Störenden Geräuschen auf der Spur

Exklusiv bei KEM Die Autoren: Dipl.-Ing. Jörg Sauer, Produktmanagement Vibrometrie bei der Polytec GmbH, Waldbronn, und Ellen-Christine Reiff, Redaktionsbüro Stutensee

Die Laser-Scanning-Vibrometrie hat sich als berührungsloses, schnelles, flächenhaftes Verfahren zur Messung von Schwingungen in vielen Anwendungsbereichen bewährt, beispielsweise im Fahrzeug-, Flugzeug- und Maschinenbau, in der Mikrosystem- und Datentechnik sowie in der Qualitäts- und Produktionskontrolle. Da sich die tatsächlichen dynamischen Eigenschaften anhand der optischen Schwingungsanalyse zuverlässig ermitteln lassen, sind Scanning-Vibrometer überall dort ein wichtiges Testinstrument, wo die dynamischen und akustischen Eigenschaften zu den wesentlichen Qualitätsmerkmalen der Produkte gehören.

Das Verfahren basiert auf der Laser-Doppler-Vibrometrie, bei der aus dem von einer schwingenden Struktur zurückgestreuten Laserlicht die Schwinggeschwindigkeit und der Schwingweg bestimmt werden. Bei einem Scanning-Vibrometer ist das Laser-Doppler-Vibrometer nun mit einer Scanner-Spiegel-Einheit und einer Videokamera in einem Messkopf integriert. Während der Messung scannt der Laserstrahl die Oberfläche des Objekts und liefert eine räumlich hochaufgelöste Reihe von Einzelpunktmessungen. Die sequentiell gemessenen Schwingungsdaten werden zu einem gemeinsamen flächenhaften Datenmodell zusammengesetzt und lassen sich je nach Applikation entsprechend auswerten.

Die in Waldbronn nahe Karlsruhe ansässige Polytec GmbH bietet seit mittlerweile 20 Jahren entsprechende Lösungen, mit denen sich unterschiedliche Aufgabenstellungen bei Akustik-, Strukturdynamik- und Ultraschallmessungen komfortabel realisieren lassen. Dass sich auch Gutes immer noch verbessern lässt, beweisen die Messspezialisten jetzt mit einer neuen Generation von Laser-Scanning-Vibrometern. In die Entwicklung der PSV-500er-Serie (PSV = Polytec Scanning Vibrometer) sind die Anwendererfahrungen der vergangenen Jahre eingeflossen, und sie wurden konsequent umgesetzt. Die Präzision der Messdaten, schnelle und einfache Messungen bei gleichzeitiger Bedienungsfreundlichkeit standen im Vordergrund.

Die Datenqualität beispielsweise – sowohl der dynamischen Schwingungsdaten als auch der gleichzeitig gemessenen Geometriedaten des Messobjekts – ließ sich durch stetige Optimierung der einzelnen Glieder der Messkette deutlich steigern. Zusätzlich wurde auf eine einfache und intuitive Bedienung Wert gelegt. Eine Gewichtsersparnis um fast die Hälfte und kleinere Abmessungen erhöhen die Mobilität und Flexibilität des Messsystems. Dies wurde durch ein innovatives Design, eine hochintegrierte Elektronik und ein neues Miniatur-Interferometer erreicht. So ist es beispielsweise gelungen, die Größe der Optik um 80 % zu reduzieren. Das macht sich nicht nur in geringeren Abmessungen des Scankopfs bemerkbar, sondern vor allem auch durch eine verbesserte mechanische Stabilität und höhere Temperaturresistenz. Von den Verbesserungen können Anwender auf ganz unterschiedliche Art profitieren:

Nicht nur bei akustischen Messungen macht sich der erweiterte Scanbereich positiv bemerkbar. Durch den großen Scanwinkel von 40° x 50° ist es möglich, mit nur einer Aufnahme einen großen Bereich der Oberfläche des Messobjekts zu erfassen. Das vereinfacht die Arbeit in engen Räumen. Eine lichtempfindlichere und hochauflösende Kamera verbessert gleichzeitig die Testdefinition und die Ergebnisdarstellung. Die Full-HD-16:9-Kamera mit gegenüber dem Vorgängermodell vierfach verbesserter Auflösung ermöglicht überzeugende grafische Darstellungen für 3D- und 1D-Messungen mit Video-Triangulation.

Besonders bei den oft dunklen Oberflächen von Innenverkleidungen in Fahrzeugen bringt die hohe Empfindlichkeit des Messsystems Vorteile. Die wohl wichtigste technologische Neuerung in diesem Zusammenhang ist die volldigitale Verarbeitung der Messdaten. Zusammen mit den bis zu acht Datenerfassungskanälen für Referenzsignale (Anregungskraft, Driving-Point) werden die Daten dadurch mit minimiertem Rauschen per Ethernet-Verbindung an den auswertenden Rechner übertragen. Das Ergebnis ist ein bisher unerreichtes Signal-Rausch-Verhältnis. Schwingungen von nur einem Nanometer sind im akustischen Frequenzbereich im Spektrum deutlich sichtbar.

Ein weiterer Baustein zur Verbesserung der Datenqualität und zur Erweiterung des Geschwindigkeitsmessbereiches bei Ultraschallmessungen ist der sogenannte Coherence-Optimizer. Diese Laserfrequenzstabilisierung sorgt für eine optimale Signalstärke bei allen Entfernungen und für eine sichere Messung von 3D-Schwingungen auf kleinen Objekten, beispielsweise Ultraschallmotoren.

Einer der wichtigsten Anwendungsbereiche der dreidimensional messenden PSV-500-3D- Scanning-Vibrometer ist die Validierung von Simulationsmodellen. Die Geometriedaten von Finite-Elemente-Netzen werden dazu in die Software des Messsystems geladen und über ein integriertes Abgleichverfahren mit dem realen Messobjekt zur Deckung gebracht. Eventuelle Geometrieabweichungen zwischen Modell und Prototyp lassen sich durch eine integrierte Geometriemessung korrigieren und ins Modell zurückspielen.

Damit ist ein sehr genauer und zeitsparender Abgleich des Simulationsmodells mit den experimentellen Daten möglich. Gegenüber dem parallel angebotenen Vibrometer der vorhergehenden Generation (PSV-400) wurde die Empfindlichkeit des Geometriesensors erheblich gesteigert, sodass auf nahezu allen Oberflächen ohne weitere Vorbereitung gemessen werden kann. All diese Verbesserungen zusammengenommen können bei der effizienten Lösung von Schwingungsproblemen und bei der Validierung von strukturdynamischen Simulationen entscheidend helfen und manchmal sogar ganz neue Einblicke möglich machen.

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