Geräusch- und Schwingungsmessungen

Dieses Dokument ist Teil unseres Informationsportals „Praktische Anleitungen für die gängigsten Messungen“.

Übersicht über Geräusch- und Schwingungsmessungen und piezoelektrische (IEPE) Sensoren

Schwingungen, oder Vibrationen, entstehen, wenn eine Masse mechanisch um einen Gleichgewichtspunkt oszilliert. Ein bekanntes Beispiel eines vibrierenden mechanischen Systems ist ein Feder-Masse-Dämpfer-System (s. Abb. 1). Schwingungen treten auch auf Oberflächen auf, z. B. auf der Tragfläche eines Flugzeugs oder auf einem Gong. In vielen Fällen sind Schwingungen unerwünscht, weil sie Energie verschwenden, zu Verschleiß führen und Lärm verursachen. Deshalb werden Systeme normalerweise dafür ausgelegt, solche Vibrationen zu minimieren. Vibrierende Strukturen erzeugen Druckwellen, also Geräusche, was in bestimmten Fällen auch erwünscht sein kann, beispielsweise bei Musikinstrumenten.

Dieses Video zeigt Ihnen in einer Minute, wie eine Geräusch- und Schwingungsmessung durchgeführt wird.

Abbildung 1: Feder-Masse-Dämpfer-System

Bei Geräuschen und Schwingungen handelt es sich im Wesentlichen um Oszillationen in verschiedenen Medien und genauso, wie Vibrationen Klang erzeugen, können über die Luft übertragene akustische Wellen auch in festen Materialien zu Oszillationen führen. Da diese beiden Theorien zusammenhängen, ähneln sich auch Messungen von Geräuschen und Schwingungen.

Sowohl Geräusche als auch Schwingungen können als Oszillationen dargestellt werden. Die einfachsten sind Sinuskurven, die zeitbezogen als beschrieben werden, mit den Konstanten Kreisfrequenz ω und Phase φ. Die Kreisfrequenz ω wird in Bogenmaßen (Radians) pro Sekunde (rad/sec) angegeben und steht durch folgende Formel mit der Frequenz ƒ (Hz or s^-1) in Zusammenhang: ω =2πƒ. Betrachtet man die Kreisfrequenz, wird immer auch von der Phase φ gesprochen. Diese Phase beschreibt einen Offset des Signals von einem spezifizierten Referenzpunkt zur Anfangszeit t₀ und wird meist in Grad oder Bogenmaßen angegeben.

Analyse von Geräusch- und Schwingungsmessungen

In realen Anwendungen bilden die gemessenen Spannungen komplexe Signalformen mit mehreren Frequenzkomponenten. Bei der Geräusch- und Schwingungsanalyse werden diese Frequenzkomponenten identifiziert und untersucht. Dafür muss man die Signale mathematisch mithilfe der Laplace-, Z- oder Fourier-Transformation vom Zeit- in den Frequenzbereich transformieren. Die Fourier-Analyse ist für diese Anwendung am gängigsten, da sie die Stärke in Dezibel (dB) und die zugehörige Phase ω (in Grad oder Bogenmaßen) für jede Komponente eines Signals liefert.

IEPE-Sensoren

Typische Größen für Geräusch- und Schwingungsmessungen sind Beschleunigungs- oder Schalldruckpegel. Diese Indikatoren werden mit Geräten wie Beschleunigungssensoren (Stöße und Vibrationen) und Mikrofonen (Geräusche) gemessen.

Viele Sensoren für die Messung von Beschleunigung und Druck basieren auf dem Prinzip des piezoelektrischen Effekts. Dieser verwendet die Fähigkeit von Keramik- oder Quartzkristallen, unter Druckbelastung elektrische Potenziale zu erzeugen. Diese Belastungen werden durch Kräfte wie Beschleunigung, Dehnung oder Druck ausgelöst. Bei Mikrofonen versetzen akustische Druckwellen eine Membran in Schwingungen und übertragen den dadurch entstehenden Druck an die umgebenden piezoelektrischen Kristalle. Im Gegensatz dazu enthalten Beschleunigungssensoren eine seismische Masse, die Kräfte als Reaktion auf Stöße und Vibrationen direkt an die umgebenden Kristalle abgibt. Die dabei erzeugte Spannung verhält sich proportional zur internen Belastung in den Kristallen.

Eine bestimmte Klasse piezoelektrischer Sensoren, die unter dem Begrif Integral Electronic Piezoelectric (IEPE) bekannt sind, beinhalten neben den piezoelektrischen Kristallen einen Verstärker. Aufgrund der sehr geringen von einem piezoelektrischen Messwertaufnehmer erzeugten Ladung ist das vom Sensor erzeugte elektrische Signal rauschanfällig. Die Elektronik zur Verstärkung und Konditionierung des Signals und zur Reduzierung der Ausgangsimpedanz muss deshalb sehr empfindlich sein. IEPE integriert die empfindliche Elektronik deshalb so nah wie möglich am Messwertaufnehmer. Dies gewährleistet eine geringere Störanfälligkeit und einen besseren Formfaktor. Ein typischer IEPE-Sensor wird von einer externen konstanten Stromquelle gespeist. Die Ausgangsspannung wird in Abhängigkeit zur Ladungsänderung des piezoelektrischen Kristalls moduliert. Der IEPE-Sensor nutzt nur einen oder zwei Drähte sowohl für die Sensorerregung (Strom) und den Signalausgang (Spannung).

Durchführung von Geräusch- und Schwingungsmessungen

Der Schaltungsaufbau für die Signalkonditionierung zur Messung von Geräuschen und Schwingungen ist recht unkompliziert. Ein typisches System für die Messung von Beschleunigung oder Schalldruckpegel umfasst folgende Komponenten:

•         Sensor

•         Stromquelle zur Erregung des Sensors

•         Erdung zur Vermeidung von Rauschen

•         AC-Kopplung zur Entfernung von DC-Offsets im System

•         Geräteverstärker zur Erhöhung des Signalpegels am Sensor

•         Tiefpassfilter zur Reduzierung von Rauschen und Vermeidung von Aliasing im Datenerfassungssystem

•         SSH-Architektur (Simultaneous Sample and Hold) zum optimalen Timing mehrerer Signale

Wie im vorangegangenen Abschnitt erwähnt, sind Geräusch- und Schwingungsmessungen sehr rauschanfällig. Durch eine sorgfältige Erdung des Systems kann dieser Effekt vermindert werden. Ungeeignete Erdung aufgrund von Masseschleifen oder nicht massebezogenen Knotenpunkten kann vermieden werden, wenn man sicherstellt, dass entweder nur der Signalkonditionierungseingang oder nur der Sensor geerdet ist. Ist der Sensor geerdet, muss er differenziell angebunden werden. Ist der Sensor nicht massebezogen, sollte man den invertierten Eingang des Signalkonditionierungssystems mit der Masse verbinden.

Das vom Sensor erfasste Signal besteht aus DC- und aus AC-Komponenten, wobei der DC-Offset den AC-Anteil verschiebt. Die AC-Kopplung entfernt den DC-Offset im System mithilfe eines Kondensators, der mit dem Signal in Serie geschaltet ist. Ein AC-gekoppeltes Sensorsystem eliminiert die langfristige DC-Abweichung, die an Sensoren aufgrund von Alters- und Temperatureffekten auftreten. Dadurch werden Auflösung und nutzbarer Dynamikbereich des Systems wesentlich erhöht.

Für genaue Messungen sollte die Abtastrate des Systems mindestens doppelt so hoch sein, wie die Frequenz des erfassten Signals. Um sicherzugehen, dass der richtige Frequenzbereich erfasst wird, kann man vor der Abtastung und dem A/D-Wandler einen Tiefpassfilter hinzufügen. Dadurch wird gewährleistet, dass Rauschen höherer Frequenz gedämpft wird und diese Aliasing-Komponenten oberhalb der Abtastrate die Messergebnisse nicht verzerren.

Anbindung des Sensors an ein Messgerät

Als Beispiel soll hier das Modul NI 9234 der C-Serie dienen. Es ist für Beschleunigungssensoren und Mikrofone konzipiert (s. Abb. 2). NI 9234 kann vier Analogeingänge bei 51,2 kS/s simultan abtasten. Gleichzeitig bietet es softwareseitig einstellbare IEPE-Signalkonditionierung, AC/DC-Kopplung und Antialiasing-Filter. Das Modul NI 9234 kann in einem NI-cDAQ-9172-Chassis eingesetzt werden.

 

Abbildung 2: Das Modul NI 9234 der C-Serie mit NI-CompactDAQ-Chassis

Das Modul verfügt über vier BNC-Anschlüsse, die alle mit einem IEPE-Sensor verbunden werden können. Der Pin in der Mitte des Anschlusses, AI+, liefert die DC-Erregung und die AC-Signalverbindung. Die Buchse des Anschlusses, AI–, stellt den Rückweg für die Erregung und die Referenz für die AC-Signalerdung dar.

Abbildung 3: Aufteilung des BNC-Anschlusses am Modul NI 9234

Ein IEPE-Sensor benötigt ein geeignetes Kabel und/oder einen Anschluss für die Anbindung an die BNC-Eingänge des Moduls der C-Serie. Triaxial-Beschleunigungssensoren haben drei Ausgänge und somit eine Achse pro Erfassungskanal, wobei jeder seine eigene Signalkonditionierung benötigt.

Sowohl massebezogene als auch nicht massebezogene IEPE-Sensoren können mit NI 9234 verbunden werden, aber die Verbindung muss massefrei sein, um Rauschen über die Masse zu verhindern. Typische IEPE-Sensoren haben eine Hülle, die elektrisch von der IEPE-Elektronik isoliert ist. Die Verbindung des Sensors mit NI 9234 führt also zu einer massefreien Verbindung, obwohl die Sensorhülle geerdet ist.

Messungen darstellen: NI LabVIEW

Nachdem das System konfiguriert ist, können Daten mit der grafischen Programmierumgebung NI LabVIEW erfasst und dargestellt werden (s. Abb. 4).

Über die Software kann die erfasste Spannung mithilfe von Funktionen zur Spektrumanalyse (Frequenzbereich) in Frequenz umgerechnet werden. Ein einfaches Beispiel dafür ist die Fourier-Transformation oder FFT-Funktion. Bei anspruchsvollerer Datenverarbeitung über die Software helfen die zahlreichen Werkzeuge, die National Instruments bietet, wie etwa die NI Sound and Vibration Measurement Suite.

Abbildung 4: Leistungsspektrum im NI Sound and Vibration Toolkit

Empfohlene Hardware und Software

Beispiele für Geräusch- und Schwingungsmesssysteme

Die schlüsselfertige NI-CompactDAQ-Plattform in einem 3-minütigen Video

Virtuelle Tour zu NI CompactDAQ

Weitere Informationen über LabVIEW und kostenlose Evaluierungsversionen

Software zur Verwaltung und Auswertung archivierter Messdaten (ni.com/diadem/d)

Webcasts, Tutorien und weitere Ressourcen zu Geräusch- und Schwingungsmessungen

10 Tipps für die Auswahl eines Geräusch- und Schwingungsmesssystems

Interaktive Anwendungstutorien, Produktdemos und Kundenlösungen zu Geräusch- und Schwingungsmessungen