Ziel der Entwicklung

Zielstellung des Forschungsvorhabens KarkaS war die Entwicklung und Implementierung neuer Verfahren und Algorithmen für die Verbesserung der Dynamik und der Ortsauflösung bei der Kartierung akustischer Quellen im Kontext von Phased Arrays/Beamforming.
Im Rahmen des Projektes wurden Modellerweiterungen vorgenommen, um reale, mechanische Schwingungssysteme besser beziehungsweise vollständiger zu beschreiben und diese mit modernen Kartierungsmethoden (Akustische Kamera) zu verbinden. Die realisierte Modellerweiterung ermöglichte neue orts-, zeit-, und frequenzabhängige Analysen. Die bisher als Grundlage in der Technologie der Phased Arrays dienenden harmonischen Elementaroszillatoren wurden dabei durch erzwungene Schwingungen ersetzt. Die Modellerweiterung bestand darin, Dissipation und „Treibende Kräfte“, durch die die Schwingungen gedämpft bzw. angeregt werden, in die Schwingungsgleichung einzuführen. Ein weiterer, wesentlicher Punkt für die Modellerweiterung war die Berücksichtigung stochastischer Anfangsbedingungen für die Lösung der Schwingungsgleichung, die durch eine inhomogene Differentialgleichung zweiter Ordnung beschrieben wird.
Dieser Ansatz für die Randbedingungen berücksichtigt deutlich adäquater die realen, zufälligen Eigenschaften akustischer Messungen, als die periodische Fortsetzung dieser Messungen, wie sie für die Realisierung der Fourier-Transformation benötigt wird. Neben diesen erzwungenen Schwingungen wurden auch weiterhin harmonische Oszillatoren, wie sie typisch für Resonanzen (Anregungen der Eigenfrequenzen) sind, berücksichtigt. Im Resultat der Lösung der inhomogenen Schwingungsgleichung konnte eine zeitabhängige Leistung gewonnen werden. Auf der Basis dieser neuen Leistung wurden ein neues Spektrum und ein zeitlich und frequentiell sehr hochauflösendes Spektrogramm entwickelt, die über die bisherigen, auf der allseits bekannten Fourier-Transformation beruhenden, Spektralanalysen hinausgehen. Außerdem sollte ein sensorloses Tachometer und darauf aufbauend eine neue Ordnungsanalyse entwickelt werden.

Vorteile und Lösungen

Durch die Realisierung der im Projekt vorgesehenen Modellerweiterung der Schwingungsgleichung um die Dämpfung (dissipative Kraft), Elastizität (elastische Kräfte) und eine äußere, treibende Kraft konnte ein deutlich Verbesserung der Ortung und Dynamik akustischer Signalquellen erreicht werden.
Vor allem werden dadurch jene Quellen hervorgehoben beziehungsweise gefunden, die durch Reibung, Anregung und ähnlichem hervorgerufen werden. Ohne diese Modellerweiterungen werden vor allem die Quellen gefunden, die auf Resonanz idealer Oszillatoren beruhen. Durch Differenzbilder (Analyse ohne Modellerweiterung und Analyse mit Modellerweiterung) können diese unterschiedlichen Mechanismen identifiziert und bewertet werden. Dazu musste die eine inhomogene Differentialgleichung zweiter Ordnung (das sogenannte DUHAMEL-Integral) gelöst werden, bei dem die Messwerte als Rand- beziehungsweise Startbedingungen für die Lösung dienen.
Wie gezeigt werden kann, wirkt sich die Modellerweiterung wie eine Bandpass-Filterbank aus. Jedes Band hat dabei eine Breite von einer Oktave, so dass dieser Satz von Filtern einem Satz von Oktav-Filtern gleicht. Im Unterschied zu idealen Oktav-Filtern läuft aber hier die Übertragungsfunktion (Filterfunktion) asymptotisch zu kleinen Frequenzen nicht zu Null. Somit bleibt für jedes Band ein Anteil der Tieffrequenz-Eigenschaften des Ursprungssignals erhalten.
Für die spektrale Auswertung führte die Modellerweiterung zu einer zeitabhängigen Leistung und auf dieser Grundlage zur Frequenz und Energie als Zeitfunktion. Daraus konnte die aus der Fourieranalyse bekannte Beschränkung bezüglich Zeit- und Frequenzauflösung in Spektren und Spektrogrammen überwunden und eine bezüglich Zeit und Frequenz unabhängige, hochauflösende Spektralanalyse entwickelt werden. Durch Auswertung sich periodisch wiederholender Spektralanteile konnte darüber hinaus ein sensorloses, nur auf dem akustischen Signal beruhendes Tachometer entwickelt werden. Hochauflösende Spektrometrie und sensorloses Tachometer konnten zu einer neuen, sehr feinen Ordnungsanalyse verbunden werden.
Die im Projekt erreichten Ziele können wie folgt zusammengefasst werden:
Definition der Startwerte unter Berücksichtigung der Stochastik akustischer Messungen;
Lösung des Duhamel-Integrals unter Verwendung der gefundenen Startbedingungen;
Integration der Lösung der Differentialgleichung in die Kartierung akustischer Quellen;
Implementierung eines Moduls zur Ortung der realen, akustisch aktiven Quellen, die einer Dämpfung sowie „Treibenden Kräften“ unterworfen sind; Verbesserung der Dynamik der 2D-Kartierung des Schalldrucks um mindestens 6 dB, was einer Verdoppelung des Schalldruckes entspricht; Implementierung von Differenzbildern als Resultat der Subtraktion der angeregten Schwingungen von den Resonanzschwingungen; Entwicklung einer momentanen Leistung und darauf aufbauend einer zeitabhängigen Spektralanalyse; Realisierung eines akustischen Tachometers, das für bestimmte, akustische Signale eine sensorlose Drehzahl liefert; Implementierung der verschiedenen spektralen Darstellungen als Zeitfunktionen; Entwicklung einer darauf aufbauenden Ordnungsanalyse; Erarbeitung der Methodik einer experimentellen Systemidentifikation auf der Basis der stochastischer Eigenschaften akustischer Messdaten.

Zielgruppe und Zielmarkt

Auf allen einschlägigen akustischen Tagungen, Kongressen und Konferenzen haben Vorträge, ja ganze Sessions zum Thema Phased Arrays/Beamforming ihren festen Platz gefunden. Von vielen Ausstellern auf den entsprechenden begleitendenden Ausstellungen werden eigene Entwicklungen verschiedener Marktreife in dieser Richtung vorgestellt. Weltweit könnte der Markt in den nächsten Jahren durchaus noch einige hundert der bisherigen, eher hochpreisigen akustischen Kartierungssysteme aufnehmen. Dazu bedarf es einer Verbesserung der Kartierungseigenschaften der angebotenen Systeme. Von besonderer Bedeutung ist dabei, dass die realen Quellen und nicht die Resonanzen ermittelt werden können. Außerdem wird eine hochauflösende Spektrometrie gebraucht, um die entsprechenden Frequenzen, Ordnungen und Leistungspektren herausfinden zu können. Die Realisierung einer zuverlässig funktionierenden, auf akustischen Hochkanalmessungen basierenden Qualitätssicherung wird zu einem sprunghaften Anwachsen des Einsatzes von Beamforming-Systemen und damit zu einer deutlichen Expansion des Marktes führen.
Es ist daher davon auszugehen, dass die Mitbewerber dann auch entsprechende Lösungen anstreben werden. Insofern wäre eine Monopolstellung nur sehr kurzzeitig für zirka zwei bis drei Jahre zu halten. Andererseits ist aber der Markt für solche Systeme auch enorm groß, weshalb auch nur wenige Prozente des nationalen und internationalen Marktes zu ausgesprochen großen Umsatzzahlen führen werden. Da die Lösung einen hohen Neuheitsgrad besitzt, ist nicht davon auszugehen, dass diese Technologie innerhalb der nächsten Jahre eine Sättigung erreichen wird. Der weltweite Markt für akustische Kartierungen ist in seinem Potential bisher kaum erschlossen. Es gibt immer noch sehr viele, gerade auch kleinere und mittlere Firmen, die überhaupt keine Kenntnis von der Existenz derartiger Systeme haben, obwohl sie es zur Lösung akustischer Probleme gut gebrauchen könnten. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die verschiedenen Anstrengungen zur Verbesserung der Robustheit und Einsetzbarkeit unter industriellen Bedingungen, zum Beispiel bei Industrieanlagen, Prüfständen und Automatisierungslösungen, welche auch mit dem vorliegenden Projekt weiter vorangetrieben werden sollen, eine weitere Marktvergrößerung zur Folge haben werden.
Zum Auslandsmarkt, insbesondere zum asiatischen Raum, ist zu sagen, dass es hier bei Vorliegen eines deutlich preiswerteren Systems auch in denjenigen Märkten vermehrt absetzbare Systemzahlen geben wird, welche in Deutschland traditionell eher vollwertige Laborsysteme aufnehmen können. Das sind insbesondere die Automobilindustrie und der Maschinenbau in Ländern wie China, Indien oder Korea, welche ebenfalls nach effektiven Lösungen verlangen. Diese Wachstumsmärkte haben noch lange nicht ihr Potential voll entfaltet. Wie sich diese Märkte quantitativ weiter entwickeln werden, kann derzeit kaum real eingeschätzt werden, es sind jedoch bei den reinen Verkaufszahlen von Komplettsystemen international höhere Absätze erreichbar als nur in Deutschland. Der von uns angestrebte Marktanteil ist bezüglich Inland und Ausland zu differenzieren. In Deutschland haben wir mit der bisherigen Version der Akustischen Kamera einen geschätzten Marktanteil von zirka 70 bis 80 Prozent. International ist das sehr unterschiedlich, im Mittel aber etwa um die 40 bis 50 Prozent. Hauptursache für diesen geringeren Marktanteil im Ausland ist nicht etwa eine fehlende technische Qualität unseres Produktes, sondern vielmehr das sehr stark ausgebaute internationale Vertriebsnetz unserer Mitbewerber. Durch die Verwertung der Ergebnisse des geplanten Vorhabens wird von uns eine Stabilisierung des deutschen Marktanteils in angegebener Höhe und ein Ausbau des internationalen Marktanteils auf mindestens 60 Prozent an traditionellen Beamforming-Systemen angestrebt.