Schwingungsmessung Optik sucht Akustik

Die Optimierung der akustischen und schwingungstechnischen Eigenschaften von Bauteilen wird immer bedeutender. Für die Verifizierung der Vorgaben hat sich besonders die Laser-Doppler-Vibrometrie etabliert. Inzwischen ist daraus sogar ein bildgebendes, flächenhaftes Messverfahren entstanden, die Scanning-Vibrometrie.

Seit 20 Jahren entwickelt sich die flächenhaft scannende Laservibrometrie zum Standardwerkzeug bei der Erfassung von Schwingformen und damit zur Lösung von Geräusch- und Schwingungsproblemen, auch NVH (Noise, Vibration and Harshness) genannt. Das Funktionsprinzip basiert auf der Laser-Doppler-Vibrometrie: Aus dem von einer schwingenden Struktur zurückgestreuten Laserlicht werden Schwinggeschwindigkeit und Schwingweg bestimmt.

Das Messprinzip nutzt die optische Frequenzverschiebung, die ein Laserstrahl bei der Streuung im Messpunkt einer schwingenden Struktur erfährt. Eine Relativbewegung zwischen Sender und Empfänger führt im Fall von elektromagnetischen Wellen und damit auch von Lichtwellen zu einer geschwindigkeitsabhängigen Frequenz- beziehungsweise Wellenlängenänderung.

Wie im akustischen Fall bezeichnet man auch bei Lichtwellen dieses Phänomen als Doppler-Effekt. Bei der Streuung von Licht an bewegten Oberflächen ist dieser optische Dopplereffekt sowohl bei der Absorption durch die bewegte Fläche wirksam als auch ein weiteres Mal bei der anschließenden Reemission. Da die relative Frequenzänderung des Laserlichtes bei einer Geschwindigkeit von 10 m/s nur 4,7 · 10-8 beträgt, bedarf es interferometrischer Verfahren, um den Momentanwert der Frequenz- und Phasenänderung mit ausreichend hoher Genauigkeit messen zu können. In der Praxis kommen Systeme basierend entweder auf dem Michelson-Interferometer oder dem Mach-Zehnder-Interferometer zum Einsatz.

Eingeschwungen

Bei einem Scanning-Vibrometer ist das Laser-Doppler-Vibrometer mit einer Scanner-Spiegel-Einheit und einer Videokamera in einem Messkopf integriert. Während der Messung läuft der Laserstrahl über die Oberfläche des Messobjekts und liefert mit einer sehr hohen räumlichen Auflösung sequenziell eine Reihe von Einzelpunktmessungen.

Aus diesen sequenziell erfassten Schwingungsdaten lassen sich entweder im Zeitbereich der simultane Bewegungsablauf der Struktur oder aus der Analyse im Frequenzbereich die Betriebsschwingformen in interessierenden Frequenzbändern bestimmen und visualisieren. Da die Abtastung berührungslos stattfindet, beeinflusst das Messverfahren die zu untersuchende Schwingung nicht.

Die mit heutigen Vibrometern zugänglichen Messbereiche decken das gesamte Gebiet technisch relevanter Schwingungen vollständig ab. So lassen sich mit der Vibrometrie einerseits Bewegungen von Mikrostrukturen mit Schwingwegen von wenigen Picometern bei Frequenzen bis zu 30 MHz analysieren, andererseits aber auch schnell ablaufende Prozesse in Formel-1-Motoren mit Schwinggeschwindigkeiten bis zu 30 m/s.

Ein 3-D-Scanning-Vibrometer kombiniert drei Messköpfe, welche die Schwingbewegung aus unterschiedlichen Raumrichtungen erfassen, und damit den 3-D-Schwingungsvektor vollständig bestimmen. In der 3-D-Darstellung der Schwingungsdaten lassen sich die Schwingungen des Messobjekts räumlich oder individuell in x-, y- und z-Richtung beobachten und dabei auch In-Plane- und Out-of-Plane-Vektorkomponenten klar voneinander unterscheiden.

Digitale Verarbeitung

Die jetzt neu vorgestellte fünfte Generation der Scanning-Vibrometer der Serie »PSV-500« von Polytec ist auf die Hauptanwendungsbereiche Akustik, Strukturdynamik, experimentelle Modalanalyse und Ultraschall zugeschnitten (Bild 1). Die Präzision der Messdaten, die Messgeschwindigkeit sowie eine einfache Bedienung waren die wesentlichen Entwicklungsziele.

Für die Datenqualität sowohl der dynamischen Schwingungsdaten, als auch der gleichzeitig gemessenen Geometriedaten des Messobjekts sind sämtliche einzelne Glieder der Messkette verantwortlich, weshalb dort viel Entwicklungsarbeit hineinfloß. Die wohl wichtigste technologische Neuerung ist die »VibroLink« genannte volldigitale Verarbeitung der Messdaten.

Über bis zu acht Datenerfassungskanäle werden Referenzsignale (Anregungskraft, Driving-Point) erfasst, dann werden die Daten mit minimiertem Rauschen per Ethernet-Verbindung an den Auswerterechner übertragen. Im Mittelpunkt jedes Laservibrometers steht die Optik und dort das zentrale Bauelement: das Interferometer. Dieses ist im Vergleich zum Vorgängermodell um 80% geschrumpft, was der Anwender nicht nur an der Größe des Scankopfs, sondern vor allem durch eine verbesserte Stabilität bemerkt.

Neue rauscharme Scanner mit um 25% vergrößertem Scanbereich erweitern den gleichzeitig messbaren Bereich einer Objektoberfläche. Eine HD-Videokamera erleichtert nicht nur das Einrichten des Systems, sondern sorgt auch für eine ansprechende Präsentation der Daten. Der »CoherenceOptimizer« verbessert die Datenqualität und erweitert den Geschwindigkeits-Messbereich bei Ultraschallmessungen.

Diese Laserstabilisierung sorgt für eine passende Signalstärke aus jeder sinnvollen Entfernung und für eine sichere Messung von 3-D-Schwingungen auf kleinen Objekten, beispielsweise auf Ultraschallmotoren. Damit sind bis zu 10 m/s bei voller Bandbreite möglich, zusätzlich lassen sich Hochfrequenz-Moden von Ultraschallinstrumenten klar erfassen.

Auch bei Messungen an schmalen Kanten von makroskopischen Objekten ist der hier vorhandene kleine Messfleck von Vorteil. Einer der wichtigsten Anwendungsbereiche der dreidimensional messenden Vibrometer ist die Validierung von Simulationsmodellen. Die Geometriedaten von Finite-Elemente-Netzen werden in die »PSV«-Software geladen und über ein integriertes Verfahren mit dem realen Messobjekt abgeglichen (Bild 2).

Eventuelle Geometrieabweichungen zwischen Modell und Prototyp lassen sich durch eine entsprechende Messung korrigieren und auf das Modell zurückübertragen. Gegenüber dem parallel angebotenen Modell der vierten Generation wurde die Empfindlichkeit des Geometriesensors stark verbessert, sodass auf nahezu allen Oberflächen ohne weitere Vorbereitungen gemessen werden kann. Manche Einblicke in die Strukturdynamik werden durch ein derartiges Instrument überhaupt erst möglich.

Industrieroboter testet Schwingungen   
Die »Structural Test Station« »RoboVib« kombiniert das Scanning-Vibrometer »PSV-500-3D« mit einem hochpräzisen Industrieroboter. Das System ist in den CAE-Workflow eingebunden, erlaubt die  Automatisierung wiederkehrender Tests und damit verringern sich Testzeit und -kosten. Weiterhin steigt die Auslastung des Testfeldes. Der Testablauf wird auf Basis von FE-Geometriedaten festgelegt. Dann arbeitet RoboVib die Testaufgabe vollautomatisch ab: Messobjekt positionieren, Koordinatensysteme abgleichen, Messung starten. Das funktioniert auch über Nacht, sodass am nächsten Morgen das Testfeld wieder frei ist.