Das „Ohr“ am Prüfling

Der Einsatz akustischer Messtechnik in der Produktentwicklung und der Qualitätssicherung ist nicht neu, jedoch war in der Vergangenheit der technische Aufwand recht hoch und der Einsatz im rauen Fertigungsumfeld problematisch. Geändert hat sich dies mit der Verfügbarkeit akustischer Kompaktsensoren, die eine sowohl einfache als auch wirtschaftliche Integration selbst in staubigen und feuchten Umgebungen ermöglichen.

Der Einsatz akustischer Messtechnik in der Produktentwicklung und der Qualitätssicherung ist nicht neu, jedoch war in der Vergangenheit der technische Aufwand recht hoch und der Einsatz im rauen Fertigungsumfeld problematisch. Geändert hat sich dies mit der Verfügbarkeit akustischer Kompaktsensoren, die eine sowohl einfache als auch wirtschaftliche Integration selbst in staubigen und feuchten Umgebungen ermöglichen.

Kennzeichnend für die akustische Qualitätssicherung ist die Messung sekundärer Eigenschaften eines Prüflings über die Analyse des von ihm erstellten Klangbildes. Gegenüber der Überprüfung primärer Qualitätsmerkmale, wie es bei anderen Messverfahren üblich ist, bietet diese Technologie insbesondere dann Vorteile, wenn die direkte Messung mit verfügbarer Messtechnik nicht umsetzbar ist, eine Vielzahl von Messungen erforderlich wäre oder eine Messung nicht direkt im Fertigungsprozess durchgeführt werden kann. Typische Anwendungsfelder für den Einsatz akustischer Sensoren für die Überwachung im Luft- als auch im Körperschallbereich sind zum einen die Analyse der akustischen Eigenschaften von Prüflingen anhand ihrer Eigenfrequenzen bis in den Bereich um 100 kHz und damit verbunden die Möglichkeit, mechanisch fehlerhafte Produkte – sei es aufgrund von geometrischen oder auch von Gefüge-Fehlern – zu identifizieren. Zum anderen eignen sich akustische Sensoren für die Überwachung von Fertigungsprozessen, bei denen Geräusche entstehen. Typische Beispiele hierfür sind die Identifikation von Leckage-Geräuschen oder Unwuchten bei Bearbeitungsprozessen aber auch die Überwachung von Einrastvorgängen in verdeckten Montageprozessen mittels Resonanzanalyse.

Die Kosten für eine derartige Lösung bewegen sich je nach Sensortyp zwischen 500 und 2000 Euro und sind damit günstig in Relation zum Einsatz bildverarbeitender Systeme oder klangprüfender Anlagentechnik, wo in der Regel Rechner in Schränke oder Racks eingebaut sind, welche wiederum Messkarten beinhalten, an denen über Vorverstärker Mikrofone angeschlossen sind. Wie funktioniert nun die akustische Messtechnik im Detail?

Der Klang eines Prüflings ist mit der spektralen Zusammensetzung seines durch bestimmte Anregung erzeugten Schalls und dessen zeitlichen Verlaufs vollständig beschrieben. Dieser Klang lässt sich reproduzieren, wenn Anregungsort, Impuls und Lagerung des Prüflings konstant gehalten werden. Möchte man schnell und ohne  besondere pannvorrichtungen prüfen, führt eine Anregung durch einfaches, möglichst hinsichtlich der Ausgangslage gleich orientiertes Fallen des Prüflings auf einen harten Untergrund bei metallischen Kleinteilen meist zu einer hinreichend reproduzierbaren Anregung des Prüflings.

Die Eigenfrequenzen und das Abklingverhalten des Prüflings sind abhängig von den geometrischen Abmessungen, dem Material an sich sowie von Änderungen im Materialgefüge. Ausgangspunkt der  Qualitätssicherung ist die akustische Untersuchung des Klanges fehlerfreier Referenzteile. Um eine gesicherte Aussage über die Nutzbarkeit der Resonanzanalyse zu erhalten, ist im Vorfeld eine repräsentative Menge von Prüflingen zu vermessen, die einerseits den zulässigen Toleranzbereich der Geometrie umfassen (zum Beispiel durch Vermessung verschiedener Chargen), und andererseits – sofern möglich – auch Proben verschiedener Teile mit Fehlern im Grenzbereich beinhaltet. Bei der Aufnahme des Klanges ist zu beachten, dass sich in der Regel kein homogenes Schallfeld ausbildet und insbesondere bei Messungen im Prozess von keiner reflexionsarmen Umgebung auszugehen ist. Die geeignete Lage des Sensors zum Prüfobjekt ist daher durch Vorversuche zu bestimmen.

Messverfahren und Auflösung

Die Messung des Klanges erfolgt üblicherweise durch Digitalisierung des Signals eines Schallaufnehmers (zum Beispiel Mikrofon), wobei im Ultraschallbereich – hier finden sich meist die verwertbaren Spektralanteile des Klanges kleinerer Strukturen – entsprechend hohe Abtastraten und Verarbeitungsleistungen erforderlich sind. Das Signal wird mit bekannten Verfahren in den Frequenzbereich transformiert und anhand statistischer Kenngrößen mit dem vorher trainierten Signal eines „Gut“-Teiles verglichen. Weist der Prüfling einen geometrischen Fehler oder einen Gefügefehler auf, beeinflusst dieser die Ausbildung der Eigenfrequenzen einzelner Schwingungsmoden der Struktur, jedoch nicht zwangsläufig aller Schwingformen und nicht zwangsläufig in verwertbarem Maße.

Daher ist die Art des zu detektierenden Fehlers bei der Auswahl der Form der Anregung zu berücksichtigen.

Die realisierbare Auflösung ist abhängig von der Länge des verwertbaren Signals und wird daher durch das Abklingverhalten des Prüflings, die bei Anregung eingebrachte Energie, bei sehr hohen Taktzeiten auch durch den Abbruch der Messung nach einer definierten Messzeit sowie durch die Rechenleistung und das Speichervermögen des Messsystems beeinflusst. Unter Vernachlässigung von Randeffekten, die durch die Frequenzanalyse eines zeitlich begrenzten Signals auftreten, ergibt sich die akustische Auflösungsgrenze als Quotient der Abtastfrequenz (fs) und der Anzahl der Abtastpunkte (N) beziehungsweise ist indirekt proportional zur Signallänge (ts). Bei einer Signallänge von beispielsweise 15 ms lassen sich somit etwa 50 Teile pro Sekunde mit einer Auflösung von 70 Hz im Frequenzbereich vermessen. Im konkreten Beispiel der Längenvermessung von Rundstäben (siehe Grafiken) bewirkt eine Längenänderung von 17 µm (0,017 mm) eine Änderung der Grundwelle der Biegeschwingung um eben diese 70 Hz. Heute verfügbare Signalprozessoren erlauben eine Echtzeit-Auswertung von Klängen mit Spektralanteilen bis 100 kHz in intelligenten Schallsensoren von der Größe eines Feuerzeuges.

Messtechnisch sind Taktzeiten von 20 ms – also die Prüfung von 50 Teilen pro Sekunden – durchaus realisierbar, im Hinblick auf die erforderliche Vereinzelung und Sortierung mechanisch jedoch recht anspruchsvoll. Ein Demonstrator bei der Firma ds automation sortiert bis zu drei Muttern pro Sekunde auf Gewindefehler; dies ist bereits recht schnell und eher realistisch für derartige Applikationen.