Mit Ultraschall auf Abstand

Hannah Schmedding (2003),
Lisa B inkmann (2004),
Tu Duong Dang (2002),
Paul Kallis (2003),
Ke in S icke (2003)
Gymnasium Obe u sel,
MINT-Schul-Labo de
Hochschule Da ms ad
Eingang de A bei :
6.5.2021
A bei angenommen:
17.5.2021
DIE JUNGFORSCHER
Mi Ul aschall
au Abs and
En wicklung und Tes eines Mess-Sys ems
zu Analyse des Abs ands e hal ens in
Menschenansammlungen
In den Jah en 2020/2021 zähl e das Mindes abs andsgebo
(1,5 m) zu den wich igs en Hygienemaßnahmen bei de
Eindämmung des Co id19-In ek ionsgeschehens. Ein au Basis
on Ul aschall-Senso en en wickel es Mess-Sys em analysie
das Abs ands e hal en in Menschenansammlungen und
un e s ü z dami bei de Planung und Du ch üh ung on
E en s. Die Leis ungs ähigkei dieses Sys ems wi d un e such
und o ges ell .
Technik
Pape 04 / 2022 doi: 10.7795/320.202204
Jung o sche Innen publizie en
online |
pee e iewedpee e iewed
| o iginal
Ve lag:
Physikalisch-
Technische
Bundesans al
doi: 10.7795/320.202204
Obwohl die A.H.A.(L.)-Regeln einen
gu en Schu z o de In ek ion und de
Übe agung des Vi us bie en, ha sich
in de all äglichen Umse zung he aus-
ges ell , dass die daue ha e und so g-
äl ige Einhal ung diese Maßnahmen
in de Ö en lichkei seh schwie ig is ,
insbesonde e wenn Menschen bei Ve -
ans al ungen zusammen e en und
wäh end diese E en s om Einhal en
de Hygiene egeln abgelenk we den.
Neben de Gas onomie- und Behe be -
gungsb anche s ell dies insbesonde e
E en -Diens leis e (Thea e , Konze ,
Spo e ans al ungen, ö en liche Fes e
und Feie n, Mä k e e c.) o g oße He-
aus o de ungen. Wäh end de e s en
Welle muss en nahezu alle Ve ans al-
ungen abgesag we den. In den Som-
me mona en 2020 sind on den E en -
O ganisa o en in Zusammena bei mi
den lokalen Gesundhei sbehö den Kon-
zep e zu den Hygiene-Maßnahmen en -
wickel wo den, die die Du ch üh ung
on Ve ans al ungen un e Au lagen
wiede e möglichen sollen. Dabei ob-
liegen die konsequen e Du ch üh ung
und s ik e Einhal ung diese Hygie-
ne-Au lagen dem Ve ans al e . Behö d-
lich we den Ve ans al ungen nu dann
genehmig , wenn das om Ve ans al e
o geleg e Hygiene-Konzep übe zeug
und umse zba is .
Die o liegende A bei konzen ie
sich au das Gebo zu Einhal ung des
Mindes abs ands (1,5 m). Fü Ve an-
s al ungen, bei denen das Publikum
bzw. die Gäs e si zen, kann man dies
seh gu du ch die Ano dnung de Si z-
plä ze (mi en sp echenden Abs änden)
s eue n, sodass im Wesen lichen nu
die Phasen des Ein e ens, de Pausen
und des Ve lassens des Ve ans al ungs-
geländes übe wach we den müssen.
Wei aus schwie ige sind die Beu ei-
lung und S eue ung on Menschenan-
sammlungen, bei denen es keine es en
Si zplä ze gib . Hie bewegen sich die
Pe sonen ela i ei au dem Ve ans al-
ungsgelände, un e hal en sich mi ein-
ande ode hal en sich e s ä k an A -
ak ionspunk en wie Ve kau ss änden,
In o ma ions a eln ode Anima ions-
-Regeln o de Ans eckung und Aus-
b ei ung des Co id19-Vi us schü zen.
Fü den All ag sind dazu die sogenann-
en A.H.A.(L.)-Gebo e e ablie wo den
[2]. Neben dem Gebo des Maske a-
gens und eine aus eichenden Lü ung
in Gebäuden is die Einhal ung eines
Mindes abs ands on 1,5 m zu ande-
en Pe sonen in de Ö en lichkei on
en scheidende Bedeu ung. De medizi-
nisch-wissenscha liche G und hie ü
lieg da in, dass i usbelas e e Ae o-
sole, die beim A men, Sp echen, Nie-
sen und/ode Hus en den Mund-Nasen-
Raum e lassen, e s in einem Abs and
on ca. 1,5 m g öß en eils zu Boden ge-
sunken sind und dami nich meh in
den Mund und die Nase des Gegenübe s
gelangen können [3].
Mi Ul aschall
au Abs and
En wicklung und Tes eines Mess-Sys ems zu Analyse
des Abs ands e hal ens in Menschenansammlungen
1. Einlei ung
Sei An ang des Jah es 2020 behe sch
die Co id19-Pandemie das wel - und
deu schlandwei e Leben [1]. Nach de
e s en In ek ionswelle im F ühjah
2020 ( on Mä z bis Mai) und de zwei-
en Welle im He bs und Win e ( on
Ok obe 2020 bis Feb ua 2021) e leb-
e Deu schland on Mä z bis Mai 2021
die d i e In ek ionswelle, in de insbe-
sonde e neue Co id19-Vi us a ian en
au a en und abgeweh we den muss-
en. Gleichzei ig nahm die wel - und
deu schlandwei e Imp kampagne sei
An ang 2021 an Fah au .
Solange noch keine aus eichende
Du chimp ung und die dami e bun-
dene He denimmuni ä o lieg , muss
die Be ölke ung sich du ch eine Rei-
he spezielle Hygiene-Maßnahmen und
Technik | Sei e 2
JUNGE wissenscha 15 / 18 | Sei e 3JUNGE wissenscha 04 / 22 | Sei e 3
doi: 10.7795/320.202204
geeigne is . Beim Ein i we den mo-
bile Senso einhei en an einige Besu-
che e eil mi de Bi e, diese wäh-
end de Ve ans al ung o de B us
zu agen. In diese Zei miss die Sen-
so einhei übe den eingebau en Ul a-
schall-Senso kon inuie lich den Ab-
s and zwischen dem Senso äge und
den wei e en Pe sonen, welche sich o
ihm be inden. Die We e on allen ak-
i en mobilen Senso einhei en we den
kon inuie lich pe Funk an einen zen-
alen Emp änge -PC gesende , de die
Da en au zeichne , auswe e und zei -
nah dem Ve ans al e in geeigne e
Fo m o s ell . Au diese Weise können
die Ve an wo lichen das Abs ands e -
hal en de Besuche p ü en und gg .
Maßnahmen zu Ve besse ung s a en
(z.B. Lau sp eche du chsagen, Einlass-
besch änkungen, empo ä es Schließen
on A ak ionspunk en …). De g oße
Vo eil dieses Sys ems lieg da in, dass
die Ul aschall-Senso einhei den Ab-
s and auch zu Pe sonen miss , die selbs
keinen Senso agen. Au diese Weise
is es aus eichend, nu an eine S ichp o-
be de Teilnehmenden Senso einhei en
auszugeben.
ge ä scha en au . Dabei wi d häu ig
das Abs andsgebo e gessen und des-
sen Einhal ung e nachlässig . Diese
Si ua ionen und dieses Ve hal en muss
de E en -Ve ans al e bei de Planung
de Ve ans al ung be ücksich igen und
wäh end des E en s ech zei ig e ken-
nen, um e en uell gegens eue n zu kön-
nen.
Die olgenden echnischen Hil smi -
el s ehen de zei zu Messung und Do-
kumen a ion des Abs ands e hal ens in
Menschenansammlungen zu Ve ü-
gung:
■Co ona-Wa n-App: Sei Juni 2020
können Sma phone-Besi ze die
sogenann e Co ona-Wa n-App in-
s allie en und zum Regis ie en
on Kon ak en mi ande en Use n
in de Ö en lichkei nu zen [4]. Sei
2021 wi d diese So wa e u.a. du ch
die Luca-App zu Kon ak e ol-
gung e gänz [5].
■Res a -19-S udie: Im Rahmen
des Res a -19-Fo schungsp o-
jek s [6] de Uni e si ä Halle (Saa-
le) wu de im Augus 2020 ein Kon-
ze des Sänge s Tim Bendzko mi
ausgewähl em Publikum du chge-
üh . Dabei wu de ein sogenann es
„Con ac T ace “-Sys em e wen-
de , bei dem alle Teilnehmenden
kleine Sende ugen, die die Kon-
ak e und Annähe ungen de Teil-
nehme un e einande maßen und
au zeichne en. Diese Da en wu den
im Anschluss ausgewe e [7]. Sei
He bs 2020 wu den wei e e Tes -
Ve ans al ungen mi ähnlichen Sys-
emen du chge üh und bewe e .
■Co ona Abs andswa ne : Die Fi -
ma ESGMobili y [8] aus Fulda ha
eben alls au Blue oo h-Basis einen
mobilen Senso (zum Umhängen)
en wickel , de die Abs ände zu be-
nachba en Ge ä en e mi el und
bei Un e sch ei ung des Mindes -
abs ands ein Ala msignal ausgib .
■Lu übe wachung du ch D ohnen:
Siche hei sbehö den können bei
de Beglei ung on Ve ans al un-
gen auch au die Lu übe wachung
du ch D ohnen zu ückg ei en. Die
on de D ohne e zeug en Bilde
müss en (au oma isie ) mi hil e
on Bild e a bei ungswe kzeugen
im Hinblick au die Einhal ung des
Mindes abs ands analysie we -
den.
Abb. 1 illus ie das hie o ges ell-
e Mess-Sys em, welches ü die Ve an-
s al e on Indoo - und Ou doo -E en s
Pe son ohne Senso
Pe son mi Senso
Abs andsmessung übe Mindes we
Abs andsmessung un e Mindes we
Menschenansammlung
PC mi WLAN-Kno en
Abb. 1: Illus a ion zum P inzip de Abs andsmessung in Menschenansammlungen
mi dem hie o ges ell en Mess-Sys em
doi: 10.7795/320.202204
2. Vo gehensweise,
Ma e ialien und Me hoden
Nach einigen echnischen Vo beme -
kungen zu De ini on de Mindes ab-
s ands-Regel wi d die en wickel e mo-
bile Senso einhei (Ha d- und So wa e)
in Ve bindung mi den P og ammen
zu Auswe ung und Visualisie ung de
Da en o ges ell . Des Wei e en wi d
de Funk ionsum ang des So wa e-
Tools zu Simula ion des Abs ands e -
hal ens in Menschenansammlungen
au gezeig .
2.1 Zu De ini ion de Mindes -
abs and-Regel
Die Hygiene-Abs ands egel ü Men-
schenansammlungen besag , dass de
Mindes abs and zwischen Pe sonen
1,5m nich un e sch ei en soll. Abb. 2
illus ie dieses Gebo ü eine ypische
Menschenansammlung. In diesem
Beispiel gib es einen ech eckigen
Ve sammlungsbe eich de G öße
25m·15m=375m². In diesem Gebie
e sammeln sich 56 Pe sonen. Nach de
Abs ands egel beansp uchen diese Teil-
nehmenden einen k eis ö migen Be-
eich mi Radius 1,5 m um sich he um,
in dem sich keine ande e Pe son au -
hal en da . Dies is in diesem Beispiel
ü 28 Teilnehmende (mi g ünem Ab-
s andsk eis) e üll und ü die ande en
28 Pe sonen nich (mi o em Abs ands-
k eis).
Man kann die mögliche Teilnehme -
zahl Nmax, die maximal in diesen Ve -
sammlungsbe eich un e Einhal ung
de Abs ands egel „passen“ wü den,
wie olg abschä zen: Wenn jede die-
se Pe sonen einen K eis om Radius
1,5m/2=0,75m beansp uch und die-
se K eise sich nich übe lappen wü den,
käme man au eine „beleg e“ Fläche on
Nmax · π · (0,75 m)² ≈ Nmax · 1,8 m².
D.h. in dem Be eich könn en sich ca.
Nmax = 375 m² / 1,8 m² ≈ 200 Pe sonen
au hal en, welche sich abe seh diszi-
plinie an die Abs ands egeln hal en
müss en. Diese Abschä zung is seh
g ob, da E ek e am Rand und in den so-
genann en „K eiszip eln“ nich be ück-
sich ig we den. Des Wei e en gäbe es in
diesem Szena io keine Ve keh s lächen
(Fluch wege e c.), sodass sich die Teil-
nehmenden au dem Ve ans al ungs-
gelände kaum bewegen könn en. Abe
in den meis en Fällen we den auch bei
deu lich wenige Pe sonen (als in die-
sem ex emen Beispiel) die Abs ands e-
geln nich ollkommen eingehal en, da
nich s ändig de en Einhal ung beach-
e wi d. Dies gil insbesonde e, wenn
meh e e Pe sonen sich kennen und sich
un e hal en, ode wenn es A ak ions-
punk e wie In o ma ions a eln, Ve -
kau ss ände e c. gib .
Es e gib sich bei diese ma hema isch-
geome ischen Be ach ung zum Ab-
s andsgebo die F age, ob diese zu ei-
gen lichen medizinischen Absich
pass : Eine In ek ion soll dadu ch e -
mieden we den, dass sich de Mund-
Nasen-Be eich des Gegenübe s nich in
de eigenen, aus Mund ode Nase ausge-
s oßenen Ae osolwolke be inde . Abb. 3
illus ie diese Si ua ion.
In diesem Modell we den alle ün Pe -
sonen nich nu du ch ih e jeweili-
ge Posi ion au dem Ve ans al ungsge-
lände besch ieben, sonde n auch du ch
ih e Blick ich ung (P eil-Rich ung).
Am Beispiel de Pe son 1 ( iole ) is
mi dem dunkel-o angenen D eieck
de jenige Be eich angedeu e , in wel-
che sich die Ae osolwolke on Pe son 1
ausb ei e . Pe son 2 blick Pe son 1 an
und ich e dami auch Mund und Nase
au die Ae osolwolke, sodass hie de
Mindes abs and on 1,5 m eine g oße
Bedeu ung besi z . Pe son 3 und 4 be-
inden sich zwa inne halb des 1,5 m
Abs andsk eises (hello ange) on Pe -
son 1, jedoch nich im Be eich de Ae o-
solwolke. Des Wei e en schauen Pe son
3 und 4 nich in die Rich ung on Pe -
son 1, sodass ih e Ae osolwolken Pe -
son 1 eben alls nich „ e en“. Obwohl
Pe son 3 und 4 das 1,5 m Abs andsge-
bo zu Pe son 1 nich einhal en, s ell
sich die F age, wie hoch in diese spe-
ziellen Si ua ion das In ek ions isiko
is . Neben diesem medizinischen As-
pek e gib sich auch die p ak ische F a-
ge, ob Pe son 1, 3 und 4 in diese Si u-
a ion übe haup egis ie en, dass sie
die Abs ands egel e le zen, da die d ei
sich nich ansehen und ih Gegenübe
dahe ielleich ga nich beme ken.
In diesem Kon ex s ellen die Pe so-
nen 1 und 5 ein wei e es „Szena io“ da .
Pe son 5 be inde sich zwa im Be eich
de Ae osolwolke on Pe son 1, schau
Räumliche Beg nzung des Ve sammlungsbe eichs
25 m
15 m
Abb. 2: Beispielha e Da s ellung zu Geome ie de Mindes ab-
s and egel; g üne K eis: Pe son häl Mindes abs and ein, o e
K eis: Pe son häl Mindes abs and nich ein
Technik | Sei e 4
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de Ae osolwolke on ca. +/-20° (bei
40Pa ./cm³ im Abs and on ca. 3m)
[9]. Wenn also Pe son 1 in Abb. 3 eine
Senso einhei o de B us äg , kann
diese den Abs and zu den Pe sonen 2
und 5 egis ie en, jedoch we den die
Pe sonen 3 und 4 nich de ek ie .
Die in diese A bei e wende en Ab-
s andssenso en messen und egis ie en
haup sächlich den Abs and in Blick-
ich ung des T äge s. In diesen Winkel-
be eich s öß de T äge in de Regel die
Ae osolwolke aus. Dies is bei de Aus-
we ung und In e p e a ion de gesam-
mel en Messe gebnisse alle Senso ein-
hei en zu be ücksich igen.
2.2 En wicklung de
Senso einhei
Die wesen liche Au gabe de mobilen
Ul aschall-Abs andssenso -Einhei
bes eh da in, kon inuie lich den Ab-
s and zum Vo de mann/zu Vo de au
zu messen. Als Senso dien hie zu de
kompak e Ul aschallsenso HC-SR04,
welche nu in eine Rich ung (en lang
de Senso achse) in einem Winkelbe-
eich on ca. +/–15° miss und Abs ände
im Be eich on 3 bis 400 cm de ek ie en
kann [10]. Dami die Abs ände (nu ) in
Blick ich ung (bzw. in die Rich ung, in
abe in die en gegengese z e Rich ung,
sodass ih Rücken und Hin e kop die
Ae osole gegenübe dem Mund-Nasen-
Be eich zu einem gewissen Teil abschi -
men. Dahe e gib sich auch hie die
F age nach dem In ek ions isiko in die-
se Si ua ion.
Be ach e man die in de Einlei ung
besch iebenen bislang e wende en
Senso sys eme zu Abs andsmessung
in Menschenansammlungen, so sind
diese Messme hoden iso op, d.h. un-
abhängig on de Rich ung und O ien-
ie ung des Senso äge s. Diese „klas-
sischen“ Ve ah en we den dahe im
Beispiel aus Abb. 3 egis ie en, dass
die Pe sonen 3, 4 und 5 den Mindes -
abs and zu Pe son 1 nich einhal en
und Pe son 2 sich ge ade an de Ab-
s andsg enze zu Pe son 1 be inde .
De hie e wende e Ul aschall-Senso
miss jedoch den Abs and nu in Blick-
ich ung on Pe son 1, genaue gesag
zu Pe sonen, die sich inne halb eines
Kegels mi Ö nungswinkel on ca. +/–
15° be inden. Diese Winkel lieg un-
ge äh im Be eich des Auss oßwinkels
die de Obe kö pe gewende is ) gemes-
sen we den, müssen die Tes pe sonen
die Senso einhei o de B us agen.
De HC-SR04-Senso is an einen Mik-
o-Con olle (A duino Nano) mi in e-
g ie e RF-Sende-Emp änge -Einhei
angeschlossen. Als mobile S omquelle
dien eine 9V-Blockba e ie, welche den
A duino Nano und den Senso mi elek-
ische Ene gie e so g .
De Con olle e häl om Ul aschall-
senso kon inuie lich die ak uellen Ab-
s andswe e und sende diese übe die
RF-Einhei an eine zen ale Emp änge -
einhei , welche die Da en ( on allen ak-
i en mobilen Senso einhei en) an eine
PC-So wa e wei e lei e . Diese we den
do gespeiche , ausgewe e und die
E gebnisse de Abs andsanalyse dem
Ve ans al e in au be ei e e Fo m in-
s an an zu Ve ügung ges ell , dami
diese gg . Maßnahmen e g ei en kann.
Al e na i zu Funkübe agung is es
auch möglich, die mobilen Senso ein-
hei en mi eine SD-Ka e auszus a en
und au diese Weise als Da enlogge zu
e wenden. In diesem Fall en äll die
RF-Da enübe agung zu Emp angs-
einhei . Die Auswe ung de Da en e -
olg im Nachhinein.
2
3
45
1
Abb. 3: Illus a ion de
modi izie en Vo s ellung zu
Mindes abs ands egel: Fü
Pe son 1 ( iole ) is nich
nu de 1,5 m Abs andsk eis
eingezeichne (hello ange),
sonde n auch die Blick ich ung
(P eil) und das Gebie de
e zeug en Ae osolwolke
(dunkelo ange). Je nach Posi ion
und Blick ich ung de Pe sonen
2, 3, 4 und 5 e geben sich
un e schiedliche Risiko-
Si ua ionen (siehe Tex ).
Abb. 4: Design-Va ian e des Senso gehäuses
und Einbau de Elek onik

doi: 10.7795/320.202204
2.4 Vo s ellung des
Simula ions ools
Zu Analyse des Abs ands e hal ens in
Menschenansammlungen wu de ein Si-
mula ions ool mi Mic oso Excel e -
s ell . Die hie be ach e e quad a ische
Ve ans al ungs läche wi d du ch eine
Tabelle aus 20 × 20 Zellen da ges ell .
Jede Zelle s ell dabei eine 0,5 × 0,5 m²
g oße Einhei da (Abb. 6 und 7).
Pe sonen, die sich jeweils in eine diese
Zellen be inden, we den du ch die Ro-
sa-Fä bung de Zelle und einen Zahlen-
we da ges ell . Diese We e zwischen 1
und 8 besch eiben die Aus ich ung de
Pe son. Dabei gil die Kodie ung aus
Abb. 6a. In die jeweilige Blick ich ung
is auch de (Ul aschall-) Senso ausge-
ich e , wobei diese nich nu Pe sonen
de ek ie en kann, die „exak “ in diese
Rich ung s ehen, sonde n diese soll je-
weils ein 45°-Blick eld (+/–22.5°) abde-
Dami man die mobile Senso einhei
o de B us agen kann, wi d die
en wickel e Elek onik (Ul aschall-
Senso mi A duino und 9V-Block-
ba e ie) in ein Gehäuse einge üg .
Eine Design a ian e diese Hülle, wel-
che mi els 3D-D uck he ges ell wi d,
zeig Abb. 4. Ö nungen im Gehäuse
üh en den Ul aschall-Senso und
ie Signal-LEDs hinaus. Übe die
abnehmba e F on klappe e gib sich ein
Wa ungszug i , beispielsweise ü den
Ba e iewechsel. Mi hil e on e s ell-
ba en B us - und Halsgu en kann de
T äge die Senso einhei op imal und
u sch es o de B us in Höhe des
B us beins ixie en.
Eine zu Beginn de En wicklung de Ul-
aschall-Senso einhei en be ü ch e e
P oblema ik, nämlich die gegensei ige
Beein lussung de Ul aschall-Senso en
un e einande , s ell sich in de P axis
jedoch als nich ele an he aus: Wenn
die abges ahl en Ul aschall-Signale
de Senso en (beispielsweise on zwei
sich gegenübe s ehenden Teilnehmen-
den) om Mik o on des jeweils ande-
en Senso s egis ie we den, könn e
es hie du ch zu Falschmessungen kom-
men. Diese Fall is alle dings seh un-
wah scheinlich, da die Senso en in un-
se en Senso einhei en nu jede Sekunde
(nich -synch onisie ) eine Messung
du ch üh en. De Ul aschallsenso
sende nu einmal p o Sekunde einen
Ul aschall-Puls aus und wa e da-
nach „nu “ in einem Zei ens e on ca.
25ms (en sp ich dem maximalen Ab-
s and on 400 cm) au ein Echo. Alle au
den jeweiligen Senso ein allenden Ul-
aschall-Pulse auße halb dieses Zei -
ens e s we den nich egis ie . Die
Wah scheinlichkei ü eine en sp e-
chende Falschmessung lieg also un e
2,5% (25ms/1.000ms).
2.3 En wicklung de So wa e
zu Ve ne zung und
Auswe ung
Um die gesammel en Da en auszuwe -
en, we den sie on jede Senso ein-
hei übe WiFi an eine Emp angss a i-
on gesende . De Emp änge is hie bei
ein wei e e Mik ocon olle . E ass
die Da en zusammen und übe äg
sie übe den USB/COM-Po an einen
Compu e . Do we den die Messwe e
on einem Py hon-P og amm in e p e-
ie , so ie und in egelmäßigen Zei -
abs änden in eine Da ei gespeiche .
Mi hil e eine Mic oso Excel Anwen-
dung können die Messwe e in Ech zei
ausgelesen und dynamisch isualisie
we den.
Die Messwe e we den als ela i e Häu-
igkei en in His og amm o m ode als
ges apel e Säulendiag amme da ge-
s ell . Sie können sowohl ü alle Sen-
so einhei en zusammen (Abb. 5 links)
als auch ü jede einzelne Senso einhei
ge enn (Abb. 5 ech s) angezeig we -
den. Zusä zlich kann de zei liche Ve -
lau ü einzelne ode alle Senso en e -
olg we den (Abb. 5 ech s un en).
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
0…50 cm 51…100 cm 101…150 cm ˃ 150 cm Fehlmessung
Rela i e Häu igkei
Abs andsbe eich
Abb. 5 links: Da s ellung de momen anen ela i en Häu igkei s e eilung Abb. 5 ech s: Visualisie ung de momen anen ela i en Häu igkei s e eilung jede im Einsa z be indlichen
alle im Einsa z be indlichen Senso einhei en als His og amm, Senso einhei als ges apel es Säulendiag amm. Un e schieden we den in beiden Fällen die Ka ego ien:
Abs and 0…50 cm ( o ), Abs and 51…100 cm (o ange), Abs and 101…150 cm (gelb) Abs and > 150 cm (g ün),
Fehlmessung (blau, E klä ung im Tex )
Technik | Sei e 6
JUNGE wissenscha 15 / 18 | Sei e 7JUNGE wissenscha 04 / 22 | Sei e 7
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cken können (Abb. 6b). Diese Winkel-
be eich in de Simula ion is g öße als
de in Abschni 2.1 besch iebene. Dies
is de Ta sache de g öbe en Winkel-
Disk e isie ung in de Simula ion on
nu 8 Rich ungen geschulde , welche in
de Folge jeweils einen Winkelbe eich
on 360°/8 = 45° abdecken sollen.
Als Basis-Analyse e mi el das Simu-
la ions ool die Abs ände zwischen den
Pe sonen un e einande , wobei benach-
ba e Felde einen Abs and on „1 Feld“
haben, was einem Abs and on 0,5 m
en sp ich . Abb. 7 zeig hie zu ein Bei-
spiel.
Die E gebnisse we den eben alls g a-
isch in Fo m on His og ammen da -
ges ell . Im linken Säulendiag amm in
Abb.7 wi d dazu die „klassische“ Ab-
s andsme hode angewende , welche im
360°-Um eld nach dem kü zes en Ab-
s and zu nächs en Pe son such (sie-
he Abschni 2.1). Dabei geben die au
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
0…50 cm 51…100 cm 101…150 cm ˃ 150 cm Fehlmessung
Rela i e Häu igkei
Abs andsbe eich
Abb. 5 links: Da s ellung de momen anen ela i en Häu igkei s e eilung Abb. 5 ech s: Visualisie ung de momen anen ela i en Häu igkei s e eilung jede im Einsa z be indlichen
alle im Einsa z be indlichen Senso einhei en als His og amm, Senso einhei als ges apel es Säulendiag amm. Un e schieden we den in beiden Fällen die Ka ego ien:
Abs and 0…50 cm ( o ), Abs and 51…100 cm (o ange), Abs and 101…150 cm (gelb) Abs and > 150 cm (g ün),
Fehlmessung (blau, E klä ung im Tex )
a) b)
Abb. 6: (a) Kodie ung de Blick ich ung de jeweiligen Pe son ( osa Zellen) du ch die Zahlen 1 bis 8.
G aue Felde mi eine „0“ sind unbese z , (b) Beispielda s ellung ü das 45°-Blick eld de
ich ungsabhängigen Senso -De ek ion on Abs änden.
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g öße als diese We (ode gleich) is .
Die beiden His og amme un e schei-
den sich dahe signi ikan oneinan-
de und zeigen, dass die on den ge ich-
e en Ul aschall-Senso en bes imm e
Abs ands e eilung ande s zu hand-
haben und auszuwe en is als die en -
sp echende Ve eilung bei Ve wendung
iso ope Abs andssenso en bzw. - e -
ah en.
Inne halb des Excel-Simula ions ools
s ehen VisualBasic-Mak os zu Ve -
ügung, mi denen man e schiedene
„Handlungen“ de Pe sonen simulie en
kann. Hie eine Übe sich de Mak os
mi jeweils eine Ku zbesch eibung:
■Null Pe sonen: En e n alle be ei s
au ges ell en Pe sonen aus dem
Ve sammlungsbe eich.
■Zu alls e eilung: E zeug eine
Zu alls e eilung on N (wählba )
Pe sonen im Ve sammlungsbe-
eich. Die einzelnen Blick ich un-
gen we den dabei eben alls pe Zu-
all bes imm .
■Gleiche Abs and: S ell Pe so-
nen so im Ve sammlungsbe eich
au , dass alle den gleichen minima-
len Abs and haben. Diese We is
wählba .
■Zu allsbewegung: Beweg die au -
ges ell en Pe sonen jeweils um ein
Feld in eine zu ällige Rich ung.
Wenn in de gewähl en Rich ung
be ei s eine Pe son s eh ode de
Rand des Ve sammlungsbe eichs
übe sch i en wü de, bleib die Pe -
son s ehen.
■Wei e gehen: Beweg die au ge-
s ell en Pe sonen jeweils um ein
Feld in die ak uelle Blick ich ung.
Wenn in de gewähl en Rich ung
be ei s eine Pe son s eh ode de
Rand des Ve sammlungsbe eichs
übe sch i en wü de, bleib die Pe -
son eben alls s ehen.
■Zu allsd ehung: Ände zu ällig
die ak uelle Blick ich ung alle au -
ges ell en Pe sonen, ohne diese zu
bewegen.
■Abs and e zeugen: Dieses Mak o
ha die g öß en Auswi kungen au
die Abs ands e eilung. Mo i a ion
is hie bei, dass de Ve ans al e de
Menschenansammlung eine A
„Ansage pe Lau sp eche “ du ch-
üh und dami alle Pe sonen dazu
b ing , sich so um ein Feld zu bewe-
gen, sodass zumindes de kleins e
Abs and ( on einem Feld) besei ig
wi d. De zug unde liegende Algo-
i hmus e inge in Folge wesen -
lich die Anzahl an „1 Feld“-Abs än-
den, kann abe nich alle zu kleinen
Abs ände besei igen. Beispielsweise
de x-Achse angegebenen Zahlen (1, 2,
3, g öße 3) den jeweils kleins en Ab-
s and zu nächs en Pe son in Zellenlän-
gen (0,5m) an. Beim ich ungsabhän-
gigen Ve ah en ( ech es His og amm
in Abb.7) inde de Analyse-Algo i h-
mus alle Abs ände (nu ) zu denjenigen
Pe sonen, die in einem 45°-Winkel en -
lang de Blick ich ung (= Aus ich ung
des Ul aschall-Senso s) s ehen (Ab-
schni 2.1 und Abb. 6b). Wich ig in
diesem Zusammenhang is , dass bei de
„klassischen“ Abs andsme hode (linkes
Diag amm in Abb. 7) nu die Nachba -
Pe sonen mi dem kü zes en Abs and
gezähl we den und dahe die Summe
alle Balkenhöhen s e s die Anzahl de
au dem Gelände „au ges ell en“ Pe -
sonen e gib . Beim ich ungsabhängi-
gen Ve ah en ( ech es His og amm
in Abb. 7) we den alle Pe sonen im
45°-Blick eld des Senso s gezähl . Da-
du ch wi d be ücksich ig , dass de
Senso bei eine Einzel-Messung je-
weils nu eine diese Pe sonen de ek ie-
en kann, jedoch bei de nächs en Mes-
sung auch eine ande e Pe son, welche
sich momen an im Blick eld be inde ,
e assen kann (hie Annahme: s a is-
ische Gleich e eilung bzgl. de „ge-
undenen“ Pe sonen). Diese Zählweise
beim ich ungsabhängigen Ve ah en
üh in de Konsequenz dazu, dass die
Summe alle Balkenhöhen im His o-
g amm ( ech es Diag amm in Abb. 7)
im Allgemeinen nich gleich de Sum-
me de au ges ell en Pe sonen, sonde n
0
5
10
15
20
25
30
1 2 3 ˃ 3
Anzahl Pe sonen
Abs and in Zellenb ei e bzw. -höhe
klassische Abs andsbes immung
0
5
10
15
20
25
30
1 2 3 ˃ 3
Anzahl Pe sonen
Abs and in Zellenb ei e bzw. -höhe
ich ungsabhängige Abs andsbes immung
Abb. 7: Analyse des Simula ions ools am Beispiel on 49 au dem Ve ans al ungsgelände e eil en Pe sonen
( osa Zellen) mi jeweils zu ällig ausgewähl e Blick ich ung (Zahlen in den osa Zellen). Die His og amme zeigen
die esul ie enden Abs ands e eilungen nach de „klassischen“ und de „ ich ungsabhängigen“ Me hode.
Die gewähl en Einhei en (1, 2, 3, g öße 3) beziehen sich au den jeweiligen Abs and in de Einhei
„Anzahl eie Zellen“.
Technik | Sei e 8
JUNGE wissenscha 15 / 18 | Sei e 9JUNGE wissenscha 04 / 22 | Sei e 9
doi: 10.7795/320.202204
können Pe sonen zwischen ande en
„eingeklemm sein“ ode de on
Pe son A besei ig e „1 Feld“-Ab-
s and wi d „indi ek “ on Pe son B
wiede e zeug .
■Ausgang aus ich en: alle Pe sonen
d ehen sich zum Ausgang. Dabei
wi d de gesam e Simula ions aum
in ün Be eiche au ge eil . Wenn
sich in diesen Be eichen Pe sonen
be inden, we den de en Aus ich-
ungen zum Ausgang hin „ged eh “.
■Eingang: Im Zugang zum Gelände
e scheinen neue Pe sonen. Das Ma-
k o e zeug pe Zu all ein ode zwei
Pe sonen im Zugangsbe eich. Da-
bei wi d die Blick ich ung eben alls
zu ällig gewähl , alle dings ohne
die Rich ungen 5, 6 und 7 (siehe
Abb. 6), welche die Pe sonen di ek
wiede aus dem Ve ans al ungsge-
lände „ üh en“ wü den.
3. E gebnisse
In diesem Kapi el we den sowohl mess-
echnische E gebnisse zu Au lösung
und Genauigkei de mobilen Senso -
einhei p äsen ie als auch die Messda-
en eines du chge üh en Feld e suchs
o ges ell . Diese E gebnisse we den
mi be echne en Da en des Simula i-
ons ools e glichen sowie wei e e Simu-
la ions echnungen o ges ell .
3.1 Zu Zu e lässigkei und
Genauigkei de Abs ands-
messung
Mi den im Folgenden besch iebenen
Expe imen en soll die Tauglichkei des
HC-SR04-Ul aschallsenso s zu Be-
s immung des Abs ands zwischen Pe -
sonen gezeig we den.
In einem e s en Ve such wi d de Sen-
Keine Senso we e (meh )
Keine Senso we e (meh )
Abb. 8: Labo e such zu Abs andsmessung an eine uhenden, gla en Regenjacke.
Die Messunsiche hei p o Messpunk be äg +/–2 cm.
Abb. 9a
Keine
Senso -
we e
Keine
Senso -
we e
Ä mel
Ä mel
Abb. 9b
a) b)
Abb. 9: Labo e suche (a) zu De ek ion des Abs ands zu eine s ehenden Pe son bei D ehung des Senso s
und (b) zum Senso e hal en bei al ige Kleidung (ohne Senso d ehung). Die Messunsiche hei p o Messpunk
in (a) be äg +/–2 cm, in (b) wu den p o „Fal enwu “ jeweils 10 Messpunk e im Abs and
on eine Sekunde au genommen.
doi: 10.7795/320.202204
Danksagung
Die Au o en möch en sich bei den Leh-
e n des Gymnasium Obe u sel - Ca s-
en Bä , Jens F owe k und Timo Vog
- ü die kon inuie liche Un e s ü -
zung des P ojek s bedanken und insbe-
sonde e bei P o . D . Ma hias B ink-
mann (Hochschule Da ms ad ) ü sein
g oßes Engagemen und die in ensi e
Be a ung und wissenscha lich- echni-
sche Hil es ellung bei de Umse zung.
Zule z möch en die Au o en dem Fach-
be eich Ma hema ik und Na u wissen-
scha en de Hochschule Da ms ad ü
die Be ei s ellung de benö ig en Ha d-
wa e und Mess echnik danken.
5. Ausblick
Als mögliche E wei e ung des Mess-
Sys ems könn en wei e e Senso en,
beispielsweise Blue oo h-, GPS- ode
Bewegungssenso en, in die mobilen
Senso einhei en eingebau we den, um
zusä zliche In o ma ionen zu momen-
anen Si ua ion des Senso äge s und
seine Umgebung zu e hal en. Hie -
in läge ielleich auch ein Weg, die mo-
men an nich o handene Un e schei-
dung zwischen de Abs andsmessung
zu eine ande en Pe son und zu Ob-
jek en ode Hinde nissen au dem Ve -
ans al ungsgelände zu e möglichen.
Im Simula ions ool könn e die äumli-
che Ras e au lösung des Ve ans al ungs-
geländes e hö we den und/ode die
Ein üh ung wei e e De ails, wie Zwi-
schenwände, Hinde nisse ode spezi-
elle Beg enzungen, e möglich we den.
Abb. 18a (links)
Bühne
Ausgang
0
5
10
15
20
25
30
1 2 3 ˃ 3
Anzahl Pe sonen
Abs and in Zellenb ei e bzw. -höhe
klassische Abs andsbes immung
0
5
10
15
20
25
30
35
40
1 2 3 ˃ 3
Anzahl Pe sonen
Abs and in Zellenb ei e bzw. -höhe
ich ungsabhängige Abs andsmessung
a)
b)
Abb. 18: (a) Wäh end des Ve lassens des Ve ans al ungsgeländes d ängeln sich die Teilnehmenden im
Be eich des Ausgangs; (b) Zei liche En wicklung des Abs ands e hal ens im zwei en Szena io
„Ve ans al ungsende“.
0
10
20
30
40
50
1 6 11 16 21 26 31 36 41
Anzahl Pe sonen
Zei in Simula ionssch i en
En wicklung de Rich ungsabhängigen Ve eilung
Abs and g öße 3 Abs and genau 3
Abs and genau 2 Abs and genau 1
0
10
20
30
40
50
1 6 11 16 21 26 31 36 41
Anzahl Pe sonen
Zei in Simula ionssch i en
En wicklung de Klassischen Ve eilung
Abs and g öße 3 Abs and genau 3
Abs and genau 2 Abs and genau 1
Technik | Sei e 16

JUNGE wissenscha 15 / 18 | Sei e 17JUNGE wissenscha 04 / 22 | Sei e 17
doi: 10.7795/320.202204
Li e a u e zeichnis
[1] Übe sich zu Co id19-Pandemie beispielswei-
se au h ps://de.wikipedia.o g
[2] Übe sich zu den A.H.A.-Regeln beispielsweise
au h ps://de.wikipedia.o g
[3] Jus in Mo gens e n, „COVID-19 is sp ead by
ae osols: an e idence e iew“,
h ps:// i s 10em.com/
[4] Übe sich zu Co ona-Wa n-App beispielswei-
se au : h ps://de.wikipedia.o g
[5] Die Luca-App: h ps://www.luca-app.de/
[6] Fo schungsp ojek Res a -19 de Uni e si ä
Halle (Saale): h ps:// es a 19.de/
[7] Eine Übe sich zu Blue Too h basie em Con-
ac T acing inde sich un e : Douglas J. Lei h,
S ephen Fa ell, „Co ona i us Con ac T acing:
E alua ing The Po en ial O Using Blue oo h
Recei ed Signal S eng h Fo P oximi y De-
ec ion” h ps://www.scss. cd.ie/Doug.Lei h/
pubs/blue oo h_ ssi_s udy.pd
[8] De Co ona Abs andswa ne on ESG Molili y:
h ps://esg-mobili y.com/s a
[9] Go buno , „B. Ae osol Pa icles Laden wi h Vi-
uses Tha Cause COVID-19 T a el O e 30m
Dis ance“ P ep in s 2020, 2020040546 (doi:
10.20944/p ep in s202004.0546. 2).
[10] HC-SR04 Da enbla beispielsweise un e :
h ps://www.allda ashee .com/
doi: 10.7795/320.202204
Die Junge Wissenscha wi d zusä zlich
in wissenscha lichen Da enbanken ge-
lis e , d. h. Deine A bei kann on Ex-
pe en ge unden und soga zi ie we -
den. Die Junge Wissenscha wi d Dich
du ch den Gesam p ozess des E s ellens
eine wissenscha lichen A bei beglei-
en – als gu e Vo be ei ung au das, was
Du im S udium benö igs .
Wie geh es nach dem
Ein eichen wei e ?
Die Che edak eu in such einen ge-
eigne en Fachgu ach e , de die in-
hal liche Rich igkei de einge eich en
A bei übe p ü und eine Emp ehlung
aussp ich , ob sie e ö en lich we -
den kann (Pee -Re iew-Ve ah en). Das
Gu ach en wi d den Euch, den Au o In-
nen zugeschick und Du e häl s gege-
benen alls die Möglichkei , Hinweise
des Fachgu ach e s einzua bei en.
Die E ah ung zeig , dass A bei en, die
z. B. im Rahmen eines We bewe bs wie
Jugend o sch die End unde e eich
haben, die bes en Chancen haben, die-
ses Pee -Re iew-Ve ah en zu bes ehen.
Schließlich komm die A bei in die Re-
dak ion, wi d ü das Layou o be ei-
e und als Open-Access-Bei ag e ö -
en lich .
Was is Dein Bene i ?
Deine Fo schungsa bei is nun in ei-
ne Gu ach e zei sch i (Pee -Re iew-
Jou nal) e ö en lich wo den, d. h. Du
kanns die Ve ö en lichung in Deine
wissenscha liche Li e a u lis e au -
nehmen. Deine A bei e häl als Open-
Access-Ve ö en lichung einen DOI
(Da a Objec Iden i ie ) und kann on
en sp echenden Suchmaschinen (z. B.
BASE) ge unden we den.
In de Jungen Wissenscha we -
den Fo schungsa bei en on Schüle -
Innen, die selbs s ändig, z. B. in eine
Schule ode einem Schüle o schungs-
zen um, du ch ge üh wu den, e -
ö en lich . Die A bei en können au
Deu sch ode Englisch gesch ieben sein.
We kann ein eichen?
Schüle Innen, Abi u ien Innen und
S udie ende ohne Abschluss, die nich
äl e als 23Jah e sind.
Was muss Du beim
Ein eichen beach en?
Lies die Rich linien ü Bei äge. Sie en -
hal en Hinweise, wie Deine A bei au -
gebau sein soll, wie lang sie sein da ,
wie die Bilde einzu eichen sind und
welche wei e en In o ma ionen wi be-
nö igen. Soll es Du F agen haben, dann
wende Dich ge n schon o dem Ein-
eichen an die Che edak eu in Sabine
Wal e .
Lade die E s e ö en lichungse klä ung
he un e , d ucke und ülle sie aus und
un e sch eibe sie.
Dann sende Deine A bei und die E s -
e ö en lichungse klä ung pe Pos an:
Che edak ion Junge Wissenscha
D .-Ing. Sabine Wal e
Paul-Duc os-S aße 7
30952 Ronnenbe g
Tel: 05109 / 561508
Mail: sabine.wal e @ e lag-
jungewissenscha .de
Publizie e
auch Du hie !
Fo schungsa bei en on
Schüle /Inne/n und S uden /Inn/en
JUNGE wissenscha 15 / 18 | Sei e 19JUNGE wissenscha 04 / 22 | Sei e 19
doi: 10.7795/320.202204
ein. Fü die wei e e Bea bei ung und
die Umse zung in das Layou de
Jungen Wissenscha is ein Wo d-
Dokumen mi möglichs wenig
Fo ma ie ung e o de lich. (Soll e
dies Schwie igkei en be ei en, se zen
Sie sich bi e mi uns in Ve bindung,
dami wi gemeinsam eine Lösung
inden können.)
■ Senden Sie mi dem Bei ag die
E s e ö en lichungse klä ung ein.
Diese beinhal e im Wesen lichen,
dass de Bei ag on dem/de
angegebenen Au o In s amm ,
keine Rech e D i e e le z
we den und noch nich an ande e
S elle e ö en lich wu de (auße
im Zusammenhang mi Jugend
o sch ode einem e gleichba en
We bewe b). Eben alls is zu
e siche n, dass alle on Ihnen
e wende en Bilde , Tabellen,
Zeichnungen, G a iken e c. on
Ihnen e ö en lich we den dü en,
also keine Rech e D i e du ch die
Ve wendung und Ve ö en lichung
e le z we den. En sp echendes
Fo mula is on de Homepage
www.junge-wissenscha .p b.de
he un e zuladen, auszud ucken,
auszu üllen und dem ged uck en
Bei ag un e sch ieben beizulegen.
■ Schließlich sind die genauen
Ansch i en de Au o Innen mi
Tele onnumme und E-Mail-
Ad esse sowie Gebu sda en und
Fo og a ien (Au lösung 300 dpi bei
eine Bildg öße on mindes ens
10∙15cm) e o de lich.
■ Neulingen im Publizie en we den
als Vo bilde ande e Publika ionen,
z. B. hie in de Jungen Wissenscha ,
emp ohlen.
Sponso en, mi olls ändigem Namen
ange üg we den. Fü die Lese kann
ein Glossa mi den wich igs en
Fachausd ücken hil eich sein.
■ Bi e eichen Sie alle Bilde ,
G a iken und Tabellen numme ie
und zusä zlich als eigene
Da eien ein. Bi e geben Sie bei
nich selbs e s ell en Bilde n,
Tabellen, Zeichnungen, G a iken
e c. die genauen und ko ek en
Quellenangaben an (siehe auch
E s e ö en lichungse klä ung).
Senden Sie Ih e Bilde als
O iginalda eien ode mi eine
Au lösung on mindes ens 300 dpi
bei eine G öße on 10 ∙ 15 cm!
Bei G a iken, die mi Excel e s ell
wu den, eichen Sie bi e eben alls
die O iginalda ei mi ein.
■ Ve meiden Sie au wendige und lange
Zahlen abellen.
■ Fo melzeichen nach DIN, gg .
IUPAC ode IUPAP e wenden.
Gleichungen sind s e s als
G ößengleichungen zu sch eiben.
■ Die Li e a u lis e s eh am Ende de
A bei . Alle S ellen e hal en eine
Numme und we den in eckigen
Klamme n zi ie (Beispiel: Wie
in [12] da ges ell …). Fußno en
sieh das Layou nich o .
■ Reichen Sie Ih en Bei ag sowohl in
ausged uck e Fo m als auch als PDF
Die Junge Wissenscha e ö en lich
O iginalbei äge junge Au o Innen bis
zum Al e on 23 Jah en.
■ Die Bei äge können au Deu sch
ode Englisch e ass sein und
soll en nich länge als 15 Sei en mi
je 35 Zeilen sein. Hie bei sind Bilde ,
G a iken und Tabellen mi gezähl .
Anhänge we den nich e ö en lich .
Deckbla und Inhal s e zeichnis
zählen nich mi .
■ Fo mulie en Sie eine eingängige
Übe sch i , um bei de Lese scha
In e esse ü Ih e A bei zu wecken,
sowie eine wissenscha liche
Übe sch i .
■ Fo mulie en Sie eine ku ze, leich
e s ändliche Zusammen assung
(maximal 400 Zeichen).
■ Die Bei äge sollen in de üblichen
Fo m gegliede sein, d. h. Einlei ung,
E läu e ungen zu Du ch üh ung
de A bei sowie e l. Übe windung
on Schwie igkei en, E gebnisse,
Schluss olge ungen, Diskussion,
Lis e de zi ie en Li e a u . In
de Einlei ung soll e die Idee zu
de A bei besch ieben und die
Au gabens ellung de inie we den.
Auße dem soll e sie eine ku ze
Da s ellung schon bekann e ,
ähnliche Lösungs e suche en hal en
(S and de Li e a u ). Am Schluss
des Bei ages kann ein Dank an
Fö de e de A bei , z. B. Leh e und
Fü die meis en Au o /Inn/en is dies die
e s e wissenscha liche Ve ö en lichung.
Die Einhal ung de olgenden Rich linien
hil allen – den Au o /innen/en und dem
Redak ions eam
Rich linien
ü Bei äge
doi: 10.7795/320.202204
@
Imp essum
Junge Wissenscha
c/o Physikalisch-Technische
Bundesans al (PTB)
www.junge-wissenscha .p b.de
Redak ion
D . Sabine Wal e , Che edak ion
Junge Wissenscha
Paul-Duc os-S . 7
30952 Ronnenbe g
E-Mail: sabine.wal e @ e lag-
jungewissenscha .de
Tel.: 05109 / 561 508
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38116 B aunschweig
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Sebas ian Baumeis e
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