Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBFSchallwellen sind Verdichtungsschwingungen in der Luft. Die akustische Abstrahlung von Strukturen lässt sich durch die Schallintensität beschreiben. Mit dieser vektoriellen Größe lässt sich neben der Schallleitung ebenfalls die Ausbreitung im dreidimensionalen Raum beschreiben. Konventionelle Systeme zur Messung der Schallintensität bestehen aus handgeführten Sonden, welche in der Regel relativ teuer sind. Zudem führt die manuelle Durchführung von Messungen zu einer Reduktion der Reproduzierbarkeit und weiteren Steigerung der Kosten der Messungen. Aus diesem Grund wurde ein System zur automatisierten Messung der Schallintensität auf Basis von Low-Cost Komponenten entwickelt.
Low-Cost Schallintensitätsscanner
Low-Cost Schallintensitätsscanner zur Bestimmung der dreidimensionalen Schallausbreitung
Die von Maschinen abgestrahlte Schallintensität kann mit kommerziellen Schallintensitätssonden bestimmt werden. Diese bestehen aus hochpräzisen Mikrofonen bzw. Hitzedrahtanemometern. Die Technologie ist daher relativ teuer, weshalb sie nur einem begrenzten Nutzerfeld zur Verfügung steht. Heutige Low-Cost Komponenten ermöglichen eine günstige Umsetzung bei hinreichender Messqualität.
Abb. 1: Vergleich der gemessenen Schallleistung einer Vergleichsschallquelle mit unterschiedlichen Messverfahren.
Abb. 2: Gemessener Schallleistungsfluss eines Fein Multimasters.
Entwicklung eines Schallintensität Scanners
Auf Grund der hohen Messgenauigkeit ist die Anschaffung von konventionellen Messsystemen, insbesondere für dreidimensionale Messungen, mit hohen Kosten verbunden. Aus diesem Grund beschäftigen wir uns am Fraunhofer LBF mit der Entwicklung von Low-Cost Sonden auf Basis von Elektret Mikrofonen, mit denen die Schallintensität im dreidimensionalen Raum bestimmt werden kann. Es konnte eine 3D-Schallintensitätssonde entwickelt werden, mit der die Schallintensität bis zu einer Frequenz von ca. 10 kHz eine vergleichbare Messgenauigkeit zu kommerziellen Sensoren aufweist (Abbildung 1).
Da es sich bei der Schallintensität um eine vektorielle Größe handelt, kann sie neben der Bestimmung der abgestrahlten Schallleistung ebenfalls verwendet werden, um die Richtcharakteristik abstrahlender Strukturen zu erfassen. Hierzu wird auf einem dreidimensionalen Feld die Schallintensität um die Quelle herum gemessen. Um eine hinreichende Messgenauigkeit zu gewährleisten ist hierzu eine hohe Anzahl an Messpunkten erforderlich. Hierbei stellen handgeführte Schallintensitätssonden den Benutzer vor die Herausforderung der Positioniergenauigkeit bei einer zugleich hohen Anzahl an Messungen. Aus diesem Grund haben wir ein Portalsystem entworfen, mit dem die Positionierung der Schallintensitätssonde automatisiert durchgeführt wird. Dieses System basiert ebenfalls, wie die Schallintensitätssonde auf Low-Cost Komponenten, wodurch die Kosten des Gesamtsystems, je nach Vergleichssystem, um einen Faktor von bis 200 reduziert werden können.
Durch die Automatisierung der Schallintensitätsmessungen wird die Abtastung eines dreidimensionalen Volumens mit einer hohen Punktdichte möglich. Aus diesen Messungen lässt sich die kontinuierliche Ausbreitung des Schalls im Raum visualisieren. Beispielhaft ist in Abbildung 2 das Ergebnis einer Schallleistungsfluss Messung eines Fein Multimasters abgebildet. Hierbei sind die Ausbreitungspfade der Schallenergie zu erkennen. Die Farbskala definiert hierbei die Amplitude der Schallintensität. Hiervon ausgehend ist nun eine Optimierung der Struktur möglich, wobei ein Augenmerk auf die Beeinflussung der abgestrahlten Schallleistungsflüsse gelegt werden kann. Darüber hinaus ist die automatisierte Messung der abgestrahlten Schallleistung von Maschinen und Strukturen möglich.
Kundennutzen
Mit dem entwickelten Schallintensitäts-Scanner ist es nun möglich, auf Grund der deutlich reduzierten Kosten, die Technologie einem breiteren Nutzerkreis zugänglich zu. Somit wird es auch KMUs ermöglicht selbständig die akustische Abstrahlung ihrer Produkte zu evaluieren und ggf. Optimierungsmaßnahmen abzuleiten.
Kostengünstige und automatisierte Bestimmung dreidimensionaler Schallausbreitung:
Klein und mittelständischen Unternehmen ist es nun möglich, ebenfalls die Technologie für die akustische Optimierung ihrer Produkte zu verwenden. Zudem wurde gezeigt, dass eine Automatisierung der Messungen einen deutlichen Vorteil erbringt.