Akustische Blase - Acoustic Bubble - Burbuja Acústica
Präzision im Ultraschall: Die Berechnung der "Akustischen Blase" mit dem NEXUS
Die Winterpause ist vorbei, die meisten Fledermäuse sind bereits erwacht und die ersten zwei Messungen der Saison 2026 sind abgeschlossen. Genau diese ersten Einsätze im Feld haben gezeigt, worauf es ankommt: Theorie ist gut, aber ein Detektor-System muss in der Praxis bestehen.
Bei der Aufzeichnung von Rufen – etwa mit dem TeensyBat – und der späteren Analyse mit BatDetect2 gehen wir oft von idealisierten Reichweiten aus. Doch die Realität ist dynamisch. Pünktlich zum Saisonstart hat der NEXUS ein massives Update erhalten. Nach der Behebung kleiner Timing-Hürden (wie die UTC-Zeitverschiebung des AIR530-GPS-Moduls) gab es heute das entscheidende mathematische Upgrade: Die Akustische Blase (das tatsächliche Detektionsvolumen) wird nun in Echtzeit und mit maximaler Präzision berechnet.
Das Problem: ISO 9613-1 an der Belastungsgrenze
Um die atmosphärische Dämpfung von Schall zu berechnen, ist die ISO 9613-1 (bzw. ANSI S1.26) der anerkannte Goldstandard. Die Herausforderung: Die Norm ist nur bis 10 kHz validiert. In der Fledermausforschung arbeiten wir jedoch mit Frequenzen von 20 kHz bis über 100 kHz.
In diesem hochfrequenten Bereich verhält sich die Luft nicht mehr linear. Minimale Schwankungen der Luftfeuchtigkeit oder Temperatur verändern die Relaxationsfrequenzen von Sauerstoff und Stickstoff extrem. Ungenaue Berechnungen führen schnell zu Abweichungen von mehreren Metern. Die Extrapolation der Bass-Sutherland-Gleichungen auf 80 kHz oder 110 kHz bringt Mikrocontroller an ihre Grenzen – besonders durch Rundungsfehler bei 32-Bit-Floats.
Die Lösung: 64-Bit-Präzision auf dem ESP32S3
Um wissenschaftlich belastbare Daten zu liefern, berechnet der NEXUS ab Version 4.4.1 die Dämpfungswerte (α in dB/m) mit double (64-Bit-Präzision). Der Seeed XIAO ESP32S3 sense verfügt über die Rechenleistung (FPU), um Sättigungsdampfdrücke und molare Wasserdampfkonzentrationen fehlerfrei zu berechnen.
Ablauf im System:
- Der BME680 liefert Echtzeit-Werte für Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck.
- Der Algorithmus berechnet die Relaxationsfrequenzen für Sauerstoff und Stickstoff nach ISO 9613-1.
- Die Dämpfung wird für 20, 40, 55, 80 und 110 kHz ermittelt.
- Ein iteratives Verfahren schätzt den Radius der Akustischen Blase (z. B. bei 70 dB Systemdynamik).
Zwei autarke Systeme, eine Daten-Pipeline
In der Praxis arbeite ich mit zwei getrennten Geräten: Der TeensyBat (für Audio) und der NEXUS (für Umweltdaten) arbeiten autark. Die Wetterstation ist auf 2,40 m Höhe montiert, der NEXUS auf 2,00 m – genau in der Mikroklima-Schicht jagender Fledermäuse. Die GPS-Module (BN220, AIR530) finden vor Messbeginn ihren Fix.
Die "Magie" passiert am Rechner: Audioaufnahmen (millisekundengenau) und NEXUS-Daten (2-Sekunden-Takt) werden über eine Python-Pipeline synchronisiert. Im Modul final_3way_merge.py werden KI-Rufe aus BatDetect2 mit den NEXUS-Daten fusioniert. Ein Qualitätsfilter stellt sicher, dass nur Daten mit maximal 2 Sekunden Abweichung verknüpft werden.
Kein "Set-And-Forget"
Der NEXUS ist bewusst kein "Set-And-Forget"-System. Über den WLAN-Hotspot zeigt das Web-Interface live den Radius der Detektionsblase an. Bei Temperaturabfall kann man am Smartphone sehen, wie sich das akustische Fenster für 55 kHz (z. B. Zwergfledermaus) verändert. Alle Metadaten werden parallel auf der SD-Karte gespeichert.
Ausblick
Mit diesem Update steht der NEXUS auf einem soliden mathematischen Fundament. Nach weiteren Feldtests werde ich hier Fotos der Messaufbauten und konkrete Datensätze veröffentlichen.
Precision in Ultrasound: Calculating the "Acoustic Bubble" with NEXUS
The winter hiatus has ended, most bats have emerged from hibernation, and the first two measurements of the 2026 season are complete. These initial deployments highlighted a key insight: while theory is essential, a detector system must prove its reliability in the field.
Recording calls with the TeensyBat and analyzing them with BatDetect2 often relies on idealized detection ranges. However, reality is dynamic. The NEXUS received a major update: the Acoustic Bubble (actual detection volume) is now calculated in real time with maximum precision.
The Challenge: Extending ISO 9613-1 Beyond Its Validated Range
The ISO 9613-1 standard (and ANSI S1.26) is the gold standard for atmospheric sound attenuation. However, it is only validated up to 10 kHz. Bat research uses frequencies from 20 kHz to over 100 kHz.
At high frequencies, air behaves nonlinearly. Minor humidity or temperature changes drastically alter oxygen and nitrogen relaxation frequencies. Inaccurate calculations can deviate estimated ranges by meters. Extrapolating Bass-Sutherland equations to 80 kHz or 110 kHz pushes microcontrollers to their limits due to 32-bit floating-point rounding errors.
The Solution: 64-Bit Precision on the ESP32S3
To provide scientifically robust data, NEXUS now uses double (64-bit precision) for attenuation values (α in dB/m). The Seeed XIAO ESP32S3 sense has the computational power (FPU) to resolve saturation vapor pressures and molar water vapor concentrations accurately.
System Workflow:
- The BME680 delivers real-time temperature, humidity, and air pressure data.
- The algorithm calculates relaxation frequencies for oxygen and nitrogen per ISO 9613-1.
- Attenuation is computed for 20, 40, 55, 80, and 110 kHz.
- An iterative method estimates the Acoustic Bubble radius (e.g., 70 dB dynamics).
Two Autonomous Systems, One Data Pipeline
Field operations use two independent devices: TeensyBat (audio) and NEXUS (environmental data). The weather station is at 2.40 m, the NEXUS at 2.00 m. GPS modules (BN220, AIR530) acquire a fix before measurements begin.
Data processing occurs post-recording: audio (millisecond precision) and NEXUS data (2-second intervals) are synchronized via Python. In final_3way_merge.py, AI calls from BatDetect2 are merged with NEXUS data. A quality filter ensures only data pairs within 2 seconds are linked.
Beyond "Set-and-Forget": Real-Time Monitoring
NEXUS is designed to avoid "set-and-forget." The Wi-Fi interface shows the detection bubble radius live. If temperature drops, you can monitor how the 55 kHz acoustic window changes on your smartphone. All metadata is logged to the SD card.
Outlook
This update places NEXUS on a solid mathematical foundation. After more field tests, I will publish photos of the setups and datasets here.
Precisión en Ultrasonido: Cálculo de la "Burbuja Acústica" con NEXUS
El período de hibernación ha terminado, la mayoría de los murciélagos han salido del letargo y las dos primeras mediciones de 2026 están completas. Estos despliegues iniciales demostraron que un sistema de detección debe ser confiable en condiciones reales.
Al registrar llamadas con el TeensyBat y analizarlas con BatDetect2, confiamos en rangos idealizados. La realidad es dinámica. NEXUS recibió una actualización: la Burbuja Acústica ahora se calcula en tiempo real con máxima precisión.
El Desafío: Extrapolación de ISO 9613-1
La norma ISO 9613-1 (y ANSI S1.26) es el estándar para la atenuación del sonido, pero solo está validada hasta 10 kHz. En investigación de murciélagos, usamos frecuencias de 20 kHz a más de 100 kHz.
A altas frecuencias, el aire no es lineal. Cambios mínimos en humedad o temperatura alteran las frecuencias de relajación. Cálculos inexactos desvían los rangos estimados. Extrapolar las ecuaciones de Bass-Sutherland a 80 kHz o 110 kHz desafía a los microcontroladores debido a errores de redondeo.
La Solución: Precisión de 64 Bits
Para datos robustos, NEXUS usa double (64 bits) para los valores de atenuación. El Seeed XIAO ESP32S3 sense resuelve presiones de vapor y concentraciones molares sin errores.
Flujo de Trabajo:
- El BME680 entrega datos de temperatura, humedad y presión en tiempo real.
- El algoritmo calcula frecuencias de relajación según ISO 9613-1.
- La atenuación se calcula para 20, 40, 55, 80 y 110 kHz.
- Un método iterativo estima el radio de la Burbuja Acústica (ej. 70 dB).
Dos Sistemas Autónomos
En campo, usamos dos dispositivos: TeensyBat (audio) y NEXUS (datos ambientales). La estación meteorológica está a 2.40 m, el NEXUS a 2.00 m. Los GPS (BN220, AIR530) adquieren señal antes de iniciar.
El procesamiento ocurre después: audio (precisión de milisegundo) y datos NEXUS (cada 2 segundos) se sincronizan vía Python. En final_3way_merge.py, las llamadas de BatDetect2 se fusionan con datos NEXUS. Un filtro asegura que solo se vinculen datos con ≤2 segundos de diferencia.
Más Allá de "Instalar y Olvidar"
NEXUS evita el enfoque "instalar y olvidar". La interfaz Wi-Fi muestra el radio de la burbuja en tiempo real. Si la temperatura baja, se puede monitorear cómo cambia la ventana acústica de 55 kHz en el smartphone. Todos los metadatos se registran en la tarjeta SD.
Perspectivas
Con esta actualización, NEXUS tiene una base matemática sólida. Tras más pruebas de campo, publicaré fotos de los montajes y conjuntos de datos aquí.
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