Leben retten mit KI‑verbesserter Geräuschunterdrückung

KI kann vieles leisten. Heute sind wir sich ihrer Fähigkeiten und ihres Potenzials weitgehend bewusst. Trotzdem fühlen wir uns amüsiert, wenn wir von der Rettung von Menschenleben durch KI‑verbesserte Geräuschunterdrückung hören! Allerdings ist das kein reines Vorstellungs‑ oder spekulatives Szenario mehr. Die neuesten Forschungen zeigen ein neuartiges KI‑basiertes Geräuschunterdrückungssystem für effiziente Opfererkennung durch UAVs. Das System erweist sich insbesondere bei Naturkatastrophen als nützlich. 

KI‑verbesserte Geräuschunterdrückung: Steigerung des Wertangebots von UAVs

Unbemannte Luftfahrzeuge haben ihren Wert bewiesen, indem sie Ergebnisse bei Such‑ und Rettungsmissionen zeigten, die nach großflächigen Naturkatastrophen wie Erdbeben kritisch und schwer effizient durchzuführen sind. In der Folge solcher Katastrophen ist eines der offensichtlichsten Nachwirkungen eines Erdbebens das enorme Trümmeraufkommen. 

Allerdings erzeugen UAVs mit ihren Propellern eine beträchtliche Menge an Schall. Dieser Schall, oft als Lärm wahrgenommen, übertönt leider menschliche Geräusche, die möglicherweise aus dem Trümmerinneren um Hilfe rufen. Um dieses Problem zu lösen, hilft die hier diskutierte wissenschaftliche Innovation, den UAV‑Lärm effektiv zu unterdrücken und menschliche Geräusche zu verstärken. Das Fundament dieser Lösung ist ein äußerst leistungsfähiges KI‑Modell, bekannt als GANs oder Generative Adversarial Networks. 

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Wie funktionieren GANs?

Das KI‑Modell, das GANs verwenden, kann eine Vielzahl von Datentypen präzise erlernen. Diese Eigenschaft des Modells wurde von den Forschern/Entwicklern genutzt, um die verschiedenen Arten von UAV‑Propellerschalldaten genau zu lernen. 

Nachdem es diese Geräusche gelernt hat, kann das erlernte Modell ein ähnliches Geräusch wie das der UAV‑Propeller erzeugen. Dieses Geräusch wurde als Pseudo‑UAV‑Geräusch bezeichnet. 

Die endgültige Lösung bestand darin, dieses Pseudo‑UAV‑Geräusch vom tatsächlichen, von den Bordmikrofonen des UAV aufgenommenen Schall abzuziehen. Das Ergebnis war, dass der Bediener die menschlichen Geräusche aus der Umgebung klar und korrekt hörte und erkannte.  

Die Technik und ihr Entwicklungsmechanismus erhielten viel Lob von der wissenschaftlichen Gemeinschaft. Sie bot mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Geräuschunterdrückungssystemen. 

Zum Beispiel konnte sie UAV‑Lärm in einem engen Frequenzbereich deutlich genauer und effizient unterdrücken. Außerdem erwies sie sich als flexibel genug, um sich in Echtzeit an Schwankungen des UAV‑Lärms anzupassen. 

Darüber hinaus zeigte die Testung der Lösung beeindruckende Ergebnisse, da sie die Lautstärke menschlicher Geräusche erheblich steigern konnte. Während die Vorteile der neuen Lösung zusammengefasst werden und warum sie ein Segen für zukünftige Such‑ und Rettungsmissionen sein könnte, hat Professor Chinthaka Premachandra vom Fachbereich Elektronikingenieurwesen der School of Engineering am Shibaura Institute of Technology Folgendes zu sagen: 

“Die Unterdrückung des UAV‑Propellergeräuschs aus der Klangmischung bei gleichzeitiger Verbesserung der Hörbarkeit menschlicher Stimmen stellt ein gewaltiges Forschungsproblem dar. Die variable Intensität des UAV‑Lärms, die sich bei unterschiedlichen Flugbewegungen unvorhersehbar ändert, erschwert die Entwicklung eines Signalverarbeitungsfilters, der UAV‑Geräusche effektiv aus der Mischung entfernen kann. Unser System nutzt KI, um Propellerschall effektiv zu erkennen und diese Probleme zu lösen.”

Im Bereich der Geräuschunterdrückung wurde umfangreiche Forschung betrieben. Eine der bemerkenswertesten Studien stammt von der Loughborough University. Das dort entwickelte System namens Sonobex adressiert die Gesundheitsrisiken, die Umweltlärm für uns darstellt, einschließlich Tinnitus und Hörverlust, niedrigem Blutdruck und kardiovaskulären Erkrankungen. Es führt zudem zu kognitiven Beeinträchtigungen bei Kindern und stört unseren Schlaf, unser geistiges und soziales Wohlbefinden. 

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Sonobex: Geräuschunterdrückende Strukturen für städtische Umgebungen

Sonobex adressiert eine der Kernherausforderungen, denen die meisten umweltgeräuschunterdrückenden Lösungen gegenüberstehen: wie man reduziert, ohne den freien Luft‑ und Lichtfluss im Raum zu verhindern. Die Forschung untersuchte akustische Metamaterialien, insbesondere Schallkristalle, um effiziente Lärmschutzwände zu schaffen, indem sie in Reihen zylindrischer Stäbe angeordnet werden. 

Die Forscher erkannten, dass es möglich war, den Frequenzbereich des blockierten Schalls mit dieser Methode zu variieren. Diese Erkenntnis erweiterte die Anwendbarkeit der Lösung. Die Schallschutzwände könnten im Bauwesen, in der Industrie, im Transport und in der Energieerzeugung eingesetzt werden.

Da der Abstand einstellbar war, konnte genügend Raum zwischen den beiden Barrieren gelassen werden, um den Luft‑ und Lichtfluss zu ermöglichen. Der Durchfluss ermöglichte zudem die Luftkühlung der Geräte.

Oft stellen architektonische Lösungen ein Hindernis für die Erreichung ästhetischer Überlegenheit dar. Diese Lösung ist davon befreit, da sie aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden kann. 

Die Architekten konnten verschiedene Optionen erkunden. Beispielsweise könnte der Lärmschutz als Fensterabdeckung verwendet werden. Dies stellte einen bedeutenden Mehrwert dar, da Windlasten bei herkömmlichen massiven Lärmschutzwänden häufig Probleme verursachten. Diese erforderten beträchtliche Stützstrukturen. Die Lücken in diesem System und der Faktor der Winddurchlässigkeit halfen, dieses Problem zu verringern. 

Die Lösung bewies ihren Wert über das Labor hinaus, indem sie funktional, kostengünstig, umweltfreundlich und für die Gesundheit und das Wohlbefinden geeignet wurde. 

Tatsächlich erhielt Sonobex während seiner Innovationslaufzeit zahlreiche Auszeichnungen. Es erhielt Forschungsmittel von der East Midlands Development Agency, dem Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), Innovate UK und der Royal Academy of Engineering.

Die Praktikabilität der Innovation für den realen Einsatz wurde deutlich, als im Januar 2017 das niederländische Ingenieur‑ und Fertigungsunternehmen Merford sie erwarb. Zur Stärkung der Glaubwürdigkeit des Produkts erhielt Sonobex die ISO‑9001:2005‑Zertifizierung für Qualitätssicherung, was seine Marktposition weiter festigte. Als Beweis für die wachsende Akzeptanz und Wirksamkeit finden Sonobex’ NoiseTrap‑Akustikpaneele inzwischen vermehrt Einsatz an verschiedenen Standorten in ganz Europa.

Laut Joost Vertooren, dem Director of Corporate Development, Merford:

“Sonobex bot genau das, was Merford – mit über sechzig Jahren Erfahrung in der Lärmkontrolle – suchte.”

Unternehmen wie Merford, die im Bereich Klang‑ und Lärmminderung tätig sind, suchen kontinuierlich nach Lösungen wie Sonobex. Nun werfen wir einen Blick auf solche von Unternehmen geführten Geräuschunterdrückungs‑ und -annullierungsprodukte in den kommenden Segmenten. 

#1. ThinkLabs’ ThinkBox: Ein Stethoskop, das in der lautesten Umgebung Geräusche hören kann 

Stethoskope sind entscheidend, um einen Patienten zur richtigen Zeit auf die effizienteste Weise hinsichtlich Zeit und Ressourcen zu diagnostizieren. In lauten Umgebungen, beispielsweise in einem provisorischen Behandlungszentrum an einem Schlachtfeld oder in einem Flugzeug, wird es jedoch für den Mediziner schwierig, die körpereigenen Geräusche des Patienten zu hören. 

ThinkLabs, ein bekannter Hersteller von Stethoskopen, löste dieses Problem indem sie die Stethoskoptechnologie auf hochentwickelte Weise neu nutzten. Das Gerät verfügt unter anderem über eine Filtertechnologie, die fünf verschiedene Filter beinhaltet. Es kann bestimmte Geräusche effizient herausfiltern und nur das, was gehört werden muss, durchlassen. 

Laut Charles Harding, einem an dem Projekt beteiligten biomedizinischen Ingenieur: 

“Von den fünf Filtern gibt es zwei Herzfilter, die ausschließlich Herzgeräusche isolieren; zwei Lungenfilter, die die Ein‑ und Ausatmungsgeräusche anvisieren; und einen Breitbandfilter, der medizinischen Teams ermöglicht, Geräusche für Zweitmeinungsdiagnosen sowie Schulungen aufzuzeichnen.”

Der Breitbandfilter dient drei Zwecken: Telemedizin, Teleüberwachung und Telementoring. Durch das Stethoskop ist es möglich, das Geräusch aufzunehmen und an einen anderen Mediziner zu senden, um dessen Unterstützung oder Rat zu erhalten. Das Gerät unterstützt die Luftfahrtmediziner des Verteidigungsministeriums dabei, verletzte Soldaten effektiver zu behandeln. Thinklabs hat seinen Sitz in Centennial, Colorado, USA, und ist ein privates Unternehmen, das 1991 von Clive Smith gegründet wurde. Der geschätzte Jahresumsatz des Unternehmens liegt bei etwa US$16 Millionen.

#2. Qualcomm proprietäre Echo‑Unterdrückungs‑ und Geräuschunterdrückungstechnologie

Qualcomms cVc Echo‑Canceling‑ und Geräuschunterdrückungstechnologie erweist sich bei Sprachgesprächen mit einem Bluetooth‑Stereo‑Headset oder Ohrhörern als wirksam. Sie überträgt kristallklare Stimme mittels ihrer Clear Voice Capture (CVC)‑Technologie, indem sie Umgebungsgeräusche, Straßengeräusche und von Personen in der Nähe erzeugte Geräusche unterdrückt. 

Qualcomms cVc‑Technologie ist ein Bündel von Algorithmen, die im Sende‑ und Empfangspfad von Sprachgesprächen arbeiten und eine optimale Sprachqualität unabhängig vom Standort des Empfängers liefern. Ihre Echo‑Unterdrückungsfunktion sorgt dafür, dass das akustische Echo reduziert wird, was zu einer natürlicheren Zweirichtungs‑Konversation führt.

Die Lösung gewährleistet zudem eine gleichbleibende Sprachqualität und überwindet die Herausforderungen von Paketverlusten und Bit‑Fehler‑Verdeckung. Sie stellt sicher, dass eine beeinträchtigte RF‑Verbindung die Sprachqualität nicht beeinträchtigt. Weitere Funktionen, die das Nutzererlebnis verbessern, umfassen automatische Verstärkungsregelungen, Sende‑/Empfangs‑Equalizer, Komfortgeräuscheigenschaften, Heul‑Kontrolle, nichtlineare Verarbeitung, adaptive Equalizer, Mischungen von Hilfsstreams, frequenzverbesserte Sprachintegrationsfähigkeit und vieles mehr.

Laut den neuesten verfügbaren Finanzdaten erzielte Qualcomm (QCOM )  US$9,9 Milliarden an GAAP‑Umsatz im Quartal, das am 24. Dezember 2023 endete. Das GAAP‑EPS lag bei US$2,46.

#3. Silentiums aktive Geräuschkontrolltechnologie (ANC) 

Silentium ist als High‑End‑Innovator im Bereich der Forschung zu aktiver Geräuschunterdrückung bekannt. Seine Lösungen können bis zu 90 % eines Geräuschs eliminieren, unabhängig von dessen Quelle, sei es ein Dunstabzugshaube, ein Lüftungssystem, ein Motor oder ein lauter Zug. 

Die von Silentium entwickelte Active Noise Control‑Technologie ist eine disruptive Lösung für das Klangmanagement. Ihre Algorithmen können Änderungen im Geräuschspektrum in Echtzeit adaptiv verfolgen.

Die endgültige Lösung ist klein, kostengünstig und hochwirksam bei Nieder‑/Mittel‑Frequenz‑Lärm. Sie ermöglicht erfolgreiche kommerzielle Anwendungen in vielen Bereichen, darunter Zuhause, Büro und industrielle Arbeitsplätze. Sie kann den Bedürfnissen sowohl der Automobil- als auch der Transportindustrie gerecht werden.

Die Lösung ist in ihrem Bereitstellungsmechanismus einzigartig, da sie den aktiven Lärm entweder an der Quelle reduzieren oder persönliche Ruhezonen schaffen kann. Diese Zonen werden Quiet‑Bubbles genannt.

Nach den neuesten verfügbaren Informationen skaliert Silentium kontinuierlich die Entwicklung und den Roll‑out seiner Active Acoustics‑Software.

Das Unternehmen schloss seine Series‑D‑Finanzierungsrunde mit insgesamt rund US$63 Millionen ab. Davon kamen US$20 Millionen im Rahmen der erweiterten Series‑D‑Runde, die von Menora Mivtachmin und Meitav Dash geleitet wurde.

Der globale Elektronikkonzern Molex war ebenfalls einer der beteiligten Investoren. Während er über den Investitionszufluss sprach, sagte Yoel Noar, der CEO von Silentium:

“Wir begrüßen neue Partner, die dieselbe Leidenschaft für Akustik teilen und den Wert darin sehen, Privatsphäre und Wohlbefinden durch persönliche Klangräume zu verbessern. Mit dieser neuen Investition werden wir die Entwicklung und den Roll‑out unserer Active Acoustics‑Softwarelösungen für Fahrzeughersteller und Automobilzulieferer skalieren – insbesondere da sich die NVH‑Anforderungen in der neuen Ära der elektrischen und autonomen Mobilität weiterentwickeln.”

Bekämpfung der Lärmbedrohung

Die Europäische Umweltagentur (EEA) hat Lärmbelästigung als ein großes Problem sowohl für die menschliche Gesundheit als auch für die Umwelt anerkannt. Der Bericht der EEA über Umweltlärm zeigt, dass zwanzig Prozent der europäischen Bevölkerung langfristigen Lärmpegeln ausgesetzt sind, die ihrer Gesundheit schaden. 

Das entspricht mehr als 100 Millionen Menschen auf dem Kontinent. Der Bericht besagt, dass langfristige Lärmbelastung zu einer Reihe von gesundheitlichen Auswirkungen führen kann, einschließlich negativer Effekte auf das kardiovaskuläre und metabolische System. 

Nach Schätzungen ist Umweltlärm für jährlich 48.000 neue Fälle von ischämischer Herzkrankheit sowie 12.000 vorzeitige Todesfälle verantwortlich. Er führt außerdem dazu, dass bis zu 22 Millionen Menschen unter chronischer starker Belästigung leiden und weitere 6,5 Millionen unter chronischer starker Schlafstörung. Es ist erstaunlich, dass 12.500 Schulkinder aufgrund von Fluglärm Leseschwierigkeiten in der Schule haben. 

Laut Studien der Weltgesundheitsorganisation ist Lärm die zweithäufigste umweltbedingte Ursache für Gesundheitsprobleme, knapp hinter der Luftverschmutzung. 

Den Schutz unserer Bevölkerung vor den schädlichen Auswirkungen von Lärmbelästigung zu gewährleisten, ist eine Notwendigkeit, die wir nicht vernachlässigen dürfen. Es besteht ein dringender Bedarf, die Forschung zur Lärmunterdrückung zu stärken, indem Synergien mit anderen sich entwickelnden Technologietrends wie KI geschaffen werden. Die gute Nachricht ist, dass bereits erhebliche Anstrengungen in diese Richtung unternommen werden.