Was ist Strahlformung und warum kann sie von akustischen Bildgebungskameras so gut genutzt werden?
Die Strahlformung ist eine Technik, die im Allgemeinen bei der Signalverarbeitung und von akustischen Kameras verwendet wird, um bestimmte Schallquellen wie Druckluftlecks und Teilentladungen (PD) zu erkennen. Dennoch hängt die Wirksamkeit dieser Methode von verschiedenen Faktoren ab und nicht alle Kamerahersteller setzen sie gleich gut ein. In diesem Artikel geben wir einen Überblick darüber, wie die fortschrittlichsten Geräte die Strahlformung für optimale Ergebnisse nutzen.
Strahlformung einfach erklärt
Das grundlegende Prinzip der Strahlformung dreht sich um Wellenenergie, die mechanisch (Wasserwellen) oder elektromagnetisch (Schallwellen, die durch die Luft wandern) sein kann. Bei dieser Methode werden Wellen mit einem bestimmten Signal übertragen und auf einen Empfänger gerichtet, anstatt zu erlauben, dass sich das Signal in alle Richtungen ausbreitet. Trotz ihrer Einfachheit ist die Strahlformung kein neues Konzept. Sie wurde ursprünglich von französischen Truppen während des Ersten Weltkriegs verwendet, um ein Gerät zu entwickeln, das sich nähernde Flugzeuge akustisch orten konnte. Später wurde die Strahlformung für Funkantennen verfeinert, um ihre Signale in eine Richtung zu fokussieren und ihre Stärke im Vergleich zu anderen Geräuschen zu verbessern.
Akustische Kameras verwenden die Technik, indem sie sie invertieren; sie verstärken die Tonsignale, die aus einer gewünschten Richtung ankommen, und minimieren Geräusche aus anderen Richtungen, die oft als Hintergrundgeräusche betrachtet werden. Diese Methode wird als Strahlformung bezeichnet und zur Verarbeitung von Mikrofon-Array-Daten verwendet, um visuelle Darstellungen der Verteilung der akustischen Quellenstärke zu erzeugen. Robert Dougherty definierte in seinem Tagungsbericht „What is Beamforming?“ von 2008 die aeroakustische Strahlformung als diese Verarbeitungsmethode.
Die Lokalisierung von Schallquellen mithilfe einer Akustikkamera basiert auf dem Prinzip, dass Schallwellen oder Signale zu leicht unterschiedlichen Zeiten verschiedene Mikrofone im Array der Kamera erreichen. Wenn die Schallquelle stationär bleibt, wird sie immer aus einem bestimmten Winkel relativ zur Kamera ausgegeben, wodurch das Signal bestimmte Mikrofone vor anderen erreicht. Die übrigen Mikrofone im Array empfangen eine verzögerte Version des Tonsignals. Durch Addieren dieser Verzögerungen wird es möglich, die genaue Position der Schallquelle exakt zu berechnen und zu bestimmen.
Durch die Verbesserung der Geräuschrobustheit des Mikrofon-Arrays ermöglicht die Strahlformung akustischen Kameras, selbst schwache Geräusche in lauten Umgebungen zu erkennen, wie z. B. die Erkennung kleiner Leckagen in Papier- und Zellstofffabriken. Darüber hinaus ermöglicht die Strahlformung in akustischen Kameras die präzise Lokalisierung von Schallquellen über erhebliche Entfernungen und große Bereiche.
Die Optimierung der Kamera maximiert die Ergebnisse der Strahlformung
Die Optimierung der Leistung einer Akustikkamera umfasst mehrere Schlüsselfaktoren, wie z. B. die Bestimmung der richtigen Anzahl und Platzierung von Mikrofonen im Array und die Gestaltung ihrer Geometrie. Die Rechenleistung des Geräts ist auch ein kritischer Faktor beim Erreichen genauer Strahlformungsergebnisse. Die akustischen Bildgebungskameras von FLIR nutzen fortschrittliche Optimierungsmethoden, um die Strahlformung vollständig zu nutzen, was zu drei signifikanten Vorteilen gegenüber anderen Kameraherstellern führt:
- Weniger Phantomschallquellen: Phantomschallquellen sind Schallquellen, die akustische Kameras unter Verwendung der Strahlformungstechnik anzeigen können, die aber nicht existieren. Je besser eine Kamera optimiert ist, desto geringer sind die Chancen, Phantomschallquellen zu finden.
- Bessere Heatmap-Auflösung: Die akustische Kamera lokalisiert Schallquellen genauer und kann den Schalldruckpegel besser berechnen.
- Verbesserte Empfindlichkeit: Die Kamera erkennt leisere Schallquellen in lauten Umgebungen wie kleine Leckagen oder schwache Teilentladungen.
Wie verbessern Analysen den Prozess?
Sobald eine Akustikkamera die Strahlformungstechnik effektiv implementiert und die Schallquellen genau identifiziert hat, kommen ihre analytischen Fähigkeiten ins Spiel. Akustische FLIR-Bildgebungskameras verwenden Analysen, um unnötige Schallquellen zu eliminieren und wertvolle Daten zu den erfassten Schalldaten bereitzustellen. Bei der Identifizierung von Druckluftlecks sind die Kenntnis der Größe des Lecks und die Schätzung seiner Kosten entscheidende Faktoren bei der Bestimmung des am besten geeigneten Wartungsplans, z. B. ob die Reparatur des Lecks rentabel ist.
Akustische FLIR-Bildgebungskameras verwenden Analysen, um ein PRPD-Muster (Phase-Resolved Partial Discharge) anzuzeigen, das die Teilentladungsaktivität während der Teilentladungserkennung veranschaulicht. Während einige die Art der Teilentladung anhand dieses Musters identifizieren können, verstehen nur wenige die Folgen jedes PD-Typs. Um dieses Problem anzugehen, bieten FLIR-Akustikbildkameras eine begleitende Viewer-Cloud-Software an, um die Art der Teilentladung automatisch zu kategorisieren, ihren Schweregrad basierend auf ihrer Position und Stärke zu bewerten und geeignete Lösungen vorzuschlagen.