Automatisierte Analyse von Industriegeräuschen

Druckluft ist für viele deutsche Industrie- und Handwerksbetriebe eine unerlässliche Ressource zum Betreiben von Maschinen und Anlagen. Gleichzeitig stellt sie aber auch einen hohen Kostenfaktor auf der Stromrechnung dar. Unternehmen verschwenden durchschnittlich 30 Prozent der erzeugten Energie aufgrund der unbemerkten Entweichung von teurer Druckluft. Zur Erkennung solcher Leckagen setzt man unter anderem auf Prüfverfahren mittels Ultraschall sowie auf das bloße Gehör von geschultem Personal.

Das Fraunhofer IDMT hat nun in einem Experiment getestet, ob sich dieses »Hören« automatisieren und unter Verwendung von Mikrofonen in Kombination mit maschinellen Lernverfahren nachbilden lässt, um ein zuverlässiges System zur Leckagendetektion zu entwickeln. Erste Ergebnisse zeigen, dass dies generell möglich ist.

Anhand eines für den Forschungseinsatz modifizierten Air-Hockey Tischs wird an neuartigen Verfahren zur akustischen Qualitätssicherung im industriellen Kontext gearbeitet. Hier kommen Pucks zum Einsatz, die aus verschiedenen Materialien gefertigt sind und unterschiedliche, aber sehr charakteristische »Pling«-Geräusche verursachen, sobald sie an die Bande des Spielgeräts treffen. Während des Spiels treten diese akustischen Signale so häufig und unregelmäßig auf, dass sie zur Analyse mittels maschineller Lernverfahren genutzt werden können, um eine zuverlässige Aussage über das Material zu treffen, aus dem die Pucks gefertigt sind.

Eingesetzt werden kann dieses berührungslose Verfahren, bei dem das Fraunhofer IDMT seine langjährige Expertise in den Bereichen akustische Messtechnik, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen kombiniert, unter anderem zur Erkennung von Materialfehlern oder in der In-Line Überwachung von Schweißprozessen. Werden akustisch wahrnehmbare Fehler bereits im Prozess festgestellt, kann dieser abgebrochen und zeitnah neu gestartet werden. Das akustische Prüfverfahren des Fraunhofer IDMT ist zudem zerstörungsfrei und dient somit der Reduzierung von teurem Prüfschrott.

Drei unterschiedlich beschichtete Kugeln rollen in zufälliger Reihenfolge durch das Kugelbahnsystem. Die Bewegungsgeräusche der Kugeln werden von kleinen Mikrofonen aufgenommen und durch maschinelle Lernalgorithmen analysiert. Auf diese Weise werden die Kugeln in Echtzeit überwacht und anhand ihres spezifischen Rollgeräusches identifiziert. Das Analyseergebnis - die Reihenfolge der Ankunft - wird sofort grafisch auf einem Display dargestellt. Das Institut zeigt mit diesem Prinzip-Demonstrator neue akustische Verfahren zur Qualitätssicherung – berührungslos, zerstörungsfrei und sicher integriert.

Im Rahmen der Qualitätsprüfung durchlaufen die gezeigten Drehteile üblicherweise eine 100 % visuelle Endkontrolle. Geprüft wird auf feinste Haarrisse, die optisch kaum erkennbar sind, jedoch auf einen Qualitätsmangel hindeuten. In einem Experiment hat das Fraunhofer IDMT untersucht, inwieweit Haarrisse mittels Luftschallanalyse mit KI automatisiert detektiert werden können. Als Prüfschritt in der Endkontrolle wurde der Aufprall eines Drehteils auf eine Platte aufgenommen und entsprechend den Klassen »i.O.« und »n.i.O« zugeordnet. Dabei stellten sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den Fragestellungen, ob die Klangspektren des Aufpralls eine Unterscheidung in Gut- und Fehlteile zulassen, welche Parameter diese Klangspektren beeinflussen (bspw. Fallhöhe oder Material der Platte) und welche Mikrofonpositionen sich am besten für die Aufnahmen und zur späteren Analyse eignen. Erste Ergebnisse zeigten, dass es generell möglich ist, die Drehteile anhand des Aufprallgeräusches in zwei Klassen zu unterscheiden.

Industrielle Audiodatensätze

[Englisch]

• IDMT-ISA-Electric-Engine
  An audio database for the automatic analysis of operational states of electric enginges
• IDMT-ISA-Metal-Balls
  An audio database for the automatic surface detection of metal balls
• IDMT-ISA-Tubes
  An audio database for the automatic detection of bulk materials
• IDMT-ISA-Pucks
  An audio database for the automatic detection of air-hockey pucks of different plastic materials