WAVEosSCOPE

Geschwindigkeitsmessung von Modellflugzeugen

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Problem
Oft berichten Modellflugzeugfreunde von den Geschwindigkeiten, die ihre Modelle erreichen. Leider sind die verwendeten Geschwindigkeitsmessmethoden oft ungenau oder subjektiv. Dieses Programm bietet die Möglichkeit einer objektiven Messung ohne spezielles Messgerät.

Lösung
Alles was man benötigt, ist ein PC mit Soundkarte und ein Camcorder. Der Camcorder ist ohnehin häufiger Gast auf Modellflugplätzen. Wird mit ihm der Vorbeiflug eines Modells in geringer Höhe und in geringer Entfernung vom Camcorder aufgezeichnet, dann befindet sich auf dem Band auch der Ton den das Modell erzeugte, und dieser Ton unterliegt dem Dopplereffekt. Der Dopplereffekt verändert die Tonhöhe in Abhängigkeit von der Fluggeschwindigkeit des Modells. Wenn man diese Tonhöhenverschiebung misst, kann man die Fluggeschwindigkeit bis auf wenige km/h genau ermitteln.
(Das Verfahren eignet sich nur für Propeller- bzw. Impeller-Modelle. Der Sound von Jet-Triebwerken oder das Zischen von Seglern unterliegt zwar den gleichen Effekten, allerdings kann meine Software sie nicht auswerten.)

Genaueres findet der Interessierte auf der Homepage des Modellsportvereins Siewisch.

Realisierung
Auf dem Flugplatz wird mit dem Camcorder ein sauberer Vorbeiflug in geringer Entfernung aufgenommen. Dabei ist in konstanter Höhe mit konstanter Motoreinstellung (also Maximum) zu fliegen.

Zuhause wird der Camcorderausgang für das Tonsignal mit dem Audioeingang der PC-Soundkarte verbunden. Mit den zur Soundkarte gehörenden Tools oder mit Windows-Bordmitteln wird dann von dem Vorbeiflug der Ton aufgenommen. Dabei ist ein PCM-8-Bit-Mono-WAV-File ausreichend (Telefonqualität). Zehn Sekunden sollten genügen.

Das Programm WAVEosSCOPE kann dieses WAV-File einlesen, und die Frequenzen des Signals analysieren.

Unterschiede zum Programm VSpectrum
VSpectrum  ist einfacher in der Anwendung aber ungenauer als WAVEosSCOPE. Die Messtoleranz von WAVEosSCOPE ist je nach Einstellung nur 1/4 der VSpectrum-Toleranzen. Außerdem ist WAVEosSCOPE vielseitiger und ausgereifter und die grafische Darstellung ist besser ablesbar.

Der prinzipielle Nachteil von WAVEosSCOPE ist, dass man zunächst nach Gehör eine kurze WAV-Datei aus dem Camcorder-Video aufnehmen muss. Schon das Aufzeichnen dieser Datei ist umständlicher und langwieriger als die gesamte Messung mit VSpectrum. Man wird für die Mehrarbeit aber mit einem genaueren Ergebnis belohnt.

Ergebnis
Das WAV-File wird mit Hilfe einer FFT einer spektralen Analyse unterzogen. Die Signalstärke einzelner Frequenzen über den zeitlichen Verlauf des WAV-Files wird grafisch dargestellt. Die Frequenzbandbreite geht von 0 Hz (linker Grafikrand) bis zur Hälfte der Samplefrequenz der Wavedatei. Samplefrequenzen von 8 kHz haben sich in der Praxis als ausreichend erwiesen.

WAVEosSCOPE im Einsatz

Man kann zwischen dreidimensionaler (siehe oberes Bild), zweidimensionaler (unten) und eindimensionaler Darstellung wählen. Außerdem lässt sich die Anzahl der Filterbänder, und damit die Genauigkeit der Analyse von 128 bis zu 1024 einstellen. Am effektvollsten ist natürlich die 3-dimensionale Einstellung, doch am praktischsten ist die 2-dimensionale, auf der auch die Geschwindigkeitsmessung aufbaut.

Die Umschaltung erfolgt durch Klicken im Grafikmode-Feld des Programmfensters.

Die grafische Ausgabe ergibt dann untenstehendes Bild. Die Schlangenlinien stellen die Dopplerverschiebung beim Modell-Vorbeiflug dar. Man wählt eine deutlich sichtbare Schlangenlinie in der rechten Bildhälfte (höhere Genauigkeit) aus, und klickt mit der linken Maustaste den linken Teil der Schlangenlinie und mit der rechten Maustaste den rechten Teil der selben Schlangenlinie an. Das Programm markiert die Punkte mit einer grünen und einer roten Linie und zeigt die Ton-Frequenzen der Punkte an.

Oberhalb der Grafik wird dann die errechnete Vorbeifluggeschwindigkeit sowie die Genauigkeit der Berechnung angezeigt.

Geschwindigkeitsmessung mit WAVEosSCOPE

WAVEosSCOPE kann mit Stereodateien umgehen, und dabei beide Tonspuren mit verschiedenen Farben gleichzeitig darstellen. Das ist von Vorteil, wenn linkes und rechtes Mikrofon mit großem Abstand entlang der Flugstrecke stehen, und vom Modellflugzeug nacheinander überflogen werden. Dann tritt die Dopplerverschiebung in den beiden Kanälen nacheinander auf. Nun kann man zur Geschwindigkeitsberechnung den maximalen Frequenzversatz beider Kanäle benutzen, und erreicht damit eine verbesserte Messgenauigkeit.

Geschwindigkeitsmessung mit 2 Mikrofonen
 

Download
Das Downloadpaket enthält die Version V2.1 für Windows bis Win-XP (nicht Vista-kompatibel)


Verbesserungen

V2.1 (vom 05.04.2006)
- neue Oberfläche
- deutlich verbesserte Frequenzlinienanzeige
- Stereofähigkeit
- Grafik skaliert mit dem Programmfenster

V1.9c (vom 30.04.2004)
- verbesserte Kompatibilität

V1.9 (vom 04/10.12.2000)
- Berücksichtigung der Lufttemperatur bei der Geschwindigkeitsberechnung.

V1.8 (vom 26.09.2000)
- Probleme mit schreibgeschützten Dateien beseitigt.
- Grafik wird nach dem Laden der WAV-Datei automatisch gestartet

V1.7
- deutliche Beschleunigung der grafischen Ausgabe (ca. um den Faktor 4).
- ein Bug der bei eingeschaltetem "Limit-Schwelle aktiv" eine "Division durch 0" verursachen konnte wurde behoben.

V1.5
- kann auch 16-Bit- und Stereo-WAV-Files einlesen.
- Die Soundwiedergabe funktioniert wieder.
- Die Frequenzanalyse geht jetzt von 0 Hz bis zur halben Samplefrequenz.
- Ein Frequenzanzeigefehler wurde behoben.

V1.0
- Urversion.


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Autor: sprut
erstellt: 2000
letzte Änderung: 18.12.2008