Akustische Geschwindigkeitsmessung

Gelegentlich wurde im Internet schon von Versuchen berichtet, die Geschwindigkeit akustisch, durch Auswertung des Fluggeräusches zu messen. Es gibt auch tatsächlich schon einige erfolgreiche Anwendungen. Leider blieb diese geniale Methode bisher einigen Spezialisten vorbehalten und konnte sich nicht in der Breite durchsetzen. Dabei ist das Prinzip so einfach, dass es heute wirklich jeder machen kann.

In diesem Beitrag möchte ich diese Methode der Geschwindigkeitsmessung so aufbereiten, dass es wirklich jeder (der einen PC hat) auch durchführen kann. Vorkenntnisse werden nicht benötigt, außer dass man seinen PC einigermaßen bedienen können sollte.


Möglichkeiten der akustischen Geschwindigkeitsmessung:

einziger Nachteil:


Funktionsprinzip:

Tiefgreifende technische Erklärungen zum Dopplereffekt gibt es im Internet genug. Daher beschränke ich mich hier auf das Wesentliche um die Messung der Fluggeschwindigkeit zu ermöglichen:

Ein Flugobjekt wird z.B. mit einem Camcorder oder einem Kassettenrekorder im Vorbeiflug aufgenommen. Wie jeder weiß, ist das Fluggeräusch des anfliegenden Flugzeugs höher und das des wegfliegenden tiefer (Dopplereffekt). Das hohe und das tiefe Fluggeräusch wird im PC mit geeigneter Software ausgewertet und die Fluggeschwindigkeit bestimmt.


Voraussetzungen:

Was benötigt man zur Geschwindigkeitsmessung:

  1. PC mit Soundkarte
  2. Camcorder oder Kassettenrekorder mit Mikrofon
  3. Software zur Auswertung des Fluggeräusches (kostenloser Download weiter unten auf dieser Seite)
  4. Einen Taschenrechner zur Berechnung der Geschwindigkeit

Aufnahme eines Flugobjektes:

Mit dem Camcorder oder Kassettenrekorder nimmt man das Flugzeug so auf, dass man sowohl den Anflug als auch dem Abflug aufgezeichnet hat. Die Genauigkeit ist optimal, wenn das Flugzeug direkt auf das Mikrophon zufliegt und direkt davon wegfliegt. In der Praxis reicht ein Überflug über den Platz in der Nähe des Mikrofons. Wer es ganz genau will, legt das Mikrofon in die Wiese und fliegt mit Volldampf darüber hinweg.

Am besten macht man mehrere Aufnahmen. Zuhause wählt man dann die beste aus. Ein Camcorder hat den Vorteil, dass man auch gleich sehen kann um welches Flugmodell es sich handelt. Bei einem Kassettenrekorder muss man sich den Zählerstand aufschreiben.


Übertragung der Aufnahme in den PC:

Nun hat man also ein paar Flugmodelle in seinem Camcorder. Wie kommt nun der verflixte Ton in den PC ?

Ganz einfach, mit der Soundkarte. Jede Soundkarte hat einen Eingang, der mit LINE-IN bezeichnet ist. Jeder Camcorder hat einen Audio-Ausgang. Nun gilt es diese beiden zu verbinden. Wer die benötigten Stecker nicht hat, bekommt diese in jedem Elektro-Markt.

Hat man die Kabelverbindung erstellt, so öffnet man das Windows Programm "Audiorecorder". Dieses befindet sich in der Programmgruppe "Zubehör", erreichbar über den "Start" Button links unten. Nun spult man den Camcorder an die Stelle, wo die gewünschte Aufnahme beginnt (oder besser ein paar Sekunden davor). Dann klickt man im "Audiorecorder" den roten REC Knopf und drückt am Camcorder die Play Taste. Jetzt läuft die Aufnahme. Nach ein paar Sekunden ist der Überflug vorbei und man kann den "Audiorecorder" wieder anhalten. Die Aufnahme ist jetzt im PC. Wer einen Lautsprecher an der Soundkarte angeschlossen hat (sehr zu empfehlen !) kann jetzt auf Abspielen klicken und die Aufnahme anhören.

Jetzt aber nicht vergessen das ganze abzuspeichern mit "Datei" - "Speichern unter". Als Dateiname kann man z.B. den Namen des Flugmodells oder des Piloten eingeben.


Auswertung der Fluggeräusche:

Diesen relativ komplizierten Job überlassen wir doch lieber unserem PC. Es gibt dazu ein paar recht gute Programme, von denen ich eines ausgewählt habe. Es heißt "Gram" und wurde von R.S.Horne geschrieben. Eigentlich dient es ja zu einem anderen Zweck, ist jedoch für unsere Aufgabe bestens geeignet. Dieses Programm kann man HIER LADEN.

Nach dem Laden und Entpacken der ZIP Datei, erhält man ein Programm "gram.exe". Dieses startet man, worauf sich ein Fenster öffnet. Bei den ersten beiden Fragen nach Lizenznummern usw. klickt man einfach auf OK.

Als nächstes wählt man "Function" - "F1 Analyse File" oder drückt gleich die F1-Taste.  Es öffnet sich ein Bild in welchem man die Datei auswählt, welche man zuvor im "Audiorecoder" abgespeichert hat. Danach geht ein neuer Dialog auf, wo man aber nur einfach auf OK klickt.

Jetzt beginnt die Zauberei: Aus der Tondatei mit den Fluggeräuschen wird ein Bild mit bunten, hauptsächlich blauen, Linien. Diese Linien zeigen die Tonfrequenzen des Flugmodells, im Wesentlichen des Motors, und werden jetzt zur Bestimmung der Geschwindigkeit herangezogen. (Liebe Seglerfreunde, Eure Flugmodelle sind einfach zu leise und können leider nicht gemessen werden, es sein denn, ihr hängt einen Piepser an Euer Modell).

Den Umgang mit dem Programm "Gram" kann man zuhause in aller Ruhe ausprobieren. Hier ein detailliert beschriebenes Beispiel anhand der Geschwindigkeitsmessung eines Tiger Scale-Hubschraubers => BEISPIEL.


Übungsdateien:

Hier gibt es noch ein Zip Archiv mit drei aufgenommenen Geräuschen: DOWNLOAD.

Versuche, die Geschwindigkeiten jetzt selbst zu ermitteln.

Lösung:
stefan_e.wav ... Eigenbau E-Heli mit 30 Zellen von Stefan Plöchinger im Vorbeiflug: 85 km/h
stefan_v.wav ... Raptor 60 im schnellen Vorbeiflug: 110 km/h
flaeche.wav ... kleiner Tiefdecker unbekannter Bauart mit 7,5 ccm Motor: 118 km/h

und noch weitere Messdateien:

mille2.wav ... Millennium in voller Fahrt, mit ca. 105 km/h
hubi.wav ... echter ADAC Hubschrauber. Schwierig zu Messen, aber es geht: ca. 260 km/h


Hintergrundinformationen:

Nur für technisch Interessierte, hier ein paar Details:

Grundlage für diese Messmethode ist der Dopplereffekt. Die Schallgeschwindigkeit ist ca. 340 m/s (temperaturabhängig). Wenn das Modell auf uns zufliegt, so werden die Schallwellen gestaucht und das Motorgeräusch hört sich hoch an. Fliegt das Modell weg, so werden die Schallwellen scheinbar auseinandergezogen und das Motorgeräusch hört sich tief an. Jeder kennt diesen Effekt.

Die Problematik ist nun, wie kann man aus diesem wilden Gemisch aus verschiedenen Geräuschen irgendetwas erkennen. Einfach wäre es, wenn der Motor nur eine einzige Frequenz erzeugen würde, dann wäre die Auswertung ein Kinderspiel. Aber leider hört sich der Ton ziemlich chaotisch an, wie kann man da nur was erkennen ?
Die Lösung macht uns unser Ohr perfekt vor. Selbst bei lautesten Nebengeräuschen können wir den Motor noch gut heraushören und dessen Tonfrequenzen erkennen. Das Ohr ist in dieser Hinsicht absolut unschlagbar.

Im Computer machen wir es ganz ähnlich wie das Ohr. Wir zerlegen das aufgenommene Geräusch in einzelne Frequenzen und stellen diese als farbiges Liniendiagramm dar. So kann man noch sehr gut einzelne Frequenzen herauslesen und zur Bewertung verwenden.

Programme oder Geräte die eine Gemisch von Tönen in die einzelnen Frequenzen zerlegen können, nennt man Spektrum-Analysatoren. Seit einiger Zeit gibt es solche Programme auch für die Soundkarte unserer PCs und eröffnen uns damit ganz neue Möglichkeiten.

Das Programm "Gram" macht also nichts anderes, als das wilde Tongemisch sauber sortiert als bunte Grafik auf den Bildschirm zu zeichnen. Außerdem erlaubt es uns auch noch, einen bestimmten Bereich herauszu-zoomen um die Darstellung optimal übersichtlich zu machen.

Zur Geschwindigkeitsmessung reicht es, wenn man irgendeine Frequenz erkennt, und deren Anflug- und Wegflugwert abliest. Diese Frequenzen werden als waagrechte Linien dargestellt. Da beim Vorbeiflug die Frequenz abnimmt, sinkt auch die Linie ab. Genau das ermitteln wir im Bild. Man kann dazu im Prinzip jede beliebige gut erkennbare Linie nehmen. Je höher eine erkennbare Linie ist, umso genauer wird aber das Ergebnis.

Hat man schließlich die beiden zusammengehörenden Frequenzwerte abgelesen, so errechnet man mit folgender Formel die Geschwindigkeit:

v = vs*(f1-f2)/(f1+f2)

dabei ist:
v ... Geschwindigkeit des Modells
vs ... Schallgeschwindigkeit (temperaturabhängig, aber 340 m/s ist ein brauchbarer Mittelwert)
f1 ... höhere, im Diagramm abgelesene Frequenz
f2 ... tiefere, im Diagramm abgelesene Frequenz