen wird, lässt sich der Abstand zum Hindernis errechnen. Der nächste Schritt der Forschung: die Konturschätzung des Umfeldes. Durch die Reflexionen der Objekte vor und hinter der Parklücke und die Bestimmung der Parkraumtiefe soll dem Fahrer ein Hinweis für den Lenkradeinschlag gegeben werden. In Modellsituationen können die Forscher bei Bosch nun untersuchen, wie ein Testfahrzeug langsam an der Parklücke vorbei fährt, dabei die Kontur der Parklücke vermisst und anschließend dem Fahrer Hilfestellung beim Einparken gibt. Das Laserverfahren liefert ein genaues Abbild des Schallwellenfeldes, hilft damit die optimale Position der Sensoren im Stoßfänger zu finden und gibt experimentelle Daten für die Simulation am Computer.
Der Laser als Mikrofon bringt auch Licht in eine zunehmend wichtigere Forschungsdisziplin, die Aeroakustik. Strömt Luft durch einen Lüfter oder aus einer Düse, entstehen im Strömungsgebiet turbulente Wirbel. Manche dieser Wirbel können zu einem störenden Geräusch führen, vor allem, wenn sie mit Gehäusekanten, Kühlrippen oder Lüfterschaufeln wechselwirken. Hier betreten die Bosch-Forscher Neuland und wollen mit der Lasermethode herausfinden, wie dieser Turbulenzprozess abläuft und welche Wirbel tatsächlich störende Geräusche produzieren.
Solch unsichtbare Schallwellenfelder können Forscher von Bosch mit Hilfe von Laserstrahlen visualisieren. Für einen begrenzten Raum, rund einen Quadratmeter Grundfläche, können sie genau studieren, wie sich Schallfelder ausbreiten und von Hindernissen oder Wänden beeinflusst werden. Dabei machen sie sich zunutze, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes von der Dichte des durchstrahlten Mediums abhängt. Trifft der Laserstrahl auf einen Schallwellenberg – einen Ort höherer Luftdichte –, so braucht er zum Durchlauf mehr Zeit. Eine Messeinheit im Laser-Scanner zeichnet diese Verzögerung auf. Mit dem Computer lässt sich so ein dreidimensionales Abbild des Schallfeldes – mit Wellenfronten, Wellenbergen und -tälern erzeugen.
Bei Bosch wird dies eingesetzt, um beispielsweise zu studieren, wie sich die Ultraschallimpulse eines Sensors der Einparkhilfe ausbreiten. In einen Stoßfänger sind vier bis sechs Ultraschallsensoren eingebaut. Sie senden mehrere Ultraschallimpulse in Form einer Strahlungskeule aus, die von Fahrbahnhindernissen oder parkenden Autos reflektiert werden. Aus der Zeit, in der das Signal als Echo zurückgeworfen wird, lässt sich der Abstand zum Hindernis errechnen. Der nächste Schritt der Forschung: die Konturschätzung des Umfeldes. Durch die Reflexionen der Objekte vor und hinter der Parklücke und die Bestimmung der Parkraumtiefe soll dem Fahrer ein Hinweis für den Lenkradeinschlag gegeben werden. In Modellsituationen können die Forscher bei Bosch nun untersuchen, wie ein Testfahrzeug langsam an der Parklücke vorbei fährt, dabei die Kontur der Parklücke vermisst und anschließend dem Fahrer Hilfestellung beim Einparken gibt. Das Laserverfahren liefert ein genaues Abbild des Schallwellenfeldes, hilft damit die optimale Position der Sensoren im Stoßfänger zu finden und gibt experimentelle Daten für die Simulation am Computer.
Der Laser als Mikrofon bringt auch Licht in eine zunehmend wichtigere Forschungsdisziplin, die Aeroakustik. Strömt Luft durch einen Lüfter oder aus einer Düse, entstehen im Strömungsgebiet turbulente Wirbel. Manche dieser Wirbel können zu einem störenden Geräusch führen, vor allem, wenn sie mit Gehäusekanten, Kühlrippen oder Lüfterschaufeln wechselwirken. Hier betreten die Bosch-Forscher Neuland und wollen mit der Lasermethode herausfinden, wie dieser Turbulenzprozess abläuft und welche Wirbel tatsächlich störende Geräusche produzieren.
