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Perforations of the tympanic membrane (TM) can occur as a result of injury or inflammation of the middle ear. These perforations can lead to conductive hearing loss (HL), where in some cases the magnitude of HL exceeds that attributable to the observed TM perforation alone. We aim with this study to better understand the effects of location and size of TM perforations on the sound transmitting properties of the middle ear.
The middle ear transfer function (METF) of six human temporal bones (TB; freshly frozen specimen of body donors) were compared before and after perforation of the TM at different locations (anterior or posterior lower quadrant) and of different sizes (1mm, ¼ of the TM, ½ of the TM, and full ablation). The
METF were correlated with a Finite Element (FE) model of the middle ear, in which similar alterations were simulated.
The measured and simulated FE model METFs exhibited frequency and perforation size dependent amplitude losses at all locations and severities. In direct comparison, posterior TM perforations affected the transmission properties to a larger degree than perforations of the anterior quadrant. This could possibly be caused by an asymmetry of the TM, where the malleus-incus complex rotates and results in larger deflections in the posterior TM half than in the anterior TM half. The FE model of the TM with a sealed cavity suggest that small perforations result in a decrease of TM rigidity and thus to an increase in oscillation amplitude of the TM, mostly above 1 kHz.
The location and size of TM perforations influence the METF in a reproducible way. Correlating our data with the FE model could help to better understand the pathologic mechanisms of middle-ear diseases. If small TM perforations with uncharacteristically significant HL are observed in daily clinical practice, additional middle ear pathologies should be considered. Further investigations on the loss of TM pretension due to perforations may be informative.
In order to evaluate the performance of different stapes prosthesis types, a coupled finite element (FE) model of human ear was developed. First, the middle-ear FE model was developed and validated using the middle-ear transfer function measurements available in literature including pathological cases. Then, the inner-ear FE model was developed and validated using tonotopy, impedance, and level of cochlea amplification curves from literature. Both models are based on pre-existing research with some improvements and were combined into one coupled FE model. The stapes in the coupled FE ear model was replaced with a model of a stapes prosthesis to create a reconstructed ear model that can be used to estimate how different types of protheses perform relative to each other as well as to the natural ear. This will help in designing of new innovative types of stapes prostheses or any other type of middle-ear prostheses as well as to improve the ones that are already available on the market.
Simulation models of the middle ear have rarely been used for diagnostic purposes due to their limited predictive ability with respect to pathologies. One big challenge is the large uncertainty and ambiguity in the choice of material parameters of the model.
Typically, the model parameters are determined by fitting simulation results to validation measurements. In a previous study, it was shown that fitting the model parameters of a finite-element model using the middle-ear transfer function and various other measurable output variables from normal ears alone is not sufficient to obtain a good predictive ability of the model on pathological middle-ear conditions. However, the inclusion of validation measurements on one pathological case resulted in a very good predictive ability also for other pathological cases. Although the found parameter set was plausible in all aspects, it was not yet possible to draw conclusions about the uniqueness and the accuracy or the uncertainty of the parameter set.
To answer these questions, statistical solution approaches are used in this study. Using the Monte Carlo method, a large number of plausible model data sets are generated that correctly represent the normal and pathological middle-ear characteristics in terms of various output variables like e.g., impedance, reflectance, umbo, and stapes transfer function. Subsequent principal component analyses (PCA) allow to draw conclusions about correlations, quantitative limits and statistical density of parameter values.
Furthermore, applying inverse PCA yields numerous plausible parameterizations of the middle-ear model, which can be used for data augmentation and training of a neural network which is capable of distinguishing between a normal middle ear and pathologies like otosclerosis, malleus fixation, and disarticulation based on objectively measured quantities like impedance, reflectance, and umbo velocity.
The hearing contact lens® (HCL) is a new type of hearing aid devices. One of its main components is a piezo-electric actuator. In order to evaluate and maximize the HCL’s performance, a model of the HCL coupled to the middle ear was developed using finite element approach. The model was validated step by step starting with the HCL only. To validate the HCL model, vibrational measurements on the HCL were performed using a Laser-Doppler-Vibrometer (LDV). Then, a silicone cap was placed onto the HCL to provide an interface between the HCL and the tympanic membrane of the middle-ear model and additional LDV measurements on temporal bones were performed to validate the coupled model. The coupled model was used to evaluate the equivalent sound pressure of the HCL. Moreover, a deeper insight was gained into the contact between the HCL and tympanic membrane and its effects on the HCL performance. The model can be used to investigate the sensitivity of geometrical and material parameters with respect to performance measures of the HCL and evaluate the feedback behavior.
A MATLAB toolbox was developed both for teachers performing quick experimental demonstrations during lectures and for students practicing measurement and frequency analysis procedures. The conceptual purpose was to support fundamental acoustics courses with contents defined by the DEGA recommendation 102. All implemented functions and parameters are visible at once and quickly adjustable by a GUI without submenus. A user manual is provided with explanations of how to get started and how all implemented functions can be applied. The toolbox probably still contains bugs. All users are welcome to inform the author about their experiences and proposals for improvement. In future it is planned to convert "Acoustics" to the MATLAB app designer format as Mathworks announced GUIDE to be replaced. Useful extensions would be additional tabs containing animations of sound propagation phenomena or sound fields caused by different sources.
Modern production systems are characterized by the increasingly use of CPS and IoT networks. However, processing the available information for adaptation and reconfiguration often occurs in relatively large time cycles. It thus does not take advantage of the optimization potential available in the short term. In this paper, a concept is presented that, considering the process information of the individual heterogeneous system elements, detects optimization potentials and performs or proposes adaptation or reconfiguration. The concept is evaluated utilizing a case study in a learning factory. The resulting system thus enables better exploitation of the potentials of the CPPS.
GELaZ folgte dem Förderaufruf „Intelligente Netzanbindung von Parkhäusern und Tiefgaragen“ (INPUT), mit dem Pilotprojekte unterstützt werden sollten, bei denen aufgrund des Einbaus von Ladeinfrastruktur für Elektromobilität in Parkhäuser, Parkplätze und Tiefgaragen (PPT) die Anbindung an das Stromnetz beispielhaft aufgezeigt und intelligent gelöst wird. Das Gesamtziel des Vorhabens umfasste deshalb: Errichtung öffentlichkeitswirksamer Demonstrationsanlagen mit vielen Ladeanschlüssen an drei verschiedenen Standorten in Baden-Württemberg: Ludwigsburg, Reutlingen und Konstanz. Es sollte auf bereits erprobte Hardware- und Softwarelösungen zurückgegriffen werden, die auf die örtlichen Gegebenheiten zum gleichzeitigen Laden mehrerer Fahrzeuge angepasst wurden.
Sägen ist ein häufig unterschätzter spanender Prozess. Oft kommt das Sägen nur zum Zuschnitt von Rohteilen zum Einsatz. Bei der Bearbeitung von Leichtbauwerkstoffen werden damit jedoch Schichten in Toleranz direkt auf die montagefertigen Konturen zugeschnitten. Zur Steigerung von Qualität und Zuverlässigkeit des Fertigungsprozesses werden maschineninterne und sensorische Daten überwacht, ausgewertet und in den Prozess zurückgekoppelt. Daher kommt es auf die gezielte Kontrolle der entscheidenden Parameter mit möglichst wenigen und robusten Schnittstellen an. Im Rahmen eines ZIM-Kooperationsprojektes (Hochschule Reutlingen, Hema Frickenhausen, Pragmatic Minds Kirchheim) wurde dies für einen Bandsägeprozess erforscht und umgesetzt.
Die Zielsetzung des hier vorgestellten Projekts ist es, eine intelligente Steuerungsalgorithmik für Biogas-Blockheizkraftwerke (Biogas-BHKW) zu entwickeln und zu optimieren. Daran schließt sich eine Testphase an einer realen Biogasanlage an, an der die Algorithmik zu diesem Zweck in die Anlagensteuerung implementiert wird. Um beurteilen zu können inwieweit die Steuerungsalgorithmik einen Beitrag zur Entlastung von Stromnetzen leisten kann, wird für die Versuche neben dem elektrischen Bedarf des landwirtschaftlichen Betriebs, an dem die Anlage angesiedelt ist, zusätzlich die Residuallast des benachbarten Stromnetzes betrachtet. Diese basiert auf Daten vom nächstgelegenen Umspannwerk, die so skaliert werden, dass sie eine Siedlung repräsentieren, die von dem Biogas-BHKW der Anlage mitversorgt werden kann. Die Einbindung der Steuerungsalgorithmik in die Anlagensteuerung erfolgt über eine Kommunikationsstruktur mit einer Datenbank als zentraler Schnittstelle. Eine erste Versuchsreihe, bei der das Biogas-BHKW nach den Fahrplänen der intelligenten Steuerungsalgorithmik geregelt wird, zeigt vielversprechende Ergebnisse. Über die gesamte Versuchsreihe hinweg berechnet die Steuerungsalgorithmik zuverlässig neue Fahrpläne, die vom BHKW weitestgehend auch sehr gut umgesetzt werden. Zudem kann nachgewiesen werden, dass durch den Einsatz der Algorithmik das vorgelagerte Stromnetz entlastet wird.
Die bedarfsgerechte Steuerung dezentraler thermischer Energiesysteme, wie Kraft-Wärme-Kopplungs- (KWK-) Anlagen und Wärmepumpen, kann einen entscheidenden Beitrag zur Deckung bzw. Reduktion der Residuallast leisten und so für eine Verringerung der konventionellen Reststromversorgung und den damit einhergehenden Treibhausgasemissionen sorgen. Dafür wurde an der Hochschule Reutlingen in mehrjähriger Forschungsarbeit ein prognosebasierter Steuerungsalgorithmus entwickelt. Gegenstand dieses Beitrags bilden neben der Vorstellung eben jenes Steuerungsalgorithmus auch dessen praktische Umsetzungsvarianten: Eine auf einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) rein lokal ausführbare Version sowie eine Webservice-Anwendung für den parallelen Betrieb mehrerer Anlagen – ausgehend von einem zentralen Server. Erprobungen am KWK-Prüfstand der Hochschule Reutlingen bestätigen die zuverlässige Funktionsweise des Algorithmus in den verschiedenen Umsetzungsvarianten. Gleichzeitig wird der Vorteil der bedarfsgerechten Steuerung gegenüber dem, insbesondere im Mikro-KWK-Bereich standardmäßig vorliegenden, wärmegeführten Betrieb in Form einer Steigerung der Eigenstromdeckung von bis zu 27 % aufgezeigt. Neben der bedarfsgerechten Steuerung bedient der entwickelte Algorithmus zudem noch ein weiteres Anwendungsgebiet: Den vorhersagbaren KWK-Betrieb, der beispielsweise in Form täglicher Einspeiseprognose im Rahmen des Redispatch 2.0 eingefordert wird. Die Vorhersage des KWK-Betriebs ist dabei auf zwei Weisen möglich: Als erste Option kann der wärmegeführte Betrieb direkt über den Algorithmus abgebildet und prognostiziert werden. Eine andere Möglichkeit stellt wiederum die bedarfsgerechte Steuerung der Anlage dar; der berechnete optimale Fahrplan entspricht dabei gleichzeitig der Betriebsprognose des KWK-Geräts. Damit ist der entwickelte Steuerungsalgorithmus in der Lage, auf unterschiedliche Weisen zum Gelingen der Energiewende beizutragen.