Tonaufnahmen aus dem Bienenstock können wertvolle Hinweise über den Zustand eines Volkes liefern, z.B. Schwarmvorbereitungen oder Weisellosigkeit. In den Projekten Biene40 und AI4Bee wollen wir die Technik dazu entwickeln. Eine Alternative, an Sounddaten zu kommen, ist die Aufnahme mit Linux Kleinrechnern (Raspberry Pi) und analogen Messmikrofonen, die über eine USB-Soundkarte angeschlossen sind. Dieser Beitrag – der USB Audio Adapter Test – beschäftigt sich mit der Analyse und der Auswahl geeigneter USB Soundkarten.
Zitierung: Brell, Claus (2023) USB Audio Adapter Test für Sound aus dem Bienenstock. Online Ressource, abrufbar unter https://cbrell.de/blog/usb-audio-adapter-test-fuer-sound-aus-dem-bienenstock/
Stand: 20.09.2023
Untersuchungsgegenstand des USB Audio Adapter Test
Untersuchungsgegenstand sind gängige und preiswerte (unter 10 Euro) USB Soundkarten, die mit dem Raspberry Pi funktionieren. Daran werden im Rahmen der Bienenprojekte entwickelte Soundsensoren (Luftschallsensoren und Körperschallsensoren) angeschlossen. Die Soundsignale aus dem Bienenstock werden im Zeitraum und im Frequenzraum ausgewertet. Wesentlich ist, dass die verwendeten Adapter den Sound wenig verfälschen, wenig rauschen und robust gegen Brummstörungen sind. Da die Schallsensoren über die von den Adaptern bereitgestellte Spannung versorgt werden, wird auch diese untersucht.
Untersuchungsdesign
Untersucht werden drei unterschiedliche USB Adapter:
- USB Audioadabter Sabrent
- USB Audioadapter Goobay 3d Sound
- USB Audioadapter Logilink UA0053
Es werden die bereitgestellte Spannung und der Kurzschlussstrom gemessen, daraus wird der Innenwiderstand ermittelt.
Zur Kontrolle „nach Gehör“ werden mit jedem Adapter kurze Sprachnotizen angefertigt. Die Aufnahme wird jeweils mit Audacity auf -3,0db normalisiert. Für einen stillen Teil der Aufnahme wird jeweils ein Spektrogramm angefertigt, um einen Eindrck über das Rauschverhalten zu bekommen.
Als Mikrofon dient eine Elektret-Kapsel MCE101.
Die Testaufnahmen werden mit einem Macbook und einem USB 2.0 Adapter ausgeführt.
Die Spannungsmessungen erfolgen mit einem Messgerät Voltcraft VC404.
Als Referenz für die Tonaufnahmen werden eigesetzt: Ein Macbook nur mit internen Mikrofon, Macbook analoger Eingang mit einem Y-Kabel, um zu den USB Adaptern anschlusskompatibel zu sein.
Als Referenz für die Spannubgen werden ein Macbook und ein Iphone13 herangezogen.
Messergebnisse
Spannungen und Ströme, Innenwiderstand
Gerät Leerlauf (Volt) Strom (mA) Innenwiderstand (kOhm) USB Audioadabter Sabrent. 2,93. 0,6 4,88 USB Audioadapter Goobay 3d Sound 2,89. 0,6 4,81 USB Audioadapter Logilink UA0053. 4,69. 0,9 5,20 Macbook analoger Eingang 2,60. lässt Messung nicht zu Iphone mit Apple USB Adapter. 2,70. lässt Messung nicht zu
Rauschen und Fremdgeräusche
Abb. 1 zeigt die Spektren von stillen Passagen in den Testaufnahmen.
Abb. 1: Spektren
Testaufnahmen / Hörproben
- USB Audioadabter Sabrent
- USB Audioadapter Goobay 3d Sound
- USB Audioadapter Logilink UA0053
- Macbook „pur“ (internes Mikrofon)
- Macbook mit Y-Kabel und externem Elektret Mikrofon.
Praxistest
Einsatz in Bienenstöcken
Alle drei Adapter sind seit 2021 im Außen-Einsatz (im nach unten offenen Gehäuse) und verrichten ihren Dienst. Der Logilink-Adapter wird wegen der Störgeräusche seit Ende 2022 nicht mehr eingesetzt.
Einrichten des Adapters am Raspberry Pi
Goobay Adapter
Erster Schritt: Erkennen des Adapters mit LSUSB
pi@SoundONLY:/boot/AA/SH $ lsusb Bus 001 Device 004: ID 7392:7811 Edimax Technology Co., Ltd EW-7811Un 802.11n Wireless Adapter [Realtek RTL8188CUS] Bus 001 Device 003: ID 0d8c:0014 C-Media Electronics, Inc. Audio Adapter (Unitek Y-247A) Bus 001 Device 002: ID 05e3:0608 Genesys Logic, Inc. Hub Bus 001 Device 001: ID 1d6b:0002 Linux Foundation 2.0 root hub
Zweiter Schritt: Herausfinden, welche IDs dem Soundadaper zugewiesen sind, zunächst für die Wiedergabe
sudo aplay -l **** List of PLAYBACK Hardware Devices **** card 0: vc4hdmi [vc4-hdmi], device 0: MAI PCM i2s-hifi-0 [MAI PCM i2s-hifi-0] Subdevices: 1/1 Subdevice #0: subdevice #0 card 1: Device [USB Audio Device], device 0: USB Audio [USB Audio] Subdevices: 1/1 Subdevice #0: subdevice #0
Dritter Schritt: Herausfinden, welche IDs dem Soundadaper zugewiesen sind, für die Aufnahme
pi@SoundONLY:/boot/AA/SH $ arecord -l **** List of CAPTURE Hardware Devices **** card 1: Device [USB Audio Device], device 0: USB Audio [USB Audio] Subdevices: 1/1 Subdevice #0: subdevice #0
Vierter Schritt: Aufnahme: Wichtig sind die Angaben hinter card (hier 1) und hinter device (hier 0). Für eine Aufnahme starten Sie arecord mit diesen Angaben
# arecord -d "Dauer in s" -f cd -t wav -D plughw:"card","device" "Dateiname" # zum Beispiel für diesen Adapter arecord -d 10 -f cd -t wav -D plughw:1,0 test.wav
Sabrent Adapter
Erster Schritt: Erkennen des Adapters mit LSUSB
pi@SoundONLY:/boot/AA/SH $ lsusb Bus 001 Device 004: ID 7392:7811 Edimax Technology Co., Ltd EW-7811Un 802.11n Wireless Adapter [Realtek RTL8188CUS] Bus 001 Device 003: ID 0d8c:0014 C-Media Electronics, Inc. Audio Adapter (Unitek Y-247A) Bus 001 Device 002: ID 05e3:0608 Genesys Logic, Inc. Hub Bus 001 Device 001: ID 1d6b:0002 Linux Foundation 2.0 root hub
Zweiter Schritt: Herausfinden, welche IDs dem Soundadaper zugewiesen sind, zunächst für die Wiedergabe
sudo aplay -l **** List of PLAYBACK Hardware Devices **** card 0: vc4hdmi [vc4-hdmi], device 0: MAI PCM i2s-hifi-0 [MAI PCM i2s-hifi-0] Subdevices: 1/1 Subdevice #0: subdevice #0 card 1: Device [USB Audio Device], device 0: USB Audio [USB Audio] Subdevices: 1/1 Subdevice #0: subdevice #0
Dritter Schritt: Herausfinden, welche IDs dem Soundadaper zugewiesen sind, für die Aufnahme
pi@SoundONLY:/boot/AA/SH $ arecord -l **** List of CAPTURE Hardware Devices **** card 1: Device [USB Audio Device], device 0: USB Audio [USB Audio] Subdevices: 1/1 Subdevice #0: subdevice #0
Vierter Schritt: Aufnahme: Wichtig sind die Angaben hinter card (hier 1) und hinter device (hier 0). Für eine Aufnahme starten Sie arecord mit diesen Angaben
# arecord -d "Dauer in s" -f cd -t wav -D plughw:"card","device" "Dateiname" # zum Beispiel für diesen Adapter arecord -d 10 -f cd -t wav -D plughw:1,0 test.wav
Vergleich
Für den Vergleich wurden mittels eines Raspberry Pi und eines als Mikrofon eingesetzten Vibrationssensors 10-Sekunden-Aufnahmen angefertigt. As Klangquelle diente ein Metronom, der Sensur wurde während der Aufnahmen zusätzlich angesprochen. Die Stimme wirkt bei Goobay unmerklich rauher, der Unterschied ist kaum wahrnembar.
Die Spektrogramme zeigen bei Goobay im niederfrequenten Bereich ein leicht stärkeres Rauschen (Abb. 2)
Die Adapter Goobay und Sabrent sind von Ihren elektrischen und akustischen Eigenschaften relativ ähnlich, beide sind für Aufnahmen in Bienenstöcken geeignet.
Abb. 2: Amplitudengang und Spekrogramm in der Analyse (mit Audacity) von 10-Sekunden-Soundschnipseln.
Fazit
Anmutung der Soundaufnahmen und das Rauschverhalten lassen den Sabrent-Adapter und den Goobay Adapter geeignet erscheinen. der Sabrent hat keine Leuchtdioden, bei Tests im Feld ist das nachteilig, da anderweitig die Betreibsbereitschaft getestet werden muss. Dafü baut der Sabrent kleiner und passt zusammen mit dem eingestezten Raspberry Zero W in ein kleineres Gehäuse,
Anhang
Quellen
Sabrent Sound Adapter bei Amazon: https://www.amazon.de/Sabrent-Soundkarte-External-erforderlich-AU-MMSA/dp/B00IRVQ0F8
Logilink Sound Adapter bei Reichelt: https://www.reichelt.de/soundkarte-extern-5-1-usb-2-0-logilink-ua0053-p132569.html
Goobay Sound Adapter bei Reichelt: https://www.reichelt.de/usb-2-0-soundkarte-goobay-95451-p249937.html
Ein Youtube-Video, in dem der Sabrent USB Adapter mit verschiedenen Mikrofonen und Kophhörern getestet wird: https://www.youtube.com/watch?v=1HKTWF3l6iQ
Glossar
Spektrogramm
Ein Spektrogramm ist eine Visualisierung von Informationen über die Frequenzverteilung eines Signals über die Zeit hinweg. Es wird in der Signalverarbeitung und der Analyse von Klängen sprich Audiosignalen verwendet, um Einblicke in die zeitliche Entwicklung der Frequenzkomponenten eines Signals zu gewinnen.
Ein Spektrogramm besteht aus einer zweidimensionalen Darstellung, wobei die horizontale Achse die Zeit darstellt und die vertikale Achse die Frequenz. Die Intensität oder Amplitude des Signals wird durch Farbe oder durch Helligkeit dargestellt. Dunkle Bereiche im Spektrogramm entsprechen geringer Intensität, während helle Bereiche hohe Intensität repräsentieren.
Spektrogramme sind nützlich z.B. der Analyse von Musik, der Spracherkennung, der Überwachung von Funkfrequenzen, der Untersuchung von seismischen Signalen oder dem Klanggeschehen in Bienenstöcken. Sie ermöglichen es, komplexe Signalstrukturen zu visualisieren und zu analysieren, die sonst schwer zu interpretieren wären.
Autor und Lizenz
Autor: Prof. Dr. rer. nat. Claus Brell, aktuelle Projekte: Biene40, AI4Bee
Lizenz: CC BY 
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