Simcenter Sound Camera Webinar. Simcenter Test Marc Mändl

Transkript

1 Simcenter Sound Camera Webinar Simcenter Test Marc Mändl Realize innovation.

2 Agenda: Allgemein Motivation Methode Simcenter Sound Camera Einsatzmöglichkeiten Zusammenfassung Fragen

3 Simcenter - Predictive Engineering Analytics Predictive Engineering Analytics ermöglicht den Schritt von der Verifikation zur Vorhersage durch den Einsatz von Digitalen Zwillingen und Analysen. Integrierte multidisziplinäre Simulation- und Test-Umgebung Erzeugt realistische Modelle für jeden Abschnitt der Entwicklung Entwickelt Modelle, die jederzeit das aktuelle Produkt darstellen Beinhaltet intelligente Berichte und Analysen als Entscheidungsgrundlagen Seite 3

4 Von nicht verbundenen Modellen und Daten TEST MODELING Analysis data Test data 3D SIMULATION CONTROLS Benchmark data 1D SIMULATION Usage data Seite 4

5 über den Digitalen Zwilling TEST MODELING Analysis data Test data 3D SIMULATION CONTROLS Benchmark data 1D SIMULATION Usage data Seite 5

6 zu Predictive Engineering Analytics TEST MODELING Analysis data Test data 3D SIMULATION CONTROLS Benchmark data 1D SIMULATION Usage data Analytics Seite 6

7 Simcenter System Simulation Seite 7

8 Motivation Wozu wird die Schallquellenortung verwendet? - Mehr als eine Quelle - Verbindung zw. Spektrum und Quelle - Eindeutige Identifikation einer Schallquelle - Auch die anderen Quellen werden klar identifiziert Risiken ohne eindeutige Identifikation - Konzentration auf die falsche Quelle - Verantwortlichkeiten sind unklar Seite 8

9 Warum Schallquellenortung???????? Klingt als komme das Geräusch vom Motor. Was ist die Ursache für : - Ansaugung - Ventile - Kolben - Steuerkette/Riemen - Lager - Seite 9

10 Schallquellenortung dba (Pa) Seite

11 Schallquellenortung - Begriffe Schallquellenortung Sound Source Localization SSL Schallquellenlokalisierung Schallquellentrennung Sound Source Seperation Seite 11

12 Schallquellentrennung kleines Beispiel Seite 12

13 Schallquellenortung Ist nicht neu? Seite 13

14 Methode Welche Methoden gibt es? - Beamforming - Focalization - Nahfeldholografie Wie können diese Eingesetzt werden? - Räumliche Auflösung - Dynamikbereich - Frequenzbereich Seite 14

15 Lokalisierung von Schallquellen Warum nicht nur den Schalldruck messen? Gemessenes Schallfeld Berechnetes Schallfeld (7 Quellen?) (3 real sources) Warum nicht einfach eine Schalldruckkarte? Schalldruckkarten zeigen nicht die realen Quellen. Dazu sind Mikrofonarray basierende Methoden (Messung und Berechnung) notwendig. Seite 15

16 Mikrofon-Array basierende Schallquellenortung Grundprinzipien Grundprizipien 1. Quelle strahlt Schall ab 2. Schall wird mit Mikrofonen gemessen 3. Gemessener Schall wird auf das Objekt zurückgerechnet Array Hauptverfahren 1. Beamforming 2. Akustische Nahfeldholografie (NAH) Seite 16

17 Wie sehen moderne Mikrofon-Arrays aus? Seite 17

18 Was ist Beamforming? Annahme: Die Schallquelle emittiert ebene Schallwellen Nur korrekt für Fernfeld Messungen Source Laufzeitunterschied zwischen den Mikrofonen werden genutzt, um die Richtung der Quelle zu berechnen Zeitsignale werden gleichzeitig aufgezeichnet Entspricht dem Klassischen Beamforming oder auch Sum-and-delay Beamforming Δt Seite 18

19 Beamforming Fernfeld Berechnung Zwischen den Mikrofonen gibt es einen Laufzeitunterschied, der Aufgrund des Mikrofonabstandes entsteht: Propagation plane Source s( t) 1 N N n 1 p n ( t ) n with wird gemessen n n d cos c 1 bis 180 θ s(t): berechnetes Quellsignal zum Zeitpunkt t pn(t): gemessenes Signal für Mikro n zum Zeitpunkt t d: Mikrofonabstand c: Schallgeschwindigkeit θ: Winkel zur Ursache der Schallwelle pn 1 d j=0 Unendlicher Abstand! Bedingung ebene Schallwelle d.cosθ θ d n=0 Seite 19

20 Beamforming Ergebnisse Darstellung als Funktion des Winkels Hauptkeule Seitenkeule Seite 20

21 Atténuation (db) Qualität der Lokalization Räumliche Auflösung Räumliche Auflösung: Hauptkeule bei -3dB 3cercles - (C1+C2+C3) (0.00;0.00; 1) Pression db(a) d spatial resolution λ, with d D D d distance, D diameter array, λ wave length Atténuation Atténuation (db) (db) principe_2sourcesb - hologdmail - bruit_de_fond Global Global Angle (degré) Oct. 1/ HOct. 1/ H Oct. 1/ () () Oct. -- H 1/ H Oct. 1/3 1/ () - () - H- H Räumliche Auflösung Fähigkeit 2 nahe Quellen getrennt darzustellen. Falls die räumliche Auflösung nicht fein genug ist, wird nur eine Quelle dargestellt und nicht zwei. Seite 21

22 Qualitäts-Indikator der Schallquellenortung Räumliche Auflösung ca. 20 bis 15cm ca. 6 bis 4,5cm Räumliche Auflösung Fähigkeit nahe beieinander liegende Schallquellen getrennt darzustellen Abhängigkeit der Größe des Roten Punktes von der Wellenlänge Methoden um die räumliche Auflösung bei niedrigen Frequenzen zu verbessern: Focalization, inah d spatial resolution λ, with d D D d distance, D diameter array, λ wave length Seite 22

23 Qualitäts-Indikator der Schallquellenortung Dynamikbereich 1dB 18dB Dynamikbereich Die Fähigkeit Quellen mit unterschiedlichen Amplituden bei identischen Frequenzen darzustellen Bestimmt durch die Größe des Arrays und das Mikrofon Konzept Ein hoher Dynamikbereich ist eine Eigenschaft eines exzelenten Array Designs Seite 23

24 Qualitäts-Indikator der Schallquellenortung Vorsicht - Dynamikreduktion 78dB 70dB = 8dB Dynamik ca. 20 bis 15cm Seite 24

25 Beamforming Einfluss von Frequenz, Anzahl der Mikrofone und die Größe des Arrays 1000Hz 8000Hz Erhöhung Frequenz: Hauptkeule wird schmaler Bei höheren Frequenzen: die erste Seitenkeule ist nicht die höchste Seitenkeule Phantombilder Erhöhung der Mikrofon-Anzahl: Seitenkeulen Level sinkt Bei gleicher Array-Größe sinkt der Mikrofonabstand Vergrößerung des Arrays: Hauptkeule wird schmaler Bei gleicher Mikrofon-Anzahl erhöht sich der Mikrofonabstand Seite 25

26 Atténuation (db) Qualität der Lokalisation Dynamikbereich Dynamikbereich 1 (räumlich): Differenz zwischen den Hauptkeulen und den Seitenkeulen 1 Quelle 2 Quellen 3cercles - C (0.00;0.00; 3cercles 1) - C (-0.40;0.40; 1)(0.40;-0.40; 1) Pression Secondary lobes Pression Dynamikbereich 2 (spectral): Differenz zwischen den Hauptkeulen principe_2sourcesb und -- hologdmail den -- bruit_de_fond Phantomkeulen Global (hohe Frequenzen) Under sampling effect Source Atténuation (db) Seite Angle (degré) Oct. 1/ HOct. 1/ H Oct. 1/ () ()- Oct. - H 1/ H Oct. 1/ () - H

27 Was passiert im Nahfeld? Die Annahme einer ebenen Schallwelle ist im Nahfeld nicht erfüllt Im Nahfeld haben die Schallwellen eine Kugelcharakteristik Was ist das Nahfeld? Näher als der Array-Durchmesser Laufzeitunterschied hängt vom Abstand von der Quelle ab (das entspricht dem Radius) im Unterschied zum Abstand zwischen den Mikrofonen! S Seite 27

28 Was ist Nahfeld Focalization? Laufzeitunterschied zwischen 2 Mikrofonen: r 1 r 0 c Abhängig vom Winkel φ, und r 1 kann auch durch Mikrofonabstand d und dem Radius r 0 des Referenzmikros abgebildet werden τ 1 = r r 0 d cos φ + d 2 Je weiter die Quelle vom Array entfernt ist, desto ähnlicher wird diese Formel der des klassischen Beamforming: φ wird kleiner! c d.cosθ 1 d r1 φ n=0 θ S r0 Seite 28

29 Beamforming mit Focalization Einfaches Beispiel Impuls S(t) d 1 d 2 P 1 (t) Impuls Ausbreitung des Messsignals: p i t = s t + d i c di = Entfernung von der Quelle zum Mik i c = Schallgeschw. d 3 P 2 (t) Rück-Ausbreitung auf das Quellsignal: Messung P 3 (t) s j t = i p i t d ij c dij = Entfernung von Mik i zum Quellpunkt j Rück- Ausbreitung Mikro- Signale für jeden Quellpunkt + + = + + = S 1 (t) S 2 (t) d 13 d 23 d 11 d 21 d 31 P 1 (t) P 2 (t) + + = Berechnung d 33 P 3 (t) Seite 29

30 Beamforming mit Focalization: Einfaches Beispiel Ausbreitung des Quellsingnals (k= Wellenzahl) P i ω = S ω e jk d i = S ω e jω d i c k = ω c = 2π λ P 1 + = Rück-Ausbreitung des gemessenen Signals: P 2 S j ω = i P i ω e jω d ij c Calculation grid Quelle P 1 P 2 + = S 1 S 2 S 3 S 4 P 1 P 2 + = M 1 M 2 P 1 P 2 + = Seite 30

31 Korrekte Distanz zur Quelle Wann ist sie wichtig? Fernfeld: nicht so wichtig der Abstand zwischen den Mikrofonen ist relevant 30cm: zu nah 60cm: korrekt 100cm: zu weit Nahfeld Focalization: Wichtig! Der richtige Abstand bestimmt den Winkel des Ereignisses und damit die richtige Laufzeit 10cm: zu nah 30cm: korrekt 100cm: zu weit Seite 31

32 Beamforming und Nahfeld Focalization Klassisches Beamforming: Um einen Überblick zu bekommen. S λ dba 100 Nahfeld Focalization: mit dem identischen Array aber besserer Auflösung S ~λ/2 dba Seite Hz 40 Focalization funktioniert wie ein Zoom Hz 40

33 Akustische Nahfeldholographie Grundlagen fmax fmin Räumliche Auflösung Test Objekt Klassische NAH Nahfeld Methode (sehr nah an der Oberfläche) Array muss das gesamte Objekt abdecken Tiefste Frequenz ist durch die Größe des Arrays bestimmt Höchste Frequenz ist durch den Mikrofonabstand bestimmt Räumliche Auflösung ist durch den Mikrofonabstand bestimmt frequency wave microphone hologram lenght distance size Hz cm cm cm , , ,4 Seite 33

34 Akustische Nahfeldholographie Grundlagen NAH führt Berechnungen im Wellenzahl Bereich aus Zerlegt das Schallfeld in ebene Wellen Rechnet Ebene für Ebene zurück Berechnet das Schallfeld auf der Oberfläche Hat Vorteile bei abklingenden und kleinen Wellen Zusammenfassung: Messung im Nahfeld Messpunkte müssen im gleichen Abstand sein, äquidistant Mikrofonabstand - ½ * min inah: irreguläre NAH inah Methode nutzt ein unregelmäßiges Mik- Array Notwendiger Abstand: 10-30cm Seite 34

35 Simcenter Testlab Sound Camera Unterstützt alle 3 Methoden Test Objekt BEAMFORMING (Fernfeld) Schnelle Übersicht aus der Ferne Nicht notwendig das gesamte Objekt abzudecken 1 FOCALIZATION Nahfeld Methode 2 2 Bessere räumliche Auflösung Abhängig von der Frequenz Am besten für hohe Frequenzen Großer Abstand zw. Quelle und Array Räumliche Auflösung ist bestimmt durch die Frequenz, die Array-Größe und den Abstand zur Quelle Niedrigere Auflösung für die tieferen Frequenzen inah In der selben Messung 3 3 Verbessert die tiefen Frequenzen (inah) Seite 35

36 Beamforming Focalization Irregulär-NAH Beamforming Überblick 1 Focalization Details bei hohen Frequenzen 2 inah Details bei niedrigen Frequenzen 3 Lautsprecher Abstand 27 cm 60cm 15 cm 15 cm < Messabstand 1/3 oct. 500 Hz 1/3 oct Hz 1/3 oct Hz Seite 36

37 Welche Methode passt zu welchen Konditionen? 2sourcesb - Focal_7cm - 2 sources_7cm - Oct. 1/ Global - () - H Intensite db Räumliche Auflösung: Quelltrennung grob mittel fein Schallintensität Beamforming NAH 2sourcesb - Focal_7cm - 2 sources_7cm - Oct. 1/ Global - () - H Intensite db Messung Abstand zum Objekt Fernfeld Nahfeld Beamforming, NAH, Irregular-NAH, Schllintensität (p-p) Focalization Schallintensität(p-U) Umgebung (Schallfeld) Exterior (free) 2D Array stationär Betriebsbedingungen Interior (reflective) 3D Array transient Seite 37 Schallintensität Beamforming, Focalization, NAH, Irregular-NAH Focalization, Beamforming (NAH, Irregular-NAH)

38 Praktische Grenzen der Methoden Frequenz vs. Räumliche Auflösung Frequenz 20 khz hoch 4 khz 2 khz niedrig Irregular-NAH Holographie (Nahfeld) >10 cm Source separation schlecht better than 10 cm hoch Räumliche Auflösung Seite 38

39 Praktische Grenzen der Methoden Eignung für Entfernungen und Frequenzbereiche Frequenz 16 khz hoch 4 khz NFF Beamforming mittel NAH (Nahfeld Focalization) 1 khz (Nahfeld Akustik Holographie) niedrig Irregular NAH 15cm Nahfeld 50cm Fernfeld Abstand zur Quelle Seite 39

40 Simcenter Sound Camera Welche Werkzeuge haben wir im Programm? Hardware - Soundbrush - HD Acoustic Camera - 3d Acoustic Camera - Sound Camera Software - Sound Camera Software - Testlab SSL (Schallquellenortung) Seite 40

41 Schallquellenortung Werkzeuge - Hardware und Software Soundbrush HD Acoustic Camera Sound Camera 3d Acoustic Camera Soundbrush Software (standalone) Soundbrush Software (standalone) Testlab Testlab (Adv. Methoden) Testlab Seite 41

42 Vorstellung Simcenter Sound Camera Das digitale Mikofon-Array für die Schallquellenortung Industrie Schnell und einfach robustes Design Performance große Bandbreite im Fern- und Nahfeld Vielseitigkeit modulares Design breite Anwendung für Labor und Outdoor Erkenntnisse mit Testlab mehr Kanäle und zus. Möglichkeiten Seite 42

43 Simcenter Sound Camera Schnelle und vielseitige Lösung zur Schallquellenortung Nutzung digitaler Mikrofon-Array mit integrierter Elektronik Beschleunigt Problemlösung mit der zugehörigen Stand-alone Software Sound Camera Digital Array Software Sound Camera Digital Array Modulares Mik Array mit integrater Elektronik Center : 45 Miks +kurze Arme: 81 Miks +Lange Arme:117 Miks Engineering Erkenntnisse mit Simcenter Testlab & Scadas Frontend Testlab Software Daten Einfaches Setup. Schnell zu den ersten Ergebnissen: <5mins Echtzeit Ergebnisse & PostProcessing Möglichkeiten Online Auswertung & Vergleich von Ergebnissen Report & Austausch von Videos & Bildern Zus. PostProcessing mit Testlab Unterstützung von 4 zus. Sensoren mit der Sound Camera Parallele Datenerfassung mit Scadas und Testlab Zugriff auf weitere Analysen wie: inah, Deconvolution, combustion analysis, Erhöhte Effizienz mit der Nutzung des Batch Processing Seite 43

44 Simcenter Sound Camera Digital Array Modulares Array mit 3 Größen Center Short Arms Long arms Typ. Einsatz Trouble-shooting, handheld Allround Array Advanced, outdoor Typ. Abstand Nahfeld <0.5m Nah- und Fernfeld <1m Nah- und Fernfeld (~0.3 to >2m) Typ. SSL Band 1000*-20kHz 400*-20kHz 200*-10kHz Durchmesser & Miks 30cm mit 45 Miks 60cm mit 81 Miks 150cm mit 117 Miks Dynamic range** 14 db 16 db 12 db Seite 44 * With beamforming/nearfield focusing. Can be improved with inah ** Simulated results. Experimental results typically 1-2dB lower.

45 Simcenter Sound Camera Digital Array Designed für einen großen Frequenzbereich Item Breitband Mikros Geringes Rauschen Akustik Overload Frequenzantwort & phase match über große Bandbreite Designed für Messungen im Nahfeld High SSL dynamic range Best SSL spatial resolution Weitwinkellinse Specification 50Hz to 20kHz 29 db(a) RMS 116dB RMS 120 db peak Frequenzantwort: 100Hz-10kHz: +/-2dB Phase match: 100Hz-10kHz: +/-2deg Vergleichbar mit klassischen Array-Mikrofonen Optimiertes Array Design erlaubt Nahfeld Focusing Messungen bei d<d/2 (d=abstand zur Quelle, D=Array Durchmesser) Konstant über den Frequenzbereich Nahfeld Focusing Methode erlaubt Nahfeld Messungen & erhöht die räumliche Auflösung Erlaubt das ganze Objekt im Nahfeld zu erfassen Bei 19cm ist der ganze Arraybereich sichtbar Clear status LEDS indicate correct operation Function key for diagnostics & service Multi-purpose connector for mobile battery operation and optional parallel acquisition with LMS SCADAS 9 spiral arms with total of 45 digital 24-bit MEMS microphones Wide angle lens for nearfield support Acoustically transparent wind screen, also for general protection Auxiliary input for 4 analog AC/ICP sensors Single connection to PC for data transfer and PoE power Infrared distance sensor for automatic distance measurement Integrated signal conditioning Click-in sockets for 4-or 8- microphone extension arms Seite 45

46 Simcenter Sound Camera Digital Array Software Eigene Stand-Alone Software Einfaches Reporting Ergebnisse können als Video und Bilder gespeichert werden. Beschreibung mit wichtigen Daten und Benutzerkommentaren. Zeitdaten können weiterverarbeitet werden. Echtzeit Quellortung Änderungen im interessierenden Frequenzbereich, Mittelung und Einstellungen erfolgen direkt. Quelle wird schnell gefunden. Alle Einstellungen auf einer Seite. Analyse und Vergleich Referenz Display mit Skalierung Für eine schnelle Gegenüberstellung der Ergebnisse und Summenpegeln. Vergleich von unterschiedlichen Varianten und Zyklen. Seite 46

47 Darstellung der Oberfläche Spektrum inkl. Bandpass Summenpegel über der Zeit Dynamik Wiedergabegeschwindigkeit Messungs-Explorer Hologramm Referenz Hologramm Seite 47

48 Simcenter Sound Camera Digital Array Software Designed für den dynamischen Einsatz FARFIELD picture NEARFIELD picture NEARFIELD picture different angle Dynamischer Anwender Bewegung von Fern- in das Nahfeld Echtzeit Nahfeld Fokusierung ergibt die beste räumliche Auflösung Umrundung des Objekts, um einen Überblick zu bekommen Dynamisches Objekt Beurteilung von transienten, impulshaften Betriebsbedingungen Aufzeichnung der Analyse mit hoher Framerate Für eine ausgewogene Darstellung aller Quellen nutzt man short-time exponentional averaging 25 frames per second high precision Seite 48

49 Simcenter Sound Camera on Simcenter Testlab Messung weiterer Kanäle tacho Direkte Verbindung Sound Camera Nutzung direkt mit Testlab Einsatz von 4 Ch. AC/ICP Sensoren mit Sound Camera Korrelation der Quellorte mit anderen Analyseresultaten CAN Multi-front-end Modus Für mehr Ch., parallele Erfassung mit Scadas Mobile / Recorder Kombinierbar auch mit anderen Sensoren Synchronisation mit digitalem IRIG-B output über Scadas. Seite 49

50 Simcenter Sound Camera on Simcenter Testlab Tieferes Verständnis Erhöhte räumliche Auflösung Zur Schallquellen-Trennung und besserer räumlicher Auflösung bei tiefen Frequenzen mit inah Quantifizierung der Quellstärke mittels Schallleistungsbestimmung Testlab platform Tests von Fällen wie Motor- Hochläufe über der Drehzahl Korrelation von Schallquellen mit Ordnungen oder Psychoakustik Parametern. Erhöhte Produktivität Gegenüberstellung des Hologamms und der Spektren Batch processing für standardisierte Prüfungen Schnelle Berechnung optimiert für Grafikkaten Seite 50

51 Einsatzmöglichkeiten Automobil Haushaltsgeräte Werkzeuge Elektromotoren Seite 51

52 Akustische Undichtigkeit Anregung mit Schallquelle (stationär) Source: Mid-frequency volume velocity source Distance: 0.35m Frequency: Hz Target: determine acoustic leakage at door seals Experiment: the source can move over the door seals, or always stay at one single position. Array can stay ar fixed position, or move over the seals Seite 52

53 Betriebsablauf Wäschetrockner (instationär) 1. Tür schließen 2. Knopf drücken 3. Start Trocknung 4. Tür öffnen Seite 53

54 Betriebsablauf Kaffeeautomat (instationär) 1. Knopf drücken 2. Mahlwerk arbeitet 3. Kaffee fließt ein > Störgeräusche Tropfenfang > Störgeräusche Tropfenfang und Seitenwand Seite 54

55 Bewegung des Arrays Dynamisches Annähern an die Quelle Start im Fernfeld: > Array Durchmesser D Ein guter erster Eindruck über alle Schallquellen Auswahl der interessierenden Schallquelle Bewegung des Arrays in das Nahfeld: <D/2. Echtzeit Nahfeld-Fokusierung erzielt die beste räumliche Auflösung Bewegung des Array um das Objekt Bestätigung der Quellortung an den richtigen Positionen Seite 55

56 Elektromotor auf einem Motorenprüfstand Sound Camera Seite 56

57 Elektromotor Hochlauf Frequenzbänder und Summenpegel Summenpegel über Zeit Seite 57

58 Simcenter Sound Camera Videos Seite 58

59 Simcenter Sound Camera Is helping you! Zusammenfassung 1 Komplett Digital Kostengünstig, da keine analogen Mikrofone und AD-Wandler 2 Modularer Aufbau Eignung für viele Aufgaben und Frequenzbereiche 3 Vielseitige Software Frühzeitige Erkennung einer eingeschränkten Performance 4 Kompatibilität Array auch für Nahfeld / HW zu SCADAS / Daten auch zu anderen Analysen Seite 59

60 Marc Mändl PreSales Solutions Consultant