Einsatz des Beamforming-Verfahrens im Bereich der akustischen Materialprüfung und Qualitätssicherung

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1 19. Kolloquum Schallemsson Vortrag 20 Ensatz des Beamformng-Verfahrens m Berech der akustschen Materalprüfung und Qualtätsscherung Joachm FEIERABEND * * gfa tech GmbH, Berln Volmerstrasse Berln Kurzfassung Zu bekannten Methoden, de Aussagen zur Schallntenstät, Schalllestung und Frequenzberech ermöglchen, haben solche an Bedeutung gewonnen, de zur Lokalserung von Schallquellen denen, so z.b. das Delay-und-Sum-Beamformng. Grundlage des Verfahrens st, Laufzetunterschede von enem Schalleregns zu verscheden Mkrofonen enes Arrays auszuwerten. In ener zetlch gesehen nvers ablaufenden Rekonstukton des Eregnsses wrd der Emssonsort n Focusabstand ermttelt. Der gefundene Schalldruck wrd nach ener Farbpalette über en optsches Bld des Meßszenaros kartert. Dargestellt wrd dann der effektve Schalldruck am Immssonsort. Der Anwender st herbe n der Lage, Emssonen m Kontext hrer Entstehung und Ausbretung zu betrachten. Des schert enen engen Realtätsbezug, der be ener Beurtelung von Objekten unter akustschen Aspekten hlfrech st. Auf desem Wege lassen sch auch Rückschlüsse auf Materalparameter oder das Objektverhalten zehen. Wrd en Prüflng n geegneter Wese mechansch angeregt, so können aus sener Schwngungsantwort Informatonen entnommen werden, de Folgerungen auf senen Zustand zulassen, we Homogentät, Bruchstellen oder Ähnlches. Des st nsbesondere zutreffend, wenn des orts-, zet- und frequenzselektv erfolgt. Akustsche Kameras können als robuste Systeme aufgebaut und drekt m Produktonsumfeld engesetzt werden. De Betrachtung von Objekten von Spelwürfelgröße bs hn zur Industreanlage aus mehreren 100 Meter Abstand st gängge Praxs. Der auswertbare Frequenzberech legt zwschen 100Hz und ca. 60kHz. Hnschtlch der Beurtelung nstatonärer Geräusche, deren Analyse mt der Akustschen Kamera überhaupt erst möglch geworden st, snd Auflösungen um 100µs Stand der Technk. Funktonaltäten, we spektrale Auswertungen, Ordnungsanalysen, de als Voraussetzungen zum Ensatz m Umfeld der Materalprüfung vorhanden sen müssen, snd n den Systemen ntegrert. Ene der neuesten Entwcklungen st de Emssonskarterung auf enem dredmensonalen Oberflächenprofl. Das brngt neben dem ncht unerheblchen mathematschen Mehraufwand n der Algorthmk zur Ergebnsdarstellung ene sgnfkante Verbesserung des Kontrastes und ene Erweterung des auswertbaren Frequenzbereches mt sch. Lzenz: 1

2 Ensatz des Beamformng-Verfahrens m Berech der akustschen Materalprüfung und Qualtätsscherung Dpl.- Ing. Joachm Feerabend 1 De Lösung zum Lokalseren von Schallemssonen 2 2

3 Neue Lösungsansätze Lärmredukton Geräuschanalyse & Sound Desgn Qualtätsscherung 3 Technsches Prnzp ( Delay & Sum Beamformng m Zetberech) Quelle Lnkes Ohr Rechtes Ohr Verzögerungsletungen 4 3

4 Blck n de Geschchte 5 Hexagonales Array von Jean Baptste Perrn Quelle: (C) AIP Nels Bohr Lb. "Topophon" von Prof. A.M. Mayer (1880) 5 Delay & Sum Beamformng Ausgangspunkt für de Karterung m Orts-Zetberech unter NoseImage st: r P( t, ) = 1 N N = 1 r p( t ( )) Glechung st aus dem Delay-and-Sum Beamformmg wohl bekannt: Delay-and-sum beamformng, the oldest and smplest array sgnal processng algorthm Array Sgnal processng Don H. Johnson, Dan E. Dudgeon 1993 by PTR Prentce-Hall, Inc. 6 4

5 Beamformng - Grundprnzp Fokusseren des Arrays: Messobjekt Mkrophon-Array mt M Sensoren = 1... M vrtuelle Messebene y Aktueller Bldausschntt (Pxel) für den Ort x z x unterschedlche Dstanzen r vom Sensor zum Ort x führen zu verschedenen absoluten Laufzeten τ = r / c 7 Delay & Sum - BF m Zetberech f ( x, t) 1 w 1 fˆ 1 ( x, t) = M M = 1 w f ( t ) Schalleregns τ = r c p(t) τ 1 f = τ mn ( x, t) ( τ ) j j w 2 w 3 w 4 + 1/M fˆ ( x, t) fˆ ( x, t) p(t): Schalldruckverlauf τ 2 τ 3 τ 4 t Effektvwert von p am Ort x: 1 2 pˆ ( ) ˆ (, ) = ˆ eff x peff x n f ( x, tk ) n n 1 k= 0 8 5

6 De Realserung als modulares Meßsystem Mkrofon-Array Vdeo- Kamera dv. Sensoren PC Datenrekorder 9 Arrays Für unterschedlche Ensätze stehen verschedene Arrays zur Verfügung 10 6

7 Schall wrd schtbar Schnell Enfach Präzse 11 Akustsches Foto angeregte Getrebewelle 12 7

8 Akustsches Foto 3D Betrebsgeräusch ener KFZ-Komponente 13 Akustscher Flm Bs zu Blder/s Instatonäre Geräusche 14 8

9 Spektrale Analysen Schmalbandkarterung Terzkarterung Spektrum enes Ortes Spektrogramme 15 Spektrale Analysen Abgebldeter Frequenzberech: 3,7 bs 4,3 khz 16 9

10 Fazt Das Beamformng-Verfahren ermöglcht ene ortselektve Analyse und Dokumentaton von statonären und nstatonären Geräuschemssonen mt hoher zetlcher Auflösung n enem weten Frequenzberech. 17 Analyse von Werkzeugen Schlagbohren n Beton 18 10

11 Analyse von Werkzeugen 19 Bruchprüfung Schaderegns Prüfung enes Rumpfsegmentes 20 11

12 Ordnungsanalysen und -Karterungen Karterung auf de 14. Ordnung des Schleuderprüfstandes 21 Danke für Ihre Aufmerksamket 22 12