Kalibrierung des BATmode-Systems

 
 

Eine Kalibrierung des BATmode-Systems ist essentiell, um aufgezeichnete Fledermausaktivitätsdaten vergleichbar zu machen. Da uns hierzu immer wieder Fragen erreichen, möchten wir in diesem Artikel kurz den Ablauf einer Kalibrierung erklären und darlegen, wie Sie eine korrekte Kalibrierung Ihres Systems sicherstellen können. Um diesen Artikel als PDF-Dokument zu öffnen, klicken Sie hier.

 
 

Allgemein

Ziel der Kalibrierung eines Mikrofons ist es, den elektrischen Ausgangswert des Mikrofons auf den tatsächlichen Schalldruckpegel zu beziehen. Dieser Schalldruckpegel Lp (im Englischen „Sound Pressure Level (SPL)“) wird im Allgemeinen in der Einheit dBSPL angegeben und beschreibt das logarithmierte Verhältnis des quadrierten Effektivwertes des Schalldrucks p̃ eines Schallereignisses zum Quadrat des Bezugswerts p0. Dieser Bezugswert ist für Luftschall festgelegt auf p0 = 20 µPa.

 
 

Der Schalldruckpegel Lp kann hierbei sowohl positive (Schalldruck ist größer als Bezugswert) als auch negative (Schalldruck ist kleiner als Bezugswert) Werte annehmen. Kurz gesprochen gibt der Schalldruckpegel Lp in dBSPL also an, wie viel lauter bzw. leiser ein Schallereignis im Verhältnis zu einem festgelegten Bezugswert ist. So entspricht beispielsweise ein Schalldruckpegel von 6 dBSPL einem Schallereignis, welches im Verhältnis zum Bezugswert doppelt so laut ist. -20 dBSPL wiederrum entspricht einem 10 mal niedrigeren Schalldruck im Verhältnis zum Bezugswert.

Als Einheit für den elektrischen Ausgangswert U des Mikrofons wird dBFS (dB full-scale) verwendet, welche analog zum Schalldruckpegel Lp ein logarithmiertes Verhältnis des elektrischen Ausgangswertes U zum maximalen Ausgabewert (im Englischen „Full scale (FS)“) des Mikrofons darstellt. Folglich ist das Mikrofonausgangssignal U immer kleiner als der Bezugswert und kann somit ausschließlich negative Werte annehmen.

Da bei der Bestimmung der Fledermausaktivität der wesentliche Faktor nicht die Lautheit der Rufe an sich, sondern deren Anzahl ist, ist in diesem Falle besonders wichtig, genau festzulegen, ab welchem realen Schalldruckpegel Lp ein Fledermausruf eine Aufnahme auslösen kann. Dieser sogenannte „Trigger Level Threshold“ AdBSPL stellt somit einen Parameter für die Empfindlichkeit des Erfassungssystems und somit für die Vergleichbarkeit der Ergebnisse dar. Verallgemeinert kann gesagt werden, dass die Qualität einer Fledermausaktivitätserfassung gesteigert werden kann, indem eine möglichst geringe Triggerschwelle AdBSPL gewählt wird. Hiermit ist es möglich, leisere Rufe und somit auch Rufe von weiter entfernten Tieren zu erfassen. Im Gegenzug nimmt hierbei natürlich auch die Wahrscheinlichkeit zu, Aufnahmen von Störgeräuschen zu erhalten, welche aufwendig aus dem resultierenden Datensatz entfernt werden müssen.

Für die Auswertung der Daten mit dem Tool ProBat, welches aus dem Forschungsprojekt „Entwicklung von Methoden zur Untersuchung und Reduktion des Kollisionsrisikos von Fledermäusen an Onshore-Windenergieanlagen“ hervor ging und somit kompatibel zu den BMU-Vorgaben ist, wird eine Triggerschwelle AdBSPL von 37 dBSPL bei Verwendung des BATmode-Systems empfohlen. Im Falle einer Windenergieanlage, welche eine besonders große Störgeräuschkulisse aufweist, kann zur Vermeidung vieler Störaufnahmen die Triggerschwelle AdBSPL auch auf 50 dBSPL erhöht werden. Hierbei ist allerdings mit einer deutlichen Reduzierung der Monitoringqualität auf Grund der geringeren Empfindlichkeit des Erfassungssystems zu rechnen. Wichtig ist, dass zur Auswertung sämtliche Daten mit einer einheitlichen Triggerschwelle AdBSPL (also entweder 37 oder 50 dBSPL) erfasst wurden. Sollte ein Teil der Daten mit einer niedrigeren Triggerschwelle AdBSPL aufgezeichnet worden sein, ist es möglich, diese mit Hilfe der RECORDER-Software für eine höhere Triggerschwelle AdBSPL neu zu bewerten und sozusagen nachträglich leisere Rufe, welche unter Verwendung der höheren Triggerschwelle AdBSPL nicht aufgezeichnet worden wären, aus dem Datensatz zu entfernen. Logischerweise ist dies in umgekehrter Richtung nicht möglich und ein Datensatz, welcher mit einer Triggerschwelle AdBSPL von 50 dBSPL aufgezeichnet wurde, kann nicht für 37 dBSPL umgerechnet werden.

 
 

Wie funktioniert eine Kalibrierung im Allgemeinen?

Um ein Messsystem zu kalibrieren ist es essentiell, dass ein Referenzwert bzw. ein Referenzsignal mit bekannten Wert gegeben ist, auf welchen anschließend die Messwerte bezogen werden können. Im Falle eines Ultraschallaufzeichnungssystems wird folglich ein Ultraschallsignal mit bekanntem Schalldruckpegel Lp vorausgesetzt.

Indem das zu kalibrierende Mikrofon diesem Schalldruckpegel Lp ausgesetzt wird, kann das vom Mikrofon erzeugte elektrische Ausgangssignal U auf diesen Schalldruckpegel bezogen werden.

 
 

Kalibrierung des BATmode-Systems mit Mikrofonscheibe von bat bioacoustictechnology

Die Mikrofonscheiben von bat bioacoustictechnology werden grundsätzlich mit einem Kalibrierzertifikat, wie beispielhaft in Abb. 1 dargestellt, ausgeliefert.

 
 

Auf diesem sind der sogenannte SPL of Reference Signal (LT) als auch der Full Scale Level of Reference Signal (UT) angegeben. Ersteres repräsentiert hierbei den Schalldruckpegel des in der Mikrofonscheibe integrierten Testsignalgebers, welcher am Mikrofon ankommt, in dBSPL. Der Wert Full Scale Level of Reference Signal gibt die Amplitude des resultierenden Mikrofonausgangssignals bei aktiviertem Testsignalgeber in dBFS an.

Zur Kalibrierung tragen Sie die beiden Werte, welche zusätzlich auf der Mikrofonscheibe vermerkt sind, in den Kalibrierdialog von BATcontrol (zu finden auf der Seite „Monitoring“ durch Klicken auf den Button „Calibration“, siehe Abb. 2) ein. Geben Sie zudem unter dem Punkt „Level of Trigger Threshold“ einen von Ihnen gewünschten Triggerschwellwert AdBSPL an und klicken Sie auf den Button „Calibrate now!“. Durch Bestätigen des sich öffnenden Warnhinweises wird Ihr System kalibriert. Dies wird ab BATcontrol Version 1.1.10 zudem visuell bestätigt und der hieraus resultierende Trigger Level Threshold in % (A%) angezeigt. Dieser Wert kann im Configuration Dialog der RECORDER-Software (siehe Abb. 3) überprüft werden.

 
 

Wie wurden die Zahlen im Kalibrierzertifikat ermittelt?

  1. Zunächst wird in einem reflexionsarmen Akustikraum bei Raumtemperatur mit Hilfe eines Messmikrofons von Brüel & Kjaer und einem Ultraschall-Piezo-Lautsprecher ein Schallereignis mit einer Frequenz von 40 kHz und einem Schalldruckpegel LRef von 96 dBSPL erzeugt.
  2. Das Mikrofon in der zu kalibrierenden Scheibe wird diesem exakt definierten Schallsignal ausgesetzt und der resultierende Mikrofonausgangswert URef in dBFS (root mean square) bestimmt.
  3. Anschließend wird in demselben reflexionsarmen Akustikraum der Mikrofonausgangswert für den in der Scheibe integrierten Testsignalgeber ermittelt. Hierzu wird dieser mit einem Frequenzsweep von 30 auf 50kHz angeregt, um bauart- und temperaturbedingte Schwankungen seiner Resonanzfrequenz zu kompensieren. Der im zeitlichen Verlauf dieses Sweeps auftretende maximale Mikrofonausgangswert UT in dBFS (root mean square) entspricht dem im Kalibrierzertifikat angegebenen Full Scale Level of Reference Signal.
  4. Nachfolgend kann der auch im Zertifikat angegebene SPL of Reference Signal-Wert (LT) berechnet werden zu

 
 

Kalibrierung des BATmode-Systems mit Mikrofonscheibe von Avisoft Bioacoustics

Im Folgenden wird die Kalibrierung der RECORDER-Software ausführlich dargelegt für den Fall, dass Sie ein Mikrofon bzw. eine Mikrofonscheibe verwenden, welche nicht von bat bioacoustictechnology stammt. Da Avisoft Bioacoustics für Ihre Mikrofonscheibe lediglich den Schalldruckpegel des Testsignalgebers, aber nicht den resultierenden Mikrofonausgangswert UT in dBFS angibt, muss dieser mit Hilfe der Software RECORDER selbst gemessen werden. (Bitte führen Sie diese Messung bei Raumtemperatur und möglichst in einem reflexionsarmen Raum durch bzw. halten Sie die Scheibe während der Messung in den Raum, so dass sich möglichst kein schallreflektierendes Objekt in nächster Nähe vor der Mikrofonscheibe befindet!):

  1. Schließen Sie BATcontrol.
  2. Öffnen Sie RECORDER USGH von Avisoft Bioacoustics.
  3. Öffnen Sie den Trigger Level Calibration Dialog der Software RECORDER (siehe Abb. 4) (Monitoring -> Trigger level calibration).
  4. Wählen Sie „absolute dB SPL“, „x10“ und „take max signal level“ aus.
  5. Tragen Sie unter trigger level (threshold) Ihre gewünschte Triggerschwelle AdBSPL ein (z.B. 37 dBSPL).
  6. Tragen Sie unter reference signal level den LT Wert Ihrer Avisoft Scheibe ein.
  7. Warten Sie 60s und notieren sich dann den Wert UT unter reference signal level (root mean square) [dBFS].
  8. Schließen Sie RECORDER.
  9. Öffnen Sie BATcontrol.
  10. Öffnen Sie den Kalibrierdialog von BATcontrol (siehe Abb. 2).
  11. Tragen Sie den eben notierten Full Scale Level of reference Signal (UT) in das entsprechende Feld ein.
  12. Tragen Sie den reference Signal Level LT in dBSPL Ihrer Avisoft-Scheibe in das entsprechende Feld ein.
  13. Tragen Sie in „Level of Trigger Threshold“ einen von Ihnen gewünschten Triggerschwellwert AdBSPL ein.
  14. Klicken Sie auf „Calibrate now!“ und bestätigen Sie den sich öffnenden Warnhinweis.
  15. Ab BATcontrol Version 1.1.10 wird die erfolgte Kalibrierung visuell bestätigt und der hieraus resultierende Trigger Level Threshold A% in % angezeigt. Dieser Wert kann im Configuration Dialog der RECORDER-Software (siehe Abb. 3) überprüft werden.

 
 

Allgemeines zum Trigger Level Calibration Dialog der Software RECORDER

An dieser Stelle soll zunächst an die offizielle Bedienungsanleitung der Software RECORDER von Avisoft Bioacoustics verwiesen werden, in welcher die Kalibrierung der Software für den allgemeinen Fall beschrieben ist. Sie können die Anleitung unter www.avisoft.com herunterladen.

Im Folgenden wird der Trigger Level Dialog (siehe Abb. 4) der RECORDER-Software detailliert erläutert, um Ihnen ein möglichst breites Hintergrundwissen bezüglich der Kalibrierfunktionalität der RECORDER-Software zu geben.

Vorgaben welche vom Benutzer gemacht werden müssen:

  • Trigger level (threshold) AdBSPL [dBSPL]: Gibt in dBSPL die Triggerschwelle AdBSPL an, ab welcher ein Triggerevent ausgelöst werden soll.
  • Reference signal level LRef [dBSPL]: Gibt den Referenzschallpegel einer bekannten Schallquelle in dBSPL an, welcher als Bezugswert der Kalibrierung dient.
Durch Messung ermittelte Werte:

  • Reference signal level (root mean square) URef,dBFS bzw. URef,%: Zeigt einen gemessenen Mikrofonausgangswert in dBFS bzw. %. Ist das Feld „take the max signal level“ aktiviert, wird der Maximalwert über den gesamten zeitlichen Verlauf, in welchem der Dialog geöffnet ist, angezeigt. Ansonsten wird der aktuelle Mikrofonausgangswert angezeigt

 
 

Sich hieraus berechnende Werte:

  • Full-scale SPL: Gibt den maximalen Schalldruckpegel Lmax in dBSPL an, welchen das Mikrofon aufzeichnen kann, falls mit dem aktuellen reference signal level URef eine Kalibrierung durchgeführt wurde.

 
 

  • Trigger level (threshold) AdBFS bzw. A%: Gibt den trigger level (threshold) in dBFS bzw. % an, welcher nach der Kalibrierung den angegebenen trigger level (threshold) AdBSPL in dBSPL repräsentiert. Diese Werte werden erst durch Klicken auf den „calibrate!“ Button aktualisiert.

 
 

Die -3 dB müssen hierbei subtrahiert werden, um den reference signal level als RMS (root mean square) Wert in die Berechnung eingehen zu lassen. Die -20 dB korrigieren den Einfluss der x10 Verstärkung und müssen bei deaktivierten Kontrollfeld „x10“ nicht subtrahiert werden. Nach erfolgter Kalibrierung entspricht der Wert A%, welcher unter trigger level (threshold) [%] angezeigt wird, dem Wert des Trigger Event Levels im Dialog Configuration der RECORDER-Software (siehe Abb. 3).