Beamforming einfach erklärt: So funktioniert eine Ultraschallkamera zur Leckageortung

Beamforming bedeutet Strahlbündelung. Bei einer Ultraschallkamera wird die Auswertung rechnerisch auf viele Punkte im Raum ausgerichtet, ohne dass Mikrofone oder Kamera mechanisch bewegt werden müssen. Für jeden Bildpunkt wird berechnet, wie ein Schallsignal von dieser Raumrichtung an den einzelnen Mikrofonen eintreffen müsste. 

Dadurch entsteht eine akustische Karte: Punkte, aus deren Richtung die Mikrofonsignale konsistent eintreffen, erhalten einen höheren Pegel. Punkte, aus deren Richtung die Signale nicht zusammenpassen, werden abgeschwächt. Das Ergebnis wird als farbige Heatmap über das Kamerabild gelegt.

Ein einzelnes Mikrofon kann Schalldruck messen, aber nicht eindeutig bestimmen, aus welcher Richtung die Schallquelle kommt. Ein Mikrofonarray nutzt mehrere hochempfindliche digitale MEMS-Mikrofone an bekannten, geometrisch kalibrierten Positionen. Die kompakte UltraCam LD 500/510 arbeitet mit 30 Mikrofonen; die LeakCam 600 nutzt 64 digitale Mikrofone.

Die exakt bekannte Geometrie des Mikrofonarrays bildet die Grundlage für die Auswertung von Laufzeit- und Phasenunterschieden. Die räumliche Anordnung, Anzahl und Ausdehnung der Mikrofone beeinflussen maßgeblich die Richtungsauflösung und damit die Genauigkeit der Schallquellenlokalisierung.

Standard-Beamforming: Mikrofonarray, Signalverarbeitung, Filterung und Berechnung der akustischen Karte.

Für die Berechnung braucht das System feste Randbedingungen: Fokusabstand bzw. Distanz zum Objekt, horizontaler und vertikaler Öffnungswinkel, Field of View und die gewünschte akustische Auflösung. Aus diesen Parametern entsteht ein Raster aus akustischen Bildpunkten.

Der Prozessor berechnet für jeden Pixel der Ultraschallkarte den physikalischen Weg von jedem Mikrofon zu diesem Punkt im Raum. Trifft ein Schallsignal ein, werden die Mikrofonsignale um die berechneten Laufzeitdifferenzen korrigiert. Beim klassischen Delay-and-Sum-Ansatz erfolgt dies im Zeitbereich; beim Power Beamforming der LeakCam wird im Frequenzbereich mit Phasenverschiebungen gearbeitet. Gleichzeitig wird das Signal digital auf das gewählte Zielfrequenzfenster gefiltert.

Nach der Laufzeit- bzw. Phasenkorrektur werden die Signale aller Mikrofonkanäle für den betrachteten Bildpunkt summiert. Kommt der Schall tatsächlich aus dieser Richtung, liegen die Signale phasengleich übereinander und verstärken sich konstruktiv. Kommt der Schall aus einer anderen Richtung, überlagern sich die Signale unpassend und löschen sich teilweise destruktiv aus.

Konstruktive Interferenz: phasenkorrigierte Signale addieren sich und verstärken die reale Schallquelle.	Destruktive Interferenz: Störschall aus anderen Richtungen wird durch die Summierung abgeschwächt.

Für eine flüssige Echtzeitdarstellung berechnet das System akustische Bilder in kurzer Folge. Die Schalldaten werden als farbige Heatmap deckungsgleich über das optische Livebild gelegt. Die Anzeige führt den Anwender direkt zur wahrscheinlichsten Position der Ultraschallquelle.

Vom berechneten Ultraschallbild zur Heatmap: Dynamic Range und Threshold bestimmen, welche Pegel sichtbar dargestellt werden.

Die Darstellung einer Ultraschallkamera lässt sich mit einer Wärmebildkamera vergleichen. Eine Infrarotkamera misst thermische Strahlung und ordnet Temperaturwerte einzelnen Bildpunkten zu. Eine Ultraschallkamera misst frequenzabhängige Schalldruckpegel und ordnet diese akustischen Werte Raumrichtungen bzw. Bildpunkten zu.

In beiden Fällen sieht der Anwender ein optisches Bild mit überlagerter Farbinformation. Bei der Wärmebildkamera zeigt die Farbe Temperaturunterschiede. Bei der Ultraschallkamera zeigt die Farbe die Intensität der berechneten Schallquelle. Die Heatmap ist damit kein Foto der Leckage, sondern eine akustische Lokalisierung, die deckungsgleich über das Videobild gelegt wird.

Analogie: optisches Anlagenbild und thermisches bzw. akustisches Farbbild. Bei Ultraschall steht die Farbe für Schalldruck, nicht für Temperaturunterschiede

Standard Beamforming kann einzelne dominante Schallquellen gut lokalisieren. In der Praxis treten jedoch häufig mehrere Leckagen oder Störquellen mit unterschiedlichen Schalldruckpegeln gleichzeitig auf. Die Dynamik eines Systems bestimmt, wie groß der darstellbare Pegelunterschied zwischen der stärksten und der schwächsten sichtbaren Schallquelle sein kann.

Eine hohe Dynamik verbessert die gleichzeitige Erkennung unterschiedlich lauter Leckagen. Eine niedrig gewählte Darstellungsdynamik kann schwache Quellen stärker hervorheben, verringert jedoch den im Bild sichtbaren Pegelbereich.

Der Power Beamformer der LeakCam 600 ist auf eine hohe räumliche Trennschärfe und die gleichzeitige Darstellung mehrerer Schallquellen ausgelegt. Dadurch können auch schwächere Leckagen neben dominanten Schallquellen sichtbar bleiben und leichter lokalisiert werden.

Vergleich aus dem Webinar: Power Beamforming visualisiert mehrere Leckagen deutlicher als Standard Beamforming.