Akustische Blase - Acoustic Bubble - Burbuja Acústica

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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 im Kasten. 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 daher ein massives Update unter der Haube erhalten. Nachdem in den ersten Testläufen kleine Timing-Hürden (wie die UTC-Zeitverschiebung des AIR530-GPS-Moduls) erfolgreich behoben wurden, 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 physikalische Herausforderung: Die Norm ist offiziell nur bis 10 kHz validiert. In der Fledermausforschung arbeiten wir aber mit Frequenzen von 20 kHz bis weit über 100 kHz.

In diesem hochfrequenten Bereich verhält sich die Luft nicht mehr linear. Bereits minimale Schwankungen der relativen Luftfeuchtigkeit oder der Temperatur verändern die Relaxationsfrequenzen von Sauerstoff und Stickstoff extrem. Eine ungenaue Berechnung führt hier schnell dazu, dass eine geschätzte Reichweite um etliche Meter abweicht. Wer die komplexen Bass-Sutherland-Gleichungen der Norm auf Frequenzen wie 80 kHz oder 110 kHz extrapoliert, bringt Standard-Mikrocontroller an ihre Grenzen – insbesondere durch Rundungsfehler bei 32-Bit-Gleitkommazahlen (Floats) in den exponentiellen Termen.

Die Lösung: 64-Bit-Präzision auf dem ESP32S3

Um wissenschaftlich unangreifbare Daten zu liefern, berechnet der NEXUS die Dämpfungswerte (α in dB/m) ab der Version 4.4.1 nun durchgängig mit double (64-Bit-Präzision). Der verbaute Seeed XIAO ESP32S3 sense verfügt über die nötige Rechenleistung (FPU), um die komplexen Sättigungsdampfdrücke und molaren Wasserdampfkonzentrationen fehlerfrei aufzulösen.

Der Ablauf im System:

• Der BME680 liefert hochpräzise Echtzeit-Werte für Temperatur, Luftfeuchtigkeit und absoluten Luftdruck.
• Der Algorithmus berechnet daraus die spezifischen Relaxationsfrequenzen für Sauerstoff und Stickstoff nach ISO 9613-1.
• Die atmosphärische Dämpfung wird simultan für 20, 40, 55, 80 und 110 kHz ermittelt.
• Über ein iteratives Näherungsverfahren wird der Radius der Akustischen Blase geschätzt (basierend auf z. B. 70 dB Systemdynamik).

Zwei autarke Systeme, eine Daten-Pipeline

In der Praxis arbeite ich mit zwei völlig getrennten Geräten: Der TeensyBat (für die Audioaufzeichnung) und der NEXUS (für die Umweltdaten) arbeiten strikt autark. Das macht das Setup extrem robust. Die Sparkfun-Wetterstation sitzt auf dem Rig auf idealen 2,40 m Höhe, der NEXUS auf 2,00 m – genau in der relevanten Mikroklima-Schicht der jagenden Fledermäuse. Während des mechanischen Aufbaus im Feld haben die GPS-Module (wie der Beitian BN220 und der AIR530) genug Zeit, entspannt ihren Fix zu finden, bevor die 2-stündige Standardmessung startet.

Die eigentliche "Magie" passiert danach am Rechner. Da die Audio-Aufnahmen auf die Millisekunde genau erfolgen, der NEXUS aber strikt im 2-Sekunden-Takt loggt, werden die Datenströme über eine Python-Pipeline synchronisiert. Im Modul final_3way_merge.py werden die KI-erkannten Rufe aus BatDetect2 mit den NEXUS-Daten "verheiratet". Ein harter Qualitätsfilter sorgt dabei dafür, dass Rufen nur Umweltdaten zugeordnet werden, die zeitlich maximal 2 Sekunden abweichen. So ist sichergestellt, dass die berechnete Akustische Blase für jeden einzelnen Ruf physikalisch absolut belastbar ist.

Kein "Set-And-Forget"

Der NEXUS ist in der Validierungsphase ganz bewusst niemals als "Set-And-Forget"-System konzipiert. Über den integrierten WLAN-Hotspot liefert das Web-Interface im Feld nicht nur die exakten Dämpfungswerte, sondern zeigt nun auch in einer eigenen Spalte den aktuellen Radius der Detektionsblase in Metern an.

Das bedeutet: Wenn im Laufe der Nacht die Temperatur fällt und der Taupunkt erreicht wird, kann live auf dem Smartphone abgelesen werden, wie sich das akustische Fenster für Frequenzen wie 55 kHz (z. B. Zwergfledermaus) öffnet oder schließt. Gleichzeitig werden all diese hochpräzisen Metadaten parallel zu den Umweltparametern im 2-Sekunden-Takt auf der SD-Karte weggeschrieben.

Ausblick

Mit diesem Architektur-Update steht der NEXUS in der kommenden Validierungsphase auf einem absolut soliden, nachvollziehbaren mathematischen Fundament. Sobald weitere Feldtests gelaufen sind, werde ich hier auch erste Fotos der Messaufbauten und konkrete Datensätze aus der Praxis veröffentlichen.

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Precision in Ultrasound: Calculating the "Acoustic Bubble" with NEXUS

The winter break is over, most bats have awakened, and the first two measurements of the 2026 season are in the bag. These initial field deployments have highlighted what truly matters: theory is good, but a detector system must prove itself in the field.

When recording calls—for example, with the TeensyBat—and during subsequent analysis with BatDetect2, we often rely on idealized detection ranges. However, reality is dynamic. Right on time for the season start, the NEXUS received a massive under-the-hood update. After successfully resolving minor timing hurdles in initial test runs (like the UTC time offset of the AIR530 GPS module), the crucial mathematical upgrade was implemented today: The Acoustic Bubble (the actual detection volume) is now calculated in real-time with maximum precision.

The Problem: ISO 9613-1 at its Limits

To calculate the atmospheric attenuation of sound, the ISO 9613-1 (and ANSI S1.26) is the recognized gold standard. The physical challenge: The standard is officially only validated up to 10 kHz. In bat research, however, we work with frequencies from 20 kHz to well over 100 kHz.

In this high-frequency range, air no longer behaves linearly. Even minimal fluctuations in relative humidity or temperature drastically alter the relaxation frequencies of oxygen and nitrogen. Inaccurate calculations quickly cause estimated ranges to deviate by several meters. Extrapolating the complex Bass-Sutherland equations to frequencies like 80 kHz or 110 kHz pushes standard microcontrollers to their limits—especially due to rounding errors using 32-bit floating-point numbers in the exponential terms.

The Solution: 64-Bit Precision on the ESP32S3

To provide scientifically unassailable data, the NEXUS now calculates attenuation values (α in dB/m) consistently using double (64-bit precision) as of version 4.4.1. The integrated Seeed XIAO ESP32S3 sense has the necessary computing power (FPU) to flawlessly resolve the complex saturation vapor pressures and molar water vapor concentrations.

System Workflow:

• The BME680 provides highly precise real-time values for temperature, humidity, and absolute air pressure.
• The algorithm uses these to calculate the specific relaxation frequencies for oxygen and nitrogen according to ISO 9613-1.
• Atmospheric attenuation is calculated simultaneously for 20, 40, 55, 80, and 110 kHz.
• An iterative approximation method estimates the radius of the Acoustic Bubble (based on, e.g., 70 dB system dynamics).

Two Autonomous Systems, One Data Pipeline

In the field, I work with two completely separate devices: The TeensyBat (for audio recording) and the NEXUS (for environmental data) operate strictly autonomously. This makes the setup extremely robust. The Sparkfun weather station sits on the rig at an ideal height of 2.40 m, and the NEXUS at 2.00 m—exactly in the relevant microclimate layer of hunting bats. During the mechanical setup, the GPS modules (like the Beitian BN220 and the AIR530) have enough time to patiently acquire their fix before the standard 2-hour measurement starts.

The real "magic" happens afterward on the computer. Since audio recordings are precise down to the millisecond, but the NEXUS strictly logs in 2-second intervals, the data streams are synchronized via a Python pipeline. In the final_3way_merge.py module, the AI-detected calls from BatDetect2 are "married" to the NEXUS data. A strict quality filter ensures that calls are only assigned environmental data with a maximum time deviation of 2 seconds. This ensures that the calculated Acoustic Bubble for every single call is physically irrefutable.

No "Set-And-Forget"

During the validation phase, the NEXUS is deliberately never designed as a "set-and-forget" system. Via the integrated Wi-Fi hotspot, the web interface provides not only exact attenuation values in the field but also displays the current radius of the detection bubble in meters in a dedicated column.

This means: If the temperature drops during the night and reaches the dew point, I can see live on my smartphone how the acoustic window for frequencies like 55 kHz (e.g., Pipistrelle bats) opens or closes. Simultaneously, all these high-precision metadata are logged to the SD card alongside the environmental parameters every 2 seconds.

Outlook

With this architectural update, the NEXUS stands on an absolutely solid, transparent mathematical foundation for the upcoming validation phase. As more field tests are completed, I will also publish the first photos of the measurement setups and concrete practical datasets here.

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Precisión en el Ultrasonido: Calculando la "Burbuja Acústica" con NEXUS

El receso de invierno ha terminado, la mayoría de los murciélagos han despertado y las dos primeras mediciones de la temporada 2026 ya están listas. Estos primeros despliegues en el campo han demostrado lo que realmente importa: la teoría es buena, pero un sistema detector debe probar su valía en la práctica.

Al grabar llamadas —por ejemplo, con el TeensyBat— y durante el análisis posterior con BatDetect2, a menudo confiamos en rangos de detección idealizados. Sin embargo, la realidad es dinámica. Justo a tiempo para el inicio de la temporada, el NEXUS recibió una actualización masiva en su código interno. Después de resolver con éxito pequeños obstáculos de sincronización en las pruebas iniciales (como el desfase horario UTC del módulo GPS AIR530), hoy se implementó la mejora matemática crucial: La Burbuja Acústica (el volumen de detección real) ahora se calcula en tiempo real con la máxima precisión.

El Problema: ISO 9613-1 al Límite

Para calcular la atenuación atmosférica del sonido, la norma ISO 9613-1 (y la ANSI S1.26) es el estándar de oro reconocido. El desafío físico: La norma solo está validada oficialmente hasta los 10 kHz. En la investigación de murciélagos, sin embargo, trabajamos con frecuencias desde 20 kHz hasta más de 100 kHz.

En este rango de alta frecuencia, el aire ya no se comporta de manera lineal. Incluso fluctuaciones mínimas en la humedad relativa o la temperatura alteran drásticamente las frecuencias de relajación del oxígeno y el nitrógeno. Cálculos inexactos provocan rápidamente que los rangos estimados se desvíen por varios metros. Extrapolar las complejas ecuaciones de Bass-Sutherland a frecuencias como 80 kHz o 110 kHz lleva a los microcontroladores estándar al límite, especialmente debido a errores de redondeo al usar números de punto flotante de 32 bits en los términos exponenciales.

La Solución: Precisión de 64 Bits en el ESP32S3

Para proporcionar datos científicamente irrefutables, el NEXUS ahora calcula los valores de atenuación (α en dB/m) utilizando consistentemente double (precisión de 64 bits) a partir de la versión 4.4.1. El Seeed XIAO ESP32S3 sense integrado tiene la potencia de cálculo necesaria (FPU) para resolver sin errores las complejas presiones de vapor de saturación y las concentraciones molares de vapor de agua.

Flujo de Trabajo del Sistema:

• El BME680 proporciona valores en tiempo real altamente precisos de temperatura, humedad y presión atmosférica absoluta.
• El algoritmo utiliza estos datos para calcular las frecuencias de relajación específicas para el oxígeno y el nitrógeno según la ISO 9613-1.
• La atenuación atmosférica se calcula simultáneamente para 20, 40, 55, 80 y 110 kHz.
• Un método de aproximación iterativa estima el radio de la Burbuja Acústica (basado, por ejemplo, en una dinámica de sistema de 70 dB).

Dos Sistemas Autónomos, Un Flujo de Datos

En el campo, trabajo con dos dispositivos completamente separados: El TeensyBat (para grabación de audio) y el NEXUS (para datos ambientales) operan de manera estrictamente autónoma. Esto hace que la configuración sea extremadamente robusta. La estación meteorológica Sparkfun se ubica en el soporte a una altura ideal de 2,40 m, y el NEXUS a 2,00 m, exactamente en la capa de microclima relevante de los murciélagos en caza. Durante el montaje mecánico, los módulos GPS (como el Beitian BN220 y el AIR530) tienen tiempo suficiente para adquirir pacientemente su señal antes de que comience la medición estándar de 2 horas.

La verdadera "magia" ocurre después en la computadora. Dado que las grabaciones de audio son precisas al milisegundo, pero el NEXUS registra estrictamente en intervalos de 2 segundos, los flujos de datos se sincronizan mediante una canalización (pipeline) en Python. En el módulo final_3way_merge.py, las llamadas detectadas por IA de BatDetect2 se "unen" a los datos del NEXUS. Un estricto filtro de calidad garantiza que a las llamadas solo se les asignen datos ambientales con una desviación de tiempo máxima de 2 segundos. Esto asegura que la Burbuja Acústica calculada para cada llamada sea físicamente irreprochable.

Nada de "Instalar y Olvidar"

Durante la fase de validación, el NEXUS está diseñado deliberadamente para nunca ser un sistema de "instalar y olvidar" (Set-And-Forget). A través del punto de acceso Wi-Fi integrado, la interfaz web proporciona no solo valores de atenuación exactos en el campo, sino que también muestra el radio actual de la burbuja de detección en metros en una columna dedicada.

Esto significa: Si la temperatura baja durante la noche y alcanza el punto de rocío, puedo ver en vivo en mi smartphone cómo se abre o se cierra la ventana acústica para frecuencias como 55 kHz (por ejemplo, murciélagos Pipistrellus). Simultáneamente, todos estos metadatos de alta precisión se registran en la tarjeta SD junto con los parámetros ambientales cada 2 segundos.

Perspectivas

Con esta actualización arquitectónica, el NEXUS se asienta sobre una base matemática absolutamente sólida y transparente para la próxima fase de validación. A medida que se completen más pruebas de campo, también publicaré aquí las primeras fotos de las configuraciones de medición y conjuntos de datos prácticos concretos.