Akustisch-auditive Mensch-Maschine-Schnittstellen

Hintergrund

In Cockpits von Hubschraubern und Flugzeugen herrschen enorme Lärmpegel, die den Einsatz von Gehörschutz erforderlich machen. Neben dem hohen Workload im Flug trägt dieser Lärm zur Belastung und Ermüdung der Besatzung bei.

Während immer mehr visuelle Technologien genutzt werden, um Piloten im Flug zu unterstützen, wird der auditive Kanal im Cockpit hingegen wenig genutzt und bleibt damit weit hinter den Möglichkeiten.

Im Rahmen des DTEC MissionLab Projekts werden daher moderne akustisch auditive Technologien erforscht, die Piloten im Flug entlasten und unterstützen sollen.

Ansatz

Um Piloten im Flug zu entlasten und zu unterstützen wird ein digitales aktives Kopfhörersystem für die akustisch auditive Mensch-Maschine-Schnittstelle im Cockpit entwickelt. Das System besteht aus drei Schlüsseltechnologien: Active Noise Control (ANC) verbessert aktiv die Lärmreduktion des Kopfhörers, Speech Enhancement filtert Lärm aus dem Sprachsignal und sorgt für eine klare Kommunikation und 3D-Audio steigert das Situationsbewusstsein durch die räumlich verteilte Darstellung von Funksprüchen und Warnmeldungen.
Diese drei Technologien werden gemeinsam in ein System integriert und bilden den aktiven Flugkopfhörer:

 

Active Noise Control (ANC) Speech Enhancement 3D-Audio steigert das Situationsbewusstsein

Schlüsseltechnologien

Active Noise Control

Um die Lärmauswirkungen für den Piloten zu reduzieren wird ein digitales adaptives Active Noise Control (ANC) System im Kopfhörer verwendet. Der Algorithmus verwendet Referenz- und Fehlermikrofone die in den Kopfhörer integriert sind, um eine Gegenschallsignal zu berechnen und über die Lautsprecher auszugeben. Der adaptive Algorithmus passt sich dabei laufend an die akustischen Verhältnisse an um eine optimale Lärmreduktion zu erzielen.

Tieffrequenter Lärm wird damit effektiv reduziert, während höhere Frequenzen durch die passive Dämpfung vom Kopfhörer gedämpft werden. Auf diese Weise wird Lärm über den gesamten Frequenzbereich verringert.

Speech Enhancement / Noise Reduction

Verbesserung der akustischen Kommunikation und Verständlichkeit im Cockpit

Lärm im Cockpit wird auch vom Sprechmikrofon aufgenommen und verschlechtert somit die Verständlichkeit der Kommunikation. Wird dieser Lärm über das Intercom-System wiedergegeben, gelangt er erneut in den Kopfhörer und beeinträchtigt die Wirksamkeit des ANC-Systems.

Um dieses Problem zu lösen, verwendet der aktive Kopfhörer einen Algorithmus zur Sprachverbesserung. Dieser Algorithmus basiert auf dem Prinzip der Spectral Subtraction, bei dem Hintergrundlärm in Sprechpausen analysiert und vom Sprachsignal subtrahiert wird. Auf diese Weise bleibt die Sprachqualität erhalten, während der Lärm nahezu vollständig reduziert wird.

3D-Audio

Räumliche (binaurale) akustische Informationsdarstellung

Das 3D-Audio-System des Kopfhörers kann Audiosignale räumlich modulieren, so dass diese aus spezifischen Richtungen wahrgenommen werden. Diese räumliche Verteilung der Audiosignale ermöglicht es Piloten, Geräusche und Sprache intuitiv zuzuordnen.

Dies verbessert die Situationswahrnehmung und verkürzt die Reaktionszeiten in kritischen Situationen. Zudem reduziert 3D-Audio die kognitive Belastung, da Informationen natürlicher und übersichtlicher präsentiert werden.

Eine Studie in Kooperation mit der Professur Allgemeine Psychologieevaluiert die Unterstützungsleistung des 3D-Audio-Systems von in einer virtuellen Flugsimulationsumgebung.

Projektleiter

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Delf Sachau

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Delf Sachau

Univ.-Prof.
040 6541-2733
sachau@hsu-hh.de

Wissenschaftliche Mitarbeiter

Florian Ernst M.Sc.

Florian Ernst M.Sc.

Wiss. Mitarbeiter
+49 40 6541-2311
ernstf@hsu-hh.de