Schallschutz im Hochbau

Transkript

1 Schallschutz im Hochbau Einsatz der Akustischen Kamera zur Ortung und Darstellung von Schall zur akustischen Optimierung im Bestand Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e.v. Rudower Chaussee 30, D Berlin-Adlershof Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e.v. Benjamin VONRHEIN

2 Inhalt des Vortrages Firmenprofil Die Akustische Kamera - Funktionsweise und Grundprinzipien Akustische Kamera Hardware Anwendungen Schallschutz im Hochbau mit Anwendungsbeispielen

3 FIRMENPROFIL

4 GFaI e.v. Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik gemeinnützige FuE-Einrichtung 1990 gegründet Sitz in Berlin-Adlershof ca.100 Mitarbeiter drittmittelfinanzierte Projekte Forschungsaufträge Forschungsdienstleistungen Förderung und Weiterentwicklung von FuE in der angewandten Informatik industrielle Gemeinschaftsforschung im Rahmen der AiF (IGF Projekte des BMWi) mehr als 100 Mitglieder (Firmen, Unternehmen, Einzelpersonen) zahlreiche erfolgreiche Kooperationen

5 Leistungsbandbreite der GFaI Bildverarbeitung Signalverarbeitung Akustische Kamera Robotik Prozessautomatisierung Fuzzy-Anwendungen Die Forschungsbereiche der GFaI e.v. 3D-Datenverarbeitung Graphische Ingenieursysteme Adaptive Modellierung Mustererkennung Informationssysteme Facility Management

6 Leistungsbandbreite der GFaI Abteilungen: Bildverarbeitung 3D Datenverarbeitung Grafische Ingenieursysteme Computergestützte Gebäudeverwaltung(CAFM) Dokumenten-Management Hardware und Interferenzsysteme Adaptive Modellierung / Mustererkennung Signalverarbeitung (Akustische Kamera) Projektgruppen: Adaptive Modellierung und Mustererkennung Dokumenten-Management Fuzzy Anwendungen Informationssysteme Multimedia Prozessautomatisierung Robotik Sensoren

7 gfai tech GmbH Gründung prozentige Tochtergesellschaft der GFaI ev Entwicklung, Produktion, weltweiter Vertrieb fortschrittlicher Innovationstechnologien Produkte: Akustische Kamera Lösung zum Lokalisieren von Schallemissionen FinalScan 3D Laser Scanner FinalSurface 3D Software TOP-Energy Software zur Optimierung von industriellen Energiesystemen

8 DIE AKUSTISCHE KAMERA FUNKTIONSWEISE & GRUNDPRINZIPIEN

9 Die Akustische Kamera Eine revolutionäre Lösung zum Lokalisieren von Schallemissionen

10 Die Akustische Kamera Erstes kommerziell erhältliches Beamforming System Geburt der Idee: 1990er Jahre Markteinführung: Otto-von-Guericke-Preis der AiF 2003 Innovationspreis Berlin-Brandenburg Ständiger Kundenkontakt/ laufende Kommunikation: Schnellste Aufbauzeit Größte Flexibilität Einfachste Bedienoberfläche Spitzenqualität bei Hardware und Software: Kritische Hard- und Softwarekompontenten von GFaI direkt Beste Ergebnisse in der Bedienung vieler Mikrofon-Kanäle Schnelle Berechnung der akustischen Karten

11 Schall wird sichtbar Der Mensch erfasst komplexe Zusammenhänge am Schnellsten mit dem Auge. Geräte und Maschinen helfen bei der vereinfachten Darstellung solcher Zusammenhänge. Schnell Einfach Präzise

12 Lokalisierungsprinzip Ausgangspunkt für die Kartierung im Orts-Zeitbereich unter NoiseImage ist: N 1 P( t, r) p( t i ( r)) Delay-and-Sum Beamformimg N i 1 Die Gleichung ist aus dem Delay-and-Sum Beamforming wohl bekannt: Delay-and-sum Beamforming, the oldest and simplest array signal processing algorithm Array Signal processing Don H. Johnson, Dan E. Dudgeon 1993 by PTR Prentice-Hall, Inc Jean Ausgher; Gerät zur Verbesserung des Hörens von Stereoaufnahmen 1880 um Schiffe im Fall von Nebel zu unterscheiden WW1 - Jean Perrin mit der ersten Akustischen Kamera ; eingesetzt von der franz. Armee

13 Lokalisierungsprinzip Delay-and-Sum Beamforming im Zeitbereich Quelle Quelle Linker Sensor Rechter Sensor Linker Sensor Rechter Sensor Laufzeitverzögerung Laufzeitverzögerung

14 Delay and Sum im Zeitbereich f ( x, t) 1 w 1 f ˆ ( x, t) 1 M M i 1 w i f i x,( t ) i Schallereignis i r i c p(t) 1 f i i min ( x, t) i j j w 2 w 3 w 4 + 1/M fˆ ( x, t) fˆ ( x, t) p(t): Schalldruckverlauf t Effektivwert von p am Ort x: 1 2 pˆ ( ) ˆ (, ) ˆ eff x peff x n f ( x, tk ) n n 1 k 0

15 Delay and Sum im Frequenzbereich f i ( x, t) Verschiebungstheorie der FT: f i j i x, ( t Δ ) F ( x, ) e i i ( x) Δ ( x) i i f ( x, t) F ( x, ) f ( x, t) e i i FT j t dt Achtung: jedes D i erzeugt mehrfach Phasenverschiebung! e j 1 w 1 Fˆ 1 ( x, ) M M i 1 w F ( x, ) e i i j i FT FT e j 2 e j 3 w 2 w 3 + 1/M FT -1 fˆ ( x, t) FT e j 4 w 4 f ˆ ( x, t) 1 2 Fˆ ( x, ) e j t d

16 Lokalisierungsprinzip Mikrofon Array mit M Sensoren i = 1... M Bildebene y' x' y z x tatsächlich berechneter Bildpunkt (Pixel) für den Ort x unterschiedliche Distanzen r i vom Sensor i zum Ort x führen zu verschiedenen absoluten Laufzeiten t i = r i / c

17 AKUSTISCHE KAMERA HARDWARE

18 Akustische Kamera - Komponenten

19 System Hardware Ethernet-System: Kabellänge: mcdrec <> Array : max.50m > differenzielle Miks mcdrec <> Notebook: 50m > 1GB Ethernet Datentransferrate: mcdrec <> Notebook: 50m > 1GB Ethernet mit 20 MByte/sec Aufnahmezeit: bei 192 khz = ca. 42 s Datenrekorder: 192 khz Abtastfrequenz 48 bis 144 Kanäle je 10 rack (24 Kanäle je Karte) Analog- bzw. Digitalkarte für weitere Sensorik Ethernet Verbindung > hohe Transferrate Integrierter PC mit Windows XP (embedded) Grosse Auswahl an Energieversorgungsmöglichkeiten mcdrec 721A

20 Ring 32-35cm Array Einsatz im Akustiklabor Dynamik: 35dB -130dB Kartierungsbereich: 1 khz 20 khz (60kHz) typ. Messentfernung: 0,4 2 m Karbon-Ring differenzielle Mikrofone

21 Ring 48-75cm Array Einsatz im Akustiklabor Dynamik 35dB -130dB Kartierungsbereich: 400 Hz 20 khz Messentfernung: 1-3m Karbon-Ring Differenzielle Mikrofone für größere Distanzen

22 Stern 48 Array Einsatz im Freifeld Dynamik: 35dB -130dB Kartierungsbereich: 100 Hz 7 khz typ. Messentfernung: m Video mit 60 Bildern/s (640x480)

23 Stern 48 Array Überflüge Industrieanlage, Messentfernung: 300 m

24 Sphere 32 oder 48 Array (35 cm) Einsatz in Innenräumen Dynamik: 35dB -130dB Kartierungsbereich: 1 khz 10 khz typ. Messentfernung: 0,5-1,5m

25 Sphere 72 oder 120 Array (60 cm) Einsatz in Innenräumen Dynamik: 35dB -130dB Kartierungsbereich: 600 Hz 10 khz typ. Messentfernung: 0,5-2,5m

26 Lokalisationsprinzip - 3D Der Einsatz von Noise Image 3 und den Sphere - Arrays ermöglicht die 3D-Kartierung auf übliche CAD-Modelle Ein spezieller Algorithmus erlaubt das nachträgliche Einpassen des Arrays in das CAD-Modell, ohne dass zuvor die Position ausgemessen wurde.

27 AC Paddle 2x24 portables Array mit 48 Mikrofonkanälen in zwei Ebenen ermöglicht akustische Nahfeldanalysen in Echtzeit Messungen akustischer Schalldrucksignale während Schallschnelle und Schallintensität der Messebene zeitsynchron berechnet und kartiert werden klare Differenzierung zwischen Quellen vor und hinter dem Array

28 AC Paddle 2x24 Die auf zwei Ebenen angeordneten Mikrofone verhalten sich wie Intensitätssonden und liefern einen Vektor zur Berechnung eines Akustischen Fotos. Das Intensitäts-Array kann als Ergänzung zu einem Akustische-Kamera-System oder als Einzellösung genutzt werden. Der Algorithmus für die Nahfeldberechung ist in NoiseImage integriert. Eigenschaften: kompatibel mit der Produktlinie AC pro kompakt und einfach zu bedienen Echtzeitkartierung von Schalldruck, Schallschnelle, Intensität und Leistung Kartierungsfrequenz 10 Hz 2 khz Gittergröße: 310x322mm Gewicht: 2 kg funktioniert bei Innen- und Außenanwendungen und unter akustisch widrigen Umgebungsbedingungen Dynamikbereich der Mikrofone: db, 10 Hz...20 khz (50 khz)

29 24 Kanal-Mikrofon-Bundle Sie bauen Ihr eigenes Array oder wir entwerfen mit Ihnen gemeinsam das beste Array für Ihre Anwendung Ein-Stecker-Bundle mit jeweils 24 Mikrofonen für Nahfeld-Holographie-Messungen differenzielle Mikrofone ermöglichen große Kabellängen Sensorbeschreibung in Stecker integriert Wir entwerfen Ihr Wunsch-Array (hier Spirale mit 72 Kanälen)

30 Kundenspezifische Arrays z.b. kundenspezifisch optimierte Mikrofonkonfigurationen für Windtunnel- oder Vorbeifahrtsmessungen wir empfehlen 96 / 120 / 144 / 213 Kanäle (144 Kanäle siehe unten) Kartierung von zwei Punktschallquellen gemessen mit 144 Kanal-Spiral-Array 20 cm getrennt mit 17 db Dynamik, berechnete Punkte in der Karte

31 Faro Focus 3D 3D Lasercansystem Faro Focus 3D Arbeitsbereich Radiale Auflösung Laterale Auflösung Gewicht ca. Arbeitstemperaturen Scangeschwindigkeit m 2mm degree 5kg 5 to 40 Celsius Bis zu b/s

32 Faro Focus 3D Anwendungsbeispiele: Rückseite des GFaI-Gebäudes Zionskirche

33 ANWENDUNGEN DER AKUSTISCHEN KAMERA

34 Anwendungen von A bis Z Automobilindustrie Bahnindustrie Konsumgüter Luftfahrt Musikinstrumenten- Design Raum- u. Bauakustik Umweltakustik Zoologische Anwendungen Jedes hörbare Geräusch kann aufgenommen, dargestellt und analysiert werden. Produkte können nach Gesichtspunkten der Geräuschreduktion, des Sounddesigns und des Qualitätsmanagements modifiziert und optimiert werden.

35 Typische Anwendungen BSR Quietschen, Knack und Knarz Fahrzeug-Optimierung und QM an VW Tiguan Schiebedach - Knacken Unter Sitz - Knarzen

36 Typische Anwendungen Motorentwicklung Großer Dieselmotor bei Deutz

37 Typische Anwendungen Zündkerzenfeld mit 1000 Bildern/s

38 Typische Anwendungen Großer LIEBHERR Bagger bei Sydney 22m Höhe

39 Typische Anwendungen 2D und 3D Messungen an Windturbinen

40 Typische Anwendungen Kohleförderanlage im Tagebau Welzow

41 Typische Anwendungen Vorbeifahrt Zug

42 Typische Anwendungen Innenraum Messungen einer Flugzeugkabine Dargestellte Frequenzen: Hz:

43 Typische Anwendungen Motorraummessung Fahrzeugoptimierung

44 Typische Anwendungen Elektrische Zahnbürste, Rasierer

45 Typische Anwendungen Elektromotor für Auto-Fensterheber, mit Drehzahl als Referenzsignal

46 Typische Anwendungen Windtunnel-Messungen mit unserem 120-Kanal-Spiral-Array Windtunnel-Messungen mit unserem 36-Kanal-Star-Array

47 Typische Anwendungen Bremsenprüfung mit Frequenzanalyse

48 SCHALLSCHUTZ IM HOCHBAU

49 Beispiele Bauakustik Raum- und Gebäudeakustik Kolosseum in Rom

50 Beispiele Bauakustik Messungen im Stadion von Michigan Jemand schreit; go blue Mehr als Menschen jubeln während der Halbzeitpause des Spiels Michigan vs. Minnesota (28.Okt. 2007) > Am lautesten ist der Studentenblock

51 Beispiele Bauakustik Messungen in einem Büro weißes Rauschen außerhalb 3D-Foto mit berechneten Punkten Fenster angekippt Fenster geschlossen nur A-bewertet Akustisches Foto mit 9dB Dynamik, Spitzenpegel: 24.5 dba Akustisches Foto mit 9dB Dynamik, Spitzenpegel: 53 dba

52 Beispiele Bauakustik Messung an einer Fußgängerbrücke in Hamburg Lokalisierung lauter Knackgeräusche Umgebendes Wohngebiet Beschwerden der Anwohner

53 Beispiele Bauakustik Messung an einer Fußgängerbrücke in Hamburg

54 Beispiele Bauakustik Zunächst Übersichtsmessung Messposition sukzessiv anpassen Genaue Lokalisierung des Schall- Ursprungs

55 Beispiele Bauakustik Lärmbelastung durch Wärmepumpen Wärmepumpen unterhalb eines Bürogebäudes Hoher Lärmeintrag bei laufenden Pumpen

56 Beispiele Bauakustik Lärmbelastung durch Wärmepumpen Messung an Emittenten Schallemission verringern Messung in den Bürogebäuden Dämmung optimieren

57 Beispiele Bauakustik Lärmbelastung durch Wärmepumpen Erstellung eines 3D-Modells Dreidimensionale Kartierung der Messergebnisse Hotspot im Eckbereich des Raumes Konstruktionsfehler detektiert

58 Beispiele Bauakustik Akustische Optimierung von Altbaufenstern Austausch von Altbaufenstern mit akustisch optimierten Fenstern Messung zusammen mit Akustikbüro Moll zur Verifizierung der Verbesserung

59 Beispiele Bauakustik Akustische Optimierung von Altbaufenstern Vergleich der Messungen vorher nachher Frequenzabhängige Pegelverbesserung

60 Beispiele Bauakustik Akustische Optimierung von Altbaufenstern Vorher/nachher-Messung im Vergleich mit Akustischem Bild

61 SPL max. (dba) Beispiele Bauakustik Akustische Optimierung von Altbaufenstern Vergleich der unterschiedlichen Pegel Genaue Lokalisierung der Schwachstellen Fenster 1 Vorher nachher zusätzdichtung Geschäumt Fenster1 P2