Gefell - Workshop 2012

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1 Stand Gefell Workshop 2012 Vogtlandhalle Greiz Mit µremus den Geräuschen auf der Spur von Dr. Sibaei + Hastrich Ingenieurgesellschaft b.r. Münchner Straße 3 D Holzkirchen Tel Fax Dipl.Ing. H.P.Hastrich

2 1 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Geräuschquellenanalyse bei Säugetieren und Reptilien Geräuschquellenanalyse in der Technik µremus Software Module Übersicht µremus Signalanalyse µremus Ordnungsanalyse µremus Modalanalyse µremus Betriebsschwingformanalyse Frequenzbereich, Zeitbereich, Drehzahlbereich µremus Lagerdiagnose... 9 µremus Wuchten starrer Rotoren µremus Wuchten elastischer Rotoren µremus Pegel Schallleistung µremus Soundanalyse µremus Akustische Lärmkamera... 26

3 2 1 Einleitung 1.1 Geräuschquellenanalyse bei Säugetieren und Reptilien Die Geräuschquellenanalyse erfolgt in zwei Schritten. Zunächst wird ein Geräusch akustisch und dann die Geräuschquelle optisch wahrgenommen und für die weitere Vorgehensweise beurteilt. Die Analyse startet mit der Wahrnehmung eines Geräusches mit den Ohren. Da es grundsätzlich immer zwei Ohren in räumlicher Anordnung gibt, ist eine Lokalisierung der Geräuschquelle möglich. Die Richtung der Geräuschquelle wird durch den Ablauf mehrere Vorgänge erkannt: OnlineVergleich der Geräusche an beiden Ohren Unterscheidung der Frequenzinhalte bezüglich einer Schallquelle aus mehreren Schallquellen Unterscheidung der Einstrahlrichtung des Geräusches von Vorne oder Hinten Kopfdrehen bis das Geräusch an beiden Ohren von vorne gleich laut wahrgenommen wird. Damit ist der Kopf auf die Geräuschquelle (Richtung links rechts bzw. oben unten) gerichtet und die optische Wahrnehmung der Geräuschquelle mit den Augen vorbereitet. Da es auch hier grundsätzlich zwei Augen in räumlicher Anordnung gibt, sind ein räumliches Sehen und damit eine optische Lokalisierung der Schallquelle möglich. Die Kombination dieser beiden Sinnesorgane ermöglicht eine Ortung und körperliche Erkennung der Schallquelle. Diese (erfolgreichen) Analysen sind stammesgeschichtlich eine Voraussetzung für das Überleben des Individuums. In der Welt der Musik gibt es den Begriff der Stereophonie. Durch entsprechenden Aufbau von Lautsprechern kann bei Wiedergabe von Musikstücken ein räumlicher Entstehungseffekt erzielt werden. Die Musik wird so wahrgenommen, als ob der Zuhörer in einem Konzertsaal vor den Musikern sitzen würde. Erkenntnis: Richtung und Lautstärke, Unterscheidung der Frequenzinhalte bezüglich einer Schallquelle aus mehreren Schallquellen.

4 3 Die Ortung der Quelle erfolgt durch das Drehen des Kopfes mit den beiden Ohren (Messeinrichtung) bis an beiden Ohren (an beiden Mikrofonen) der Schall gleichlaut wahrgenommen wird. Dann ist die Richtung der Schallquelle in der Mittelachse zwischen den Ohren. Da die Ohrmuscheln gerichtet sind, kann auch festgestellt werden ob das Geräusch von vorne oder hinten kommt.

5 4 1.2 Geräuschquellenanalyse in der Technik Die Geräuschquellenanalyse an Motoren, Maschinen, Fahrzeugen, Flugzeugen, etc. erfolgt mithilfe von Messsystemen mit angeschlossenen Sensoren, die das menschliche Ohr ersetzen. Die Messkette besteht aus Sensoren Luftschall Mikrofon, Schallpegelmesser, Intensitätssonde, Akustische Kamera Körperschall Beschleunigungssensor, Schwinggeschwindigkeitssensor (z.b. Laser), Geophon, Kraftsensor, Drehzahlsensor, DMS Flüssigkeitsschall Hydrophon Messsystem Software Computer PC (für PCIEinsteckkarten), Notebook (mit USB und EthernetAnschluss) Messbox DisC6 DIC6B DIC24 Harmonie Data Translation STAC Verbindung PCMCIA, Firew USB, Ethernet USB, Ethernet PCMCIA, PCI USB PCI, USB Übersicht im nächsten Abschnitt

6 5 1.3 µremus Module Übersicht Siemens Signalanalyse Ordnungsanalyse Modalanalyse Betriebsschwingformanalyse Freq. Zeitbereich, Drehzahlbereich Maschinendiagnose Maschinenüberwachung Lagerdiagnose Wuchten starrer Rotoren Wuchten elastischer Rotoren Humanschwingungen Pegel / SchallLeistung Schallintensität InnengeräuschMesssystem Vorbeifahrt ISO 362 Soundanalyse Akustische Lärmkamera Sonderlösungen Dienstleistungen

7 6 2 Signalanalyse 2.1 Übersicht Bild 1 Geophone Bild 2 Geophone und Modalhammer

8 7 Bild 3 Schwingungsisolation Bild 4 Schwingungsisolation Bild 5 Schwingungsisolation

9 8 Bild 6 Brandenburger Tor

10 3 Ordnungsanalyse 3.1 Übersicht Bild 7 Motorprüfstand 9 Bild 8 Motorprüfstand Ausschnitt

11 Bild 9 Telemetrie 10 Bild 10 Wasserfall Bild 11 Sonogramm

12 Thema Umrichter Umrichter Pulssationsfrequenz bei ca Hz ( 1 ) Bild 12 Hinterachse Hochlauf Kanal 3 Bauteilmessung Die an der Frequenz von 4 khz startenden Linien werden durch den Umrichter verursacht. Die 4000 Hz ( 1 ) ist die Pulsationsfrequenz des Umrichters. Diese hat auch Oberwellen mit geradzahligen Vielfachen. Da die Messungen nur bis ca Hz erfolgten, sind keine der vorhandenen Oberwellen bei 8000 Hz, Hz und höher zu sehen. Die Pulsationsfrequenz des Umrichters entwickelt keine Amplitude im FFTSpektrum und damit auch nicht im Topogramm. Aber es zeigen sich sehr viele Seitenbänder, die jeweils aus 4000 Hz startend sich fächerartig symmetrisch um die fehlende Mittenfrequenz ausbilden. Die Oberwellen haben neben den Seitenbändern auch die MittenfrequenzAmplitude im FFTSpektrum.

13 12 Umrichter Pulssationsfrequenz bei ca Hz Bild 13 Hinterachse Hochlauf Kanal 1 Bauteilmessung Die UmrichterPulsationsfrequenz fällt durch das Fehlen der eigentlichen Mittenfrequenz ( 1 ) auf. Deutlich zu sehen sind die Seitenbänder, die sich symmetrisch um die fehlende Mittenfrequenz mehr oder weniger stark ausgeprägt anordnen ( 2a ) ( 3b ). Alle Linien, die den erkennbaren Fächer bilden, sind durch den Umrichter verursacht. Sie haben eine mechanische Wirkung, wenn sie z.b. über eine StrukturResonanz laufen. Sie können sich auch mit Ordnungslinien kreuzen. Für die Kreuzungspunkte bedeutet dies für die Drehzahl und Frequenz mechanisch eine Anregung aus beiden Ursachen.

14 13 Umrichter wechselt sein Pulsationsverfahren ( 1 ) bei n = 250 1/min ( 2 ) Bild 14 Hinterachse Hochlauf Kanal 3 Bauteilmessung Die abgesetzte Linie ( 1 ) in dem Fächer der Seitenbänder mit der Zunahme der Anzahl der Seitenbänder und der Erhöhung der Amplituden wird durch den Wechsel des Pulsationsverfahrens des Umrichters verursacht. Die geschieht hier bei einer Drehzahl von n = 250 [1/min] ( 2 ).

15 14 Umrichter wechselt sein Pulsationsverfahren bei n = 250 1/min Bild 15 Hinterachse Hochlauf Kanal 3 Bauteilmessung Ausschnitt Das Bild zeigt einen Ausschnitt des Seitenbänderfächers um die Wirkung des Wechsels des Pulsationsverfahrens zu verdeutlichen.

16 15 Umrichter wechselt sein Pulsationsverfahren bei n = 250 1/min ( 1 ) Bild 16 Vorderachse Hochlauf Kanal 3 Bauteilmessung Auch der Motor an der Vorderachse zeigt die Änderung des Pulsationsverfahrens bei der Drehzahl von n = 250 [1/min].

17 16 Grund und Oberwellen der Umrichterspeisung ( 1 ) bei ca. 800 Hz, 1600 Hz, 2400 Hz, 3200 Hz Hz Bild 17 Hinterachse Hochlauf Kanal 11 Bauteilmessung Die Ursache für die kleinen Fächer kann die Umrichterspeisung sein. Sie treten bei 800 Hz, 1600 Hz, 2400 Hz, 3200 Hz, 4800 Hz ( 1 ) ( 5 ) und höher auf. Für die UmrichterPulsationsfrequenz fehlt der Fächer ( 6 ). Als eine weitere Ursache für diese Fächer ist auch die Abtastung des Drehgebers möglich. Eigentlich müsste eine Prüfung stattfinden, die die Ursache eingrenzt. Aber hier ist eine mechanische Wirkung zu vernachlässigen und damit die Überprüfung nicht nötig.

18 4 Modalanalyse 4.1 Übersicht Bild 18 Modalanalyse 17

19 Bild 19 MA Platte 18

20 19 5 Betriebsschwingformanalyse Freq. + Zeitbereich, Drehzahlbereich 5.1 Übersicht Die Bilder sind dem Vortrag NVH Forum 2005 HEIM Systems Bergisch Gladbach Hochlaufanalyse mit dem FrontEnd DiSC6 / DATaRec A480 Bild 20 Schleifmaschine Bild 21 Schleifmaschine als Gitterstruktur

21 20 Bild 22 Rohdaten Timerecording Datei für Referenzpunkt 9 Z, Messpunkt 1 X Y Z, Drehzahl

22 21 Bild 23 Time, RPM, Topogramm Referenzpunkt 9 Z Bild 24 Time, RPM, Topogramm Messpunkt 1 X Bild 25 Time, RPM, Topogramm Messpunkt 1 Y Bild 26 Time, RPM, Topogramm Messpunkt 1 Z

23 22 Bild 27 Topo Messpunkt 1 X Bild 28 Topo Messpunkt 1 Y Bild 29 Topo Messpunkt 1 Z Bild 30 Topo FRF X Bild 31 Topo FRF Y Bild 32 Topo FRF Z

24 9 Wuchten starrer Rotoren 9.1 Übersicht Bild 33 Wuchtrotor 23

25 24 Bild 34 Urlauf Bild 35 Tarierlauf 1 (Ebene 1) Bild 36 Wuchtlauf Bild 37 Tarierlauf 2 (Ebene 2)

26 25 12 Pegel / SchallLeistung 12.1 Übersicht SchallLabor Bild 38 Schalltoter Raum Wand mit Objekt Bild 38 Schalltoter Raum Linearführung mit Schallintensitätssonde

27 26 AußenAnlage mit Teststrecke Bild 39 Außenanlage Objekt auf Teststrecke Mikrofone auf einer Halbkugel Schallleistung Mikrofone am Helm Schalldruckpegel Beschleunigungssensoren HumanHandArm

28 27 14 Soudananlyse 14.1 Übersicht Bild 40 Soundanalyse Bild 41 Setup Bild 42 Filter

29 28 15 Akustische Lärmkamera 15.1 Übersicht Allgemein werden mit einer optischen Kamera Bilder bzw. Filme erzeugt. Mit der akustischen Lärmkamera kann Lärm optisch sichtbar gemacht und dadurch seine Schallquellen erkannt werden. Die Bestandteile der Lärmkamera sind Mikrofonarray Messverstärker Messrechner Analyseprogramm digitale (optische) Kamera. Der Lärm wird mit den Mikrofonen erfasst und nach einer speziellen Analyse in einem Farbtopogramm dargestellt. Die angewandte Technik der Abbildung einer physikalischen Größe in einem Farbtopogramm ist aus anderen Bereichen z.b. Schallintensität, Ordnungsanalyse usw. bekannt. Lehrsatz der Akustischen Lärmkamera Mit den Ohren sehen heißt gehörtes sichtbar machen.

30 Technische Details Anzahl der Mikrofone ab 24 bis 128 Array Größe von 100 cm bis 6 m Array Form Quadrat, (Rechteck), Sternförmig mit 3 5 Armen Bild 43 ArrayFormen AnalyseFrequenzbereich abhängig von der Array Größe von 60 Hz bis 12 khz Objekt Abstand von 1 m bis 50 m Nahfeld 1 2m Ziele Gesamtstruktur bis 50 m Schallquellen eingrenzen Vergleich vor der Änderung / nach der Änderung

31 30 Darstellung PegelTopogramm hinterlegt mit Strukturfoto Summenpegel Terzpegel Ordnungspegel Schmalbandpegel Filtermodul Berechnung Synthetische Zeitverläufe Spektrale Analyse der synthetischen Zeitverläufe Filtern der synthetischen Zeitverläufe WAVE Dateien zum Anhören der synthetischen Zeitverläufe 15.3 Beispiel Prüfstand Motor mit Getriebe Bild 44 Prüfstand ohne Schallquelle Bild 45 Prüfstand mit Schallquelle