Forum: Projekte & Code BatDroid: Ultraschall Fledermausrufe Aufnahmesystem und Stereo Bat-Detector mit Android UI


von Michael M. (michael_m44)


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Hallo,

nachdem ich hier im Forum so viele Anregungen bekommen habe, möchte ich 
euch mein BatDroid Projekt vorstellen.
BatDroid ist quelloffenes Aufnahmesystem für Fledermausrufe mit 
Android-Smartphone User Interface und Stereo Mithörmöglichkeit.

Eigenschaften:
- Aufnahmen mit 312.5KHz oder 625KHz Samplerate
- 16 oder 24Bit Auflösung im Wav Format
- Speicherung auf µSD Karte
- Zusätzlichen XML-File pro Aufnahme mit GPS Daten und 
Aufnahmeparametern
- Stereo oder Mono Konfiguration zum Mithören
- Frequenzteiler(FD) oder Heterodyn-Mischer(HD)Verfahren
- Automische Call-Erkennung, Kurzanalyse, automtische Trigger-Modi
- Gesamtes User-Interface über Android Phone (WLAN oder Bluetooth)
- Basierend auf XynergyXS Modul mit STM32 Prozessor und Xilinx Spartan-6 
FPGA
- FreeRTOS auf dem STM32
- Nicht gerade billig, aber mit Optimierungspotenzial und vielen 
Möglichkeiten erweitert oder auch in anderen Bereichen eingesetzt zu 
werden

Alle Details auf http://www.batdroid.de .

Dort findet ihr STM32 Sourcen, VHDL Sourcen, Eagle Sourcen, mechanische 
Hinweise, Löthinweise, Bezugsquellen usw.

Das System ist, wie es vorgestellt wird, voll lauffähig. Ich bin 
allerdings kein Experte in Analog-Technik, DSP, PCB Design, Android 
Programmierung usw. Deshalb bin ich für Hinweise auf Fehler, 
Optimierungsmöglichkeiten, Preisreduktion usw. sehr dankbar. Das Projekt 
ist zeitlich etwas aus dem Ruder gelaufen und ich bin vom Know-How und 
von der Zeit, die ich reinstecken kann, am Anschlag. Vielleicht möchte 
ja jemand mitarbeiten und noch mehr draus machen?

Ansonsten bietet die Webseite zumindest einen netten Source-Code Pool 
von Beispielen im STM32 und Spartan-6 Bereich.

Viele Grüße,

Michael

von Gerd E. (robberknight)


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Das Design erfordert ja eine recht aufwendige Hardware. Das stellt eine 
Hürde für Nachbau und Verkauf dar.

Moderne Smartphones haben viel Rechenleistung zur Verfügung. Hast Du da 
auch mal über folgendes Alternativkonzept Gedanken gemacht: Du sampelst 
mit 16Bit und meinetwegen 312.5KHz und überträgst die Daten per USB 2 
direkt an das Smartphone. Alles weitere decodieren, analysieren, Audio 
zum Mithöhren etc. wird in Software auf dem Smartphone gemacht.

Wenn einem 192K Audio reichen, könnte man auch direkt eine etwas bessere 
Soundkarte verwenden. Dann braucht man zum ersten ausprobieren des 
Systems nur Hardware von der Stange.

: Bearbeitet durch User
von Michael M. (michael_m44)


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Hallo,

Danke für das Feedback!
Ja, an solche Konzepte hatte ich auch gedacht. Sowas kann man in den 
verschiedensten Qualitätsstufen auch schon kaufen Z.B.

http://www.batsound.com/?p=115

Das ist ein durchaus sehr sinnvolles Konzept.

Beim BatDroid wollte ich jedoch die die Echtzeitmöglichkeiten der 
BatDroid HW nutzen (z.B. kann man sehr aufwendige automatische 
Aufnahme-Trigger und Filter mit der Echtzeit-FFT implementieren, oder 
noch digitales Echtzeit-Equalizing zum Ausgleich des 
Mikrofonfrequenzganges machen) und die Rechenleistung des Smartphones 
eher dazu nutzen, ggf. noch eine Analyse der WAV Dateien im Feld auf dem 
Smartphone zu ermöglichen, um eine Artbestimmung durchzuführen. Deshalb 
auch das WLAN Interface, um die relativ großen WAV Dateien in 
vernünftiger Zeit auf das Phone zu bekommen.

Der Analyse Teil ist aber noch nicht implementiert und ich glaube auch 
nicht, dass ich das selbst machen werde. Zuviel Wissenschaft dahinter... 
Dazu gibt es aber vielversprechende Open Source Projekte, z.B. hier:

http://batmobile.blogs.ilrt.org/porting-bat-bioacoustics/

Kommerzialisieren ist übrigens kein Thema für mich. Ich habe mich 
explizit dafür entschieden, das Projekt vollkommen offen zu machen. 
Damit kann man eigene Änderungen machen oder ganz andere Use-Cases mit 
der gleichen Plattform adressieren.

Aber Du hast natürlich Recht. Das Ding ist weder billig noch einfach 
nachzubauen. Ich bin aber überzeugt, dass man bezüglich der Kosten noch 
erhebliche Einsparungen erzielen kann. Ich weiss (aufgrund fehlendes 
Know-Hows oder fehlender Erfahrung) an vielen Stellen einfach nicht, wo 
man vernünftig einsparen kann, ohne die Qualität oder die Funktion 
wesentlich zu reduzieren. Das war bisher noch nicht im Fokus. Aber dafür 
gibt es hier ja sicher Experten...

MfG

Michael

von Gerd E. (robberknight)


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Michael M. schrieb:
> Beim BatDroid wollte ich jedoch die die Echtzeitmöglichkeiten der
> BatDroid HW nutzen (z.B. kann man sehr aufwendige automatische
> Aufnahme-Trigger und Filter mit der Echtzeit-FFT implementieren, oder
> noch digitales Echtzeit-Equalizing zum Ausgleich des
> Mikrofonfrequenzganges machen)

Ist harte Echtzeit hier wirklich notwendig oder was hilft sie? Was ist 
das Problem, wenn ich das runtergesampelte knack-knack-knack um 
meinetwegen 100ms verzögert im Kopfhöhrer habe?

> und die Rechenleistung des Smartphones
> eher dazu nutzen, ggf. noch eine Analyse der WAV Dateien im Feld auf dem
> Smartphone zu ermöglichen, um eine Artbestimmung durchzuführen.

Unterschätze moderne Smartphones nicht. Aktuelle Geräte sind Quadcores 
mit etwas unter 2GHz, 2 GB RAM etc. Die analysieren Dir Deine Samples, 
encoden den Videostream Deiner Nachtsichtkamera in H264 und laden ihn 
bei Youtube hoch - alles gleichzeitig, ohne große Latenz und es bleibt 
noch Rechenleistung übrig... Und die Entwicklug in dem Bereich ist 
rasant, in 2 Jahren sieht das schon wieder ganz anders aus.

Den einzigen Punkt den man sich überlegen muss ist die Sache mit den 
Treibern. Also will man es schaffen, ohne ein gerootetes Telefon mit 
Custom-Kernel und Treibern auszukommen und wenn ja, mit was für einem 
Treiber macht man dann die Datenübertragung.

> Der Analyse Teil ist aber noch nicht implementiert und ich glaube auch
> nicht, dass ich das selbst machen werde. Zuviel Wissenschaft dahinter...

Genau das ist der Punkt: Du suchst Mitstreiter. Doch Leute, die sowohl 
ausreichend gut SMD löten können um Dein Teil nachzubauen, als auch 
Software entwickeln, fit in Mathe und sich mit der Wissenschaft der 
Fledermauserkennung auskennen, sind sehr rar gesäht.

Ich glaube Du hast deutlich bessere Chancen Mitstreiter zu finden wenn 
Du die Hardwareseite vereinfachst.

von Michael M. (michael_m44)


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Wie schon erwähnt: Natürlich ist die direkte Verwendung eines 
Smartphones eine valide Architekturoption. Allerdings hat diese, wie Du 
schon erwähnt hast, auch ihre Tücken und Herausforderungen. Und den 
Analogteil mit Spannungsversorgung, Vorverstärkern, ADCs etc. muss man 
nach wie vor aufbauen und verlagert dan Komplexität in Richtung 
Smartphone. Ob das Gesamtprojekt dann einfacher zu realisieren wäre, 
kann ich momentan nicht abschätzen, aber wer Lust hat, kann das 
natürlich gerne probieren.

Noch eine verlockende Möglichkeit wäre die Verwendung von günstigen 
Standard-SoC-Boards, wie z.B. den Raspberry PI. Auch damit käme man sehr 
weit, insbesondere, wenn man die GPU noch als DSP Co-Prozessor nutzen 
könnte (das scheitert meines Wissens aber daran, dass es keine 
entsprechenden Libraries gibt).

Das wären alles sehr interessante, andere Projektansätze und Projekte, 
die man starten könnte. Ich hatte mich für diese Variante entschieden, 
da sie für mich (mit meinen Mitteln und meinem Know-How) machbar und 
handlebar erschien, was sich ja auch als richtig rausgestellt hat.
Und das sehe ich auch als die Chance: Soweit funktioniert das 
Gesamtsystem vom UI bis zur Gehäusemechanik sehr schön und 
erwartungsgemäß. Damit ist die "Prinzip-Hürde" geschafft, viel Risiko 
aus dem Projekt raus und wenn jemand Lust hat, dann kann er sich für 
eigene Projekte etwas rauspicken oder zu bestimmten Themen in diesem 
Projekt beitragen.

von Herbert (Gast)


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Das wichtigste an dem System ist das Mikrophon und der Verstärker. Wo 
bekommt man ein breitbandiges Mikrophon für den Bereich bis 200kHz.

Beides ist im Schaltplan quasi nicht vorhanden.

von Michael M. (michael_m44)


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Herbert schrieb:
> Beides ist im Schaltplan quasi nicht vorhanden.

Schaust Du hier:
http://www.batdroid.de/project-definition/hardware/pre-amplifier-1

Dort ist der Vorverstärker beschrieben. Und dort gibt es auch ein 
Kapitelchen 2.1: Microphone mit Links zu den Datenblättern und Hinweisen 
dazu.
Es lohnt auch ein Blick in die BOM (Link oben auf der Seite, Reiter 
Pre-amplifier). Dort sind Links zu den Datenblättern, Links zu 
Bezugsquellen und Preise (zu dem Zeitpunkt zu dem ich geschaut hatte).

Und Du hast vollkommen Recht, Mikrofon und Vorverstärker sind für den 
Anwendungsfall extrem kritisch.
Ich habe mit 2 Mikrofonen experimentiert: Mit den bekannten SPM0204UD5 
und dem FG-23629. Beide Mikrofone kommen auch in kommerziellen Geräten 
zum Einsatz. Die gezeigte Schaltung ist für das SPM ausgelegt und 
funktioniert auch prächtig. Bekannt ist aber, dass das SPM einen recht 
eigenwilligen Frequenzverlauf hat, der nur aufwendig korrigierbar wäre. 
Leider wird das SPM nicht mehr hergestellt, daher auch die Experimente 
mit dem FG Mikrofon.
Das FG ist teuer, hat eine hohe Ausgangsimpedanz und ist viel 
unempfindlicher als das SPM, dafür hat es aber einen viel besser 
berherrschbaren Frequenzganz und ist weniger empfindlich gegen 
Feuchtigkeit.
Der Vorverstärker muss für dieses Mikrofon etwas angepasst werden, die 
optimale Beschaltung habe ich aber noch nicht ausgetestet.

Wenn jemand für das FG Vorschläge für die Vorverstärker Beschaltung hat, 
dann nur zu! Ich bin analogtechnisch nur wenig bewandert.

Hier im Forum wurde als sehr günstige Alternative auch das SPU0410HR5H 
erwähnt. Das wollte ich mir in nächster Zeit mal mitbestellen und 
ausprobieren. Hat da jemand Erfahrungen?

Übrigens: Den Vorverstärker hatte ich absichtlich als seperate Schaltung 
realisiert. Dann könnte man durch einen angepassten Vorverstärker 
(andere Filter, andere Mikrofone, andere "Sensoren") ganz andere 
Use-Cases adressieren. Ganz einfach wären z.B. Vogelstimmen, die man mit 
312.5kHz aufnehmen könnte oder Ultraschall Untersuchungen an Materialen. 
Braucht das jemand? Keine Ahnung, aber zumindest könnte man die 
Plattform auch für sowas hernehmen. Grundstock wäre da, HW technisch 
müsste nur der Vorverstärker + Mikrofon (oder Sensor oder was auch 
immer) angepasst werden. Im Prinzip ist das "Mainboard" ja nur ein 
2-Kanal ADC.

Michael

von chris_ (Gast)


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>Ich habe mit 2 Mikrofonen experimentiert: Mit den bekannten SPM0204UD5
>und dem FG-23629. Beide Mikrofone kommen auch in kommerziellen Geräten
>zum Einsatz.

Danke für die Information. Gute Ultraschallmikrophone sind ja nicht 
einfach zu finden.

Vor kurzem saßen wir Abends mit einem Fledermausdektor von Kainka ( bzw. 
Franzisverlag ). Der Detektor verwendet ganz normale Piezo- 
Ultraschallwandler. Ich habe erwartet, dass die ziemlich ungeeignet 
sind, weil Piezowandler eine stark ausgeprägte Resonanz und damit 
Empfindlichkeit bei einer Frequenz haben.
Plötzlich kamen aber Fledermäuse und man hat sie im Detektor gehört 
bevor man sie gesehen hat.

von Michael M. (michael_m44)


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Stimmt. Viele Geräte (meist die etwas günstigeren, es gibt aber auch 
Ausnahmen) verwenden Elektretkapseln. Zum reinen Mithören ist das 
vollkommen OK. Wenn man Rufe aufnimmt, dann überlicherweise zu dem 
Zweck, aus den Aufnahmen eine Artbestimmung zu versuchen. Da gibt es 
dann etwas andere Anforderungen an die Mikrofone.

Um Vergleichbarkeit von Aufnahmen von verschiedenen Geräten zu schaffen, 
wäre eigentlich ein gerader Frequenzgang der Mic/Pre-Amp Kombination 
optimal. Aber selbst die meisten kommerziellen Hersteller scheinen den 
Frequenzgang der Mikrofone nur wenig oder gar nicht anzupassen. 
Vielleicht machen sie das dann in ihrer, zum Gerät passenden PC-Software 
zur Analyse. Da habe ich keine fundierten Infos.
Meine jetzige Kombination von unkorrigiertem SPM0204UD5 und der 
BatExplorer SW von Elekon funktioniert sehr gut. Zumindest behauptet das 
meine Frau, die z.Z. täglich damit arbeitet.

Trotzdem habe ich noch auf der Liste, im FPGA eine Frequenzganzanpassung 
je nach Mikrofontyp zu machen. Die Parameter dafür will ich im schon 
vorgesehenen FRAM auf der Vorverstärkerplatine ablegen. Dann könnte man 
die verschiedensten Mikrofon/Pre-Amp Kombinationen an des Gerät 
anschließen und hätte eine immer dazu passende Frequenzgangkorrektur die 
beim Booten aus dem gerade angeschlossenen FRAM auf dem Vorverstärker 
gelesen wird. Amplitudennormierung ggf. auch noch. Ist aber auf der ToDo 
Liste für die langen Winternächte...

: Bearbeitet durch User
von Michael M. (michael_m44)


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Fortsetzung aus:
Beitrag "Mikrofonverstärker"

Thorsten S. schrieb:
> Interessant ist z.B. auch die Möglichkeit, das Ringpuffer-Signal mit
> voller Rate wiederzugeben und durch den Mischerdetektor-Teil zu
> schicken.
> Dann kann man sich ein paar Sekunden Ultraschall, z.B. einen Soziallaut
> oder einen Feeding-Buzz, in der Endlosschleife abspielen und in aller
> Ruhe mit veränderter Mischer-Abstimmung sich immer wieder anhören.

Prima Idee! Kommt auch auf die ToDo Liste, natürlich auch mit der 
Möglichkeit auch aufgenommene Files von der SD Karte wieder durch den 
Mischer anzuhören.

Thorsten S. schrieb:
> Wenn das auch mit Files von der SD-Karte funktioniert, könnte man sogar
> komplette Trockenübungen veranstalten, z.B. als Training vor Beginn der
> Fledermaus-Saison. Oder mal ausprobieren, wie sich bekannte
> Referenzaufnahmen im Mischer anhören.

Bisher habe ich sowas am PC mit den aufgenommenen Files gemacht. Beim 
BatExplorer von Elekon kann man die aufgezeichneten Rufe mit Zeitdehner, 
Mischer usw. wieder abspielen und hört dann die entsprechenden 
Ergebnisse. Allerdings muss der Höreindruck am PC natürlch nicht 100% 
mit dem BatDroid Höreindruck übereinstimmen. Daher macht es durchaus 
Sinn, das auch im Gerät selber zu unterstützen. Zumal man sich dann auch 
"im Feld" noch einmal etwas anhören kann. Noch ein ToDo, danke für die 
Erläuterung!
Momentan bin ich noch am Vorverstärker für die FG Mikrofone, danach 
werden wieder nach und nach neue Features eingebaut.

Noch eine Frage von mir:
Wie machst Du Frequenzgang-Messungen von der Mikrofon/Vorverstärker 
Kombination? Gibt es durchstimmbare Hochton- oder US-Lautsprecher, die 
den relevanten Bereich wiedergeben können? Nur Vorverstärker kann ich ja 
ansatzweise noch mit einem Signalgenerator und Oszi durchmessen, aber 
mit Mikrofon wird es schwierig. Momentan untersuche ich oft das 
Rauschsignal der Kombination. Einfach eine Aufnahme am ruhigen Ort 
machen und dann z.B. mit Audacity eine Frequenzanalyse der Aufnahme (des 
Rausches)durchführen. Das vermittelt schon einmal einen Eindruck, muss 
aber natürlich nicht mit dem Frequenzgang des Nutzsignals 
übereinstimmen. Hat Du da Tipps?

MfG
Michael

von Thorsten S. (thosch)


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Michael M. schrieb:
> Bisher habe ich sowas am PC mit den aufgenommenen Files gemacht. Beim
> BatExplorer von Elekon kann man die aufgezeichneten Rufe mit Zeitdehner,
> Mischer usw. wieder abspielen und hört dann die entsprechenden
> Ergebnisse.
Für die nachträgliche Analyse zu Hause ist das sicher nahezu optimal.
Ok, die Software muß ich mir unbedingt mal genauer ansehen...
Ich dachte bislang immer, die wäre an eine entsprechende Hardware 
gebunden.

> Allerdings muss der Höreindruck am PC natürlch nicht 100%
> mit dem BatDroid Höreindruck übereinstimmen.
Naja, Produktmischung bleibt Produktmischung, zumal der BatDroid das ja 
auch mathematisch korrekt im FPGA berechnet.
Ich würde da keinen relevanten Unterschied erwarten.
Höchstens noch im Vergleich zu einem analogen Mischerdetektor, dessen 
Oszillator in der Regel keinen ganz perfekten Sinus erzeugt und somit 
mehr Mischprodukten durch Oszillator-Oberwellen produziert.

> Daher macht es durchaus Sinn, das auch im Gerät selber zu unterstützen. > Zumal 
man sich dann auch "im Feld" noch einmal etwas anhören kann.
Genau das ist der für mich interessanteste Punkt daran.
Zumindest ich gehöre nicht zu den Leuten, die draußen im Feld ein 
Notebook für die Analysesoftware dabeihaben.
Für besondere (stationäre) Aktionen wie Netzfang könnte ich mir das zwar 
vorstellen, aber der große Vorteil eines Detektors, auch Deines 
BatDroid, ist ja gerade die hohe Mobilität.
Man kann auch Wege ablaufen, um sich einen Überblick über die 
Fledermäus-Aktivitäten in einem Gebiet zu verschaffen.

> Momentan bin ich noch am Vorverstärker für die FG Mikrofone, danach
> werden wieder nach und nach neue Features eingebaut.
Ein FG-Mikro hab ich hier auch noch liegen, ebenso zwei EK-Mikros.
Habe auch noch eine Großmembran-Kondensatorkapsel (Polaroid Transducer)
die keinen Elektret hat, also eine hohe Polarisationsspannung benötigt.
Das Ding hat mit zunehmender Frequenz eine starke Richtwirkung (mit 
vielen Nebenzipfeln) aufgrund der großen Membran, ist aber sehr 
empfindlich.

> Wie machst Du Frequenzgang-Messungen von der Mikrofon/Vorverstärker
> Kombination? Gibt es durchstimmbare Hochton- oder US-Lautsprecher, die
> den relevanten Bereich wiedergeben können?
Die Polaroid-Kapsel ist sowohl als Kondensatormikrofon, als auch als 
Ultraschall-Lautsprecher verwendbar.
Das Stichworte hier sind: "Reziprozitätskalibrierung"
bzw. "Zweiwandler Reziprozitätsverfahren"
Grob gesagt kann man ein unbekanntes Mikrofon kalibrieren, wenn man 
einen zweiten Wandler zur Verfügung hat, der sowohl als Mikrofon als 
auch als Lautsprecher dienen kann. Voraussetzung sind praktisch 
identische Frequenzgänge im Mikrofon und Lautsprecherbetrieb.
Ich stehe da erst am Anfang, noch ist mir nicht bekannt, wie gut es um 
die die Reziprozität bei der Polaroid-Kapsel bestellt ist...

Die andere Möglichkeit wäre ein Vergleich zu einem bekannten 
Meßmikrofon.
Idealerweise kalibriert man damit den Frequenzgang seines Lautsprechers 
und kann dann anschließend Mikrofone damit vermessen.


> Nur Vorverstärker kann ich ja ansatzweise noch mit einem
> Signalgenerator und Oszi durchmessen,
Nicht nur ansatzweise, sondern sogar recht genau.
Scopes sind extrem linear im Ultraschall-Frequenzbereich und leicht
mit einem Multimeter und einem Gleichspannungsnetzteil kalibrierbar.
Aber für einen Frequenzgang interessieren einen sowieso nur relative 
Werte,
kommt also gar nicht auf die absolute Meßgenauigkeit an, sondern nur auf 
den geraden Frequenzgang.

> aber mit Mikrofon wird es schwierig.
Klar, da braucht man dann einen kalibrierten Ultraschall-Lautsprecher.
Die Reziprozitätskalibrierung kann da weiterhelfen.

> Momentan untersuche ich oft das Rauschsignal der Kombination.
Das sagt einem nur wenig über das SNR aus, da man ohne ein Signal (mit 
bekanntem Spektrum) nichts über die Empfindlichkeit des Mikrofons über 
die Frequenz erfährt.

Knowles hat ein Dokument veröffentlicht, in dem u.a. die Frequenzgänge 
von Empfindlichkeit und SNR der FG-Kapsel aufgeführt sind. Das 
interessante daran ist, daß zwar der Signalpegel zu hohen Frequenzen 
stark abfällt, aber auch der Rauschpegel, so daß unterm Strich das SNR 
bis zu hohen Frequenzen praktisch konstant ist.
Der Vorverstärker darf natürlich nicht negativ zu der Bilanz beitragen. 
;-)

Gruß,
Thorsten

von Michael M. (michael_m44)


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Thorsten S. schrieb:
> Die Polaroid-Kapsel ist sowohl als Kondensatormikrofon, als auch als
> Ultraschall-Lautsprecher verwendbar.
> Das Stichworte hier sind: "Reziprozitätskalibrierung"

Vielen Dank für die Stichworte! Bisher habe ich mich noch gar nicht 
damit beschäftigt. Ich werde mir dieses Thema in nächster Zeit mal 
anschauen. Das Thema muss ich erst einmal im Internet nachlesen und 
hoffentlich einigermaßen verstehen.
Zu einem Meßmikrofon (und Meßumgebung) hätte ich ggf. Zugang (über einen 
Uni-Kontakt). Aber ich wollte mich und meine Basteleien erst vernünftig 
vorbereiten, bevor ich dort Aufwände generiere. Würde Dich das auch 
interessieren? Vielleicht könnten wir in einer "Session" gleich 
verschiedene Schaltungen und Mics durchmessen.

Thorsten S. schrieb:
> Scopes sind extrem linear im Ultraschall-Frequenzbereich

Das habe ich auch schon genutzt, habe aber die Erfahrung gemacht, dass 
ein sauberer Sinus mit so kleinen Pegeln gar nicht so einfach zu 
erzeugen und in die Schaltung zu bekommen ist. Das mache ich z.Z. mit 
dem Signalgenerator des Scopes und einem Spannungsteiler. Das Messen ist 
dabei einfacher als das vernünftige Einspeisen.

Thorsten S. schrieb:
> Knowles hat ein Dokument veröffentlicht, in dem u.a. die Frequenzgänge
> von Empfindlichkeit und SNR der FG-Kapsel aufgeführt sind.

Yepp, das kenn ich (habe ich auf auf der Webseite verlinkt).

Thorsten S. schrieb:
> Der Vorverstärker darf natürlich nicht negativ zu der Bilanz beitragen.
> ;-)

Beim SPM ist das bei meinem Vorverstärker OK. Bei den FG Kapseln ist bei 
meiner momentanen Vorverstärkerschaltung ab mittleren Frequenzen das 
Rauschen des Vorverstärkers zumindest im Bereich des FG Rauschens oder 
darüber. Deshalb experimentiere ich da noch...
Sorry für die Reaktionszeiten... Ich bin ziemlich z.Z. landunter. Zu 
viele Baustellen...

von Rolf S. (audiorolf)


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Mir erschliesst sich persönlich nicht, wozu der gemeine Nutzer einen 
Fledermausdetektor braucht, aber das Projekt ist sicher bemerkenswert.

Einen Punkte möchte ich addieren: Du schreibst, die Frequenzgänge der 
Mikrofone wären nicht gut zu korrigieren. Genau dies liesse sich aber 
mit einem FPGA sehr gut realisieren.

von Thorsten S. (thosch)


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Michael M. schrieb:
[Reziprozitätskalibrierung]
> Das Thema muss ich erst einmal im Internet nachlesen und
> hoffentlich einigermaßen verstehen.
Jau, ich hatte dazu mal ein Dokument gefunden, das explizit auf die
Kalibrierung von Ultraschallmikrofonen einging. Ärgerlicherweise kann 
ich es nicht wiederfinden...

> Zu einem Meßmikrofon (und Meßumgebung) hätte ich ggf. Zugang (über einen
> Uni-Kontakt). Aber ich wollte mich und meine Basteleien erst vernünftig
> vorbereiten, bevor ich dort Aufwände generiere. Würde Dich das auch
> interessieren? Vielleicht könnten wir in einer "Session" gleich
> verschiedene Schaltungen und Mics durchmessen.
Klar, das würde mich sehr interessieren!
Ein Problem ist allerdings die kurze Wellenlänge der Ultraschallwellen.
Bei 34 kHz ist die Wellenlänge 10mm, bei 100 kHz nur noch 3,4mm.
D.h. man bekommt extrem schnell Interferenzeffekte.
Wenn der Membrandurchmesser in die Größenordnung der Wellenlänge kommt,
ergeben sich bei schrägem Einfall Interferenzen auf der Membran, so daß 
man ein mit zunehmender Frequenz immer ausgeprägteres Richtdiagramm 
erhält, das sich durch stark ausgeprägte Nebenzipfel auszeichnet.
Besonders natürlich bei Großmembran-Transducern wie denen von Polaroid
(siehe Datenblatt): http://davidbuckley.net/DB/HextorCD/electrans.pdf

Deshalb ist es auch wichtig, daß hinter einem hervorstehenden Mikrofon 
keine reflektierende Fläche vorhanden ist. Siehe die gute Erklärung auf 
dieser Seite: http://www.batecho.eu/html/frame07.html

Wenn man da halbwegs reproduzierbar messen möchte, muß man die 
Reflexionen von allen benachbarten Flächen (auch von Mikrofonstativen 
usw.) dämpfen, was z.B. mit Noppenschaumstoff ganz gut geht...
Auf der sicheren Seite ist man, wenn man das Dämmaterial vorher einem 
Reflexions-Test unterzieht. Als Lautsprecher dafür reicht eine 45kHz 
Ultraschall-Keramikkapsel, die sich auch auf allen möglichen Oberwellen 
in Resonanz anregen läßt. Der Frequenzgang von Lautsprecher und Mikrofon 
ist dabei nebensächlich, weil man die Meßwerte normieren kann, z.B. im 
Vergleich mit einer Blechplatte als Reflektor.

> Das habe ich auch schon genutzt, habe aber die Erfahrung gemacht, dass
> ein sauberer Sinus mit so kleinen Pegeln gar nicht so einfach zu
> erzeugen und in die Schaltung zu bekommen ist. Das mache ich z.Z. mit
> dem Signalgenerator des Scopes und einem Spannungsteiler. Das Messen ist
> dabei einfacher als das vernünftige Einspeisen.
Da hast Du mich mißverstanden. Ich meinte nicht, den Vorverstärker damit 
auszumessen (was ich für begrenzt sinnvoll halte) sonder das Mikrofon 
incl. Vorverstärker mittels einer Ultraschallquelle.
Wenn man einen Vorverstärker ausmessen möchte ist aber logischerweise 
ein Spannungsteiler (z.B. 1000:1) die richtige Einspeisung. Der 
Innenwiderstand sollte in diesem Fall etwa der Impedanz des eigentlich 
anzuschließenden Mikrofones entsprechen, man wird den unteren Widerstand 
des Teilers also niederohmig auslegen und mit einem Reihenwiderstand zum 
Verstärkereingang die Mikrofonimpedanz nachbilden.

> Beim SPM ist das bei meinem Vorverstärker OK. Bei den FG Kapseln ist bei
> meiner momentanen Vorverstärkerschaltung ab mittleren Frequenzen das
> Rauschen des Vorverstärkers zumindest im Bereich des FG Rauschens oder
> darüber. Deshalb experimentiere ich da noch...
Hast Du Deine Schaltung fürs FG-Mikro irgendwo dokumentiert?
Deckt sich das Ergebnis halbwegs mit einer Simulation (in LTspice)?

> Sorry für die Reaktionszeiten... Ich bin ziemlich z.Z. landunter. Zu
> viele Baustellen...
Macht nix, geht mir ähnlich. Hab jetzt ebenfalls gebraucht, hatte die 
Benachrichtigung für diesen Thread noch nicht aktiviert...

von Christian B. (casandro)


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Irgendwie erscheint mir das Projekt um Größenordnungen zu komplex 
angegangen. Fledermausrufe kann man auch ohne FFT detektieren, ebenso 
kann man den Frequenzgang von Mikrophonen ohne FFT mit einfachen 
(digitalen) Filtern deutlich besser ausgleichen.
Im Prinzip müsste die Rechenleistung des STM32 locker ausreichen...

Aber wenn man noch breitbandige Ultraschallsender an das FPGA anbindet, 
so könnte man ein richtig hochwertiges Echolot bauen. Dafür ist die FFT 
eine sinnvolle Anwendung.

von Michael M. (michael_m44)


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Thorsten S. schrieb:
> Klar, das würde mich sehr interessieren!

Ich melde mich mal per Mail bei Dir dazu.

Thorsten S. schrieb:
> Deshalb ist es auch wichtig, daß hinter einem hervorstehenden Mikrofon
> keine reflektierende Fläche vorhanden ist.

Danke für die Links und die Erklärungen! Das mit der Keramikkapsel muss 
ich mal ausprobieren. Puhh, der Winter füllt sich mit Arbeit. Aber super 
intererssant deine Tipps!
Beim BatDroid versuche ich das Thema Reflektionen mit ein wenig 
offenporigem Schaumstoff an der Frontplatte des Vorverstärkers zu 
adressieren. Die Mikrofone sind in Sugru (ein Knet-Silikon) gelagert, 
welches ich zu 45° Kegeln geformt habe. Siehe
http://dieviermeyers.de/batdroid/micspm.jpg
http://dieviermeyers.de/Batdroid/micfg.jpg
Für das ganze Headset hat meine Frau auch noch eine Art Samtüberzug 
genäht. Das soll Reflektionen an dessen harten Flächen reduzieren (und 
versteckt die Technik ein wenig, so dass sie nicht ganz so arg wie ein 
durchgedrehter Alienforscher aussieht, die Blicke der Leute sind einfach 
köstlich ;-)). Das Headset hat übrigens die Eigenschaft, dass die 
Mikrofone recht "offen" im freien Raum hängen. Das hat zur Folge, dass 
man manchmal bei den Aufnahmen ganz gut die Reflektionen vom Boden 
erkennen kann. Je nach Untergrund (Teer vs. Wiese) mehr oder weniger 
stark. Bei Handgeräten ist mir das bisher weniger aufgefallen. Die hält 
man ja meist recht gerichtet vor dem Körper, der als weiche Fläche wohl 
weniger gut reflektiert.
Und die Profi-Geräte wie der Batcorder setzen das Mikrofon in eine 
Spitze und decken die Flächen mit Fellstrukturen ab. Alles wg. der 
Reflektionen. Siehe
http://www.batecho.eu/html/frame11.html

Thorsten S. schrieb:
> sonder das Mikrofon
> incl. Vorverstärker mittels einer Ultraschallquelle.

Ahh, hab mich auch schon ein wenig gewundert. Da fehlt mir z.Z. einfach 
noch eine Schallquelle. Aber mit Deinen Erläuterungen komme ich da 
sicher voran.

Thorsten S. schrieb:
> Hast Du Deine Schaltung fürs FG-Mikro irgendwo dokumentiert?
> Deckt sich das Ergebnis halbwegs mit einer Simulation (in LTspice)?

Yepp, den Stand vom letzten Wochenende findest Du hier:
https://docs.google.com/file/d/0B6d2AEfJ44HpMmJzTXhhQ0hzREk/edit
(Ist auch auf der Batdroid Seite verlinkt, inkl. Eagle Source.)
Entscheidend ist der erste Verstärker mit dem LTC6362. LTSpice 
Simulation hier:
https://drive.google.com/file/d/0B6d2AEfJ44HpSEtCR0xTUWRLc0U/edit?usp=sharing
Diese Schaltung kompensiert noch nicht den Frequenzgang.

Dieses Wochenende wollte ich es mal so probieren:
https://drive.google.com/file/d/0B6d2AEfJ44HpcE5Qd0hvQW82YlU/edit?usp=sharing
Die Eingangskondensatoren (C13, C14) vom LT1994 spielen auch noch mit 
(als HP). Was ich suche, ist eine möglichst rauscharme Beschaltung für 
die FG Mikrofone im Eingangsverstärker. Ggf. auch schone eine teilweise 
Frequenzganganpassung im Vorverstärker, damit die unteren Frequenzen 
nicht schon zu Übersteuerung im PGA2500 führen, während die hohen 
Frequenzen noch zu wenig verstärkt sind. Natürlich könnte man dann die 
Frequenzganganpassung und weitere Filterung auch im FPGA noch weiter 
verbessern. Und sorry, wie gesagt, meine Kenntnisse in diesem Bereich 
sind rudimentär (mein Nachrichtentechnikstudium ist ja nun schon über 30 
Jahre her und in den 30 Jahren hatte ich kaum etwas mit Analogtechnik zu 
tun :-)).

Christian Berger schrieb:
> Fledermausrufe kann man auch ohne FFT detektieren,

Das kann man sicher tun und natürlich könnte man eine FFT auch im STM32 
rechnen. Am Anfang des Projektes war ich mir noch nicht sicher, was 
alles in welcher Genaugkeit wie schnell gerechnet werden soll. Da hab 
ich mich halt für die (fertig verfügbare) Kombination von FPGA und STM32 
entschieden. Das lässt alle Freiheitsgrade offen, auch für andere Use 
Cases als Fledermausrufe.
Zur FFT. Die hatte ich eigentlich eingebaut, um die graphische Anzeige 
der Frequenzanteile eines Fledermausrufsequenz machen zu können.
Das kannst Du Dir hier mal anschauen:
https://www.youtube.com/watch?v=QQygRSi_MmI
Die Frequenzanzeige ist die kleine Grafik in der Mitte. In dem Video 
sind Zwergfledermäuse am Werk. Durch die Anzeige der Peak Frequenz und 
der Frequenzanteile hat man wichtige Hinweise zur Artbestimmung. Bei den 
Zwergen sieht man deutlich die asymmetrische Kurve mit dem steilen 
Anstieg am Anfang und das weichere Abfallen in den höheren Frequenzen. 
Bei Myotis-Arten zeigt die Grafik z.B. ein schönes, recht symmetrisches 
Dreieck (hab ich jetzt leider keine Aufzeichnung parat).
Damit bekommt man sehr viel Information schon direkt im Feld:
Man hört die Tiere und kann (mit viel Übung und den richtigen 
Frequenzeinstellungen im HD Modus)vom Klang auf die Art schließen.
Man hat zusätzlich durch die Stereo Funktion eine höhere Chance das Tier 
am dunklen Himmel visuell zu finden und Größe und Flugstil mit 
einzubeziehen.
Durch die Frequenzgrafik und die angezeigte Peak-Frequenz gibt es 
weitere wichtige Informationen zur Art, welche insbesondere den 
Fledermausleuten helfen, die im Hören noch nicht so geübt sind.
Und wenn man jetzt der Meinung ist, ein interessantes Tier vor sich zu 
haben, dann kann man die Aufnahme der Call-Sequenz starten und zuhaus 
dann später die Artbestimmung am PC anhand der Aufnahmen und den 
zusätzlich gesammelten Infos durchführen.

Die FFT hilft zudem ungemein bei der automatischen Detektion einer 
Rufsequenz. Ich verwende dazu eine Crest Berechnung. Das ist hier sehr 
schön beschrieben:
http://www.elekon.ch/de/batlogger/bat_produkte/batlogger_/faq.html
Mit der Crest-Information kann man Rufe schon sehr schön erkennen. Ich 
habe letztes Jahr mal viele Aufnahmen durch eine MatLab Simulation der 
FFT/Crestberechnung laufen lassen und die Unterscheidungskriterien 
gesucht. Wenn man das noch mit einer "Grillen-Erkennung" (die hab ich 
leider noch nicht implementiert, kommt aber, ist auch im Link oben unter 
Periodentrigger beschrieben) und mit weiteren einschränkenden Kriterien 
(z.B. Frequenzbereich, Minimallautstärke...)kombiniert, dann kann recht 
verlässlich Rufe von anderen Störgeräuschen (Kirchenglocken, Autos, 
Schlüsselgeklapper, Wasserrauschen, Grillen usw. usw.) unterscheiden. 
Das ist insbesondere bei automatischen Aufnahmen ohne Nutzer-Interaktion 
wichtig.

Christian Berger schrieb:
> ber wenn man noch breitbandige Ultraschallsender an das FPGA anbindet,
> so könnte man ein richtig hochwertiges Echolot bauen. Dafür ist die FFT
> eine sinnvolle Anwendung

Coole Anwendungsidee! In die Richtung würde auch eine Erweiterung von 
Batdroid gehen, die ich noch so im Kopf habe ohne detailliert darüber 
nachgedacht zu haben: Durch die Laufzeitunterschiede eines Rufes einer 
Fledermaus in Bezug auf die beiden Mikrofone der Stereokonfiguration 
müsste man grob die Richtung bestimmen können (im Prinzip, wie unsere 
Ohren das auch machen), in der sich die Fledermaus befindet. Die 
Richtungsinformation könnte man (zusätzlich zu dem was einem die Ohren 
liefern) noch visuell zur Verfügung stellen. Mit dem FPGA und dem STM32 
kann man sowas sicher realisieren. Aber das ist Zukunft. Wenn ich alles 
implementiert habe, was ich noch im Ideenspeicher habe, dann bin ich in 
Rente...

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