Polytec Scanning-Vibrometer zur 3D-Schwingungsanalyse

Die Laser-Scanning-Vibrometrie hat sich als berührungsloses Verfahren zur Schwingungsmessung bewährt. Vor allem Fahrzeug- und Maschinenbauer setzen auf die so genannten Scanning-Vibrometer. Noch tiefere Einblicke ermöglichen dreidimensional messende Varianten wie die der PSV-500-Serie von Polytec.

Die simulationsbasierte Produktentwicklung hat die traditionellen Design-Test-Fix-Szenarien längst abgelöst. Mit hochpräzisen Testverfahren lassen sich Simulationsmodelle schnell validieren und somit die Produktqualität und -funktion bereits vor dem Produktionsstart sicherstellen. Im Schwingungs- und Akustiktest beispielsweise fügen sich Scanning-Vibrometer als Werkzeug zur Datengewinnung und -analyse nahtlos in den CAE-Prozess ein. Sie haben sich mittlerweile zum unverzichtbaren Tool für die akustische Fehlersuche an Audio-Komponenten, Dämmstoffen und vielen anderen Materialien entwickelt. Die Laser-Vibrometer unterstützen Entwickler auch bei der Charakterisierung neuer Ultraschallelemente. Längst haben sie in den Strukturdynamik- und NVH-Laboren (Noise Vibration Harshness) der großen Fahrzeug- oder Konsumgüterhersteller zur FE-Modelloptimierung Einzug gehalten, um störenden Geräuschen auf die Spur zu kommen.

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Dreidimensionale Schwingungsanalyse mit den Scanning-Vibrometern der PSV-500-Serie von Polytec

Dreidimensionale Schwingungsanalyse mit den Scanning-Vibrometern der PSV-500-Serie von Polytec

Wie funktioniert Laser-Scanning-Vibrometrie?

Das Laser-Scanning-Vibrometrie-Verfahren basiert auf der Laser-Doppler-Vibrometrie, bei der aus dem von einer schwingenden Struktur zurückgestreuten Laserlicht die Schwinggeschwindigkeit und der Schwingweg bestimmt wird. Bei einem Scanning-Vibrometer ist das Laser-Doppler-Vibrometer mit einer Scanner-Spiegel-Einheit und einer Videokamera in einem Messkopf integriert. Während der Messung scannt der Laserstrahl die Oberfläche des Messobjekts und liefert eine räumlich hochaufgelöste Reihe von Einzelpunktmessungen. Diese sequentiell gemessenen Schwingungsdaten werden zu einem gemeinsamen flächenhaften Datenmodell zusammengesetzt und lassen sich dann je nach Applikation entsprechend auswerten.

3D-Scanning-Vibrometer

Bei der Entwicklung der Laser-Scanning-Vibrometer der neuen PSV-500er-Serie  (PSV = Polytec Scanning Vibrometer) hat Polytec sein Augenmerk vor allem auf präzise Messdaten sowie auf intuitive Bedienung gelegt. So ließ sich beispielsweise die Datenqualität sowohl der dynamischen Schwingungsdaten als auch der gleichzeitig gemessenen Geometriedaten des Messobjekts durch Optimierung der einzelnen Glieder der Messkette deutlich steigern. Dank eines neuen Designs und eines neuen Miniatur-Interferometers sowie einer hochintegrierten Elektronik sind die Geräte deutlich kleiner als ihre Vorgänger und um fast 50 Prozent leichter. So ist es Polytec unter anderem gelungen, die Optik um 80 Prozent zu verkleinern - das macht sich sowohl in geringeren Abmessungen des Scankopfs bemerkbar, als auch in einer höheren mechanischen Stabilität und Temperaturresistenz.

Der erweiterte Scanbereich macht sich nicht nur bei akustischen Messungen positiv bemerkbar. Dank des Scanwinkels von 40° x 50° lässt sich mit nur einer Aufnahme ein großer Bereich der Oberfläche des Messobjekts erfassen. Das vereinfacht die Arbeit in engen Räumen erheblich. Eine lichtempfindlichere und hochauflösende Kamera verbessert gleichzeitig die Testdefinition und die Ergebnisdarstellung. Die Full-HD-16:9-Kamera mit gegenüber dem Vorgängermodell vierfach höherer Auflösung bietet überzeugende grafische Darstellungen für 3D- und 1D-Messungen mit Video-Triangulation.

Besonders bei den oft dunklen Oberflächen von Innenverkleidungen in Fahrzeugen bringt die hohe Empfindlichkeit des neuen Messsystems Vorteile. Die wohl wichtigste technologische Neuerung in diesem Zusammenhang ist die volldigitale Verarbeitung der Messdaten. Zusammen mit den bis zu acht Datenerfassungskanälen für Referenzsignale (Anregungskraft, Driving-Point) werden die Daten mit minimiertem Rauschen per Ethernet-Verbindung an den auswertenden Rechner übertragen. Das Ergebnis ist ein laut Hersteller bislang unerreichtes Signal-Rausch-Verhältnis: Schwingungen von nur einem Nanometer sind im akustischen Frequenzbereich im Spektrum deutlich sichtbar.

Ein weiterer Baustein für eine bessere Datenqualität und einen erweiterten Geschwindigkeitsmessbereich bei Ultraschallmessungen ist der so genannte Coherence-Optimizer. Diese Laserfrequenzstabilisierung sorgt für eine optimale Signalstärke bei allen Entfernungen und für eine sichere Messung von 3D-Schwingungen auf kleinen Objekten, beispielsweise Ultraschallmotoren.

Validierung von Simulationsmodellen

Einer der wichtigsten Anwendungsbereiche der dreidimensional messenden PSV-500-3D-Scanning-Vibrometer ist die Validierung von Simulationsmodellen. Dazu werden die Geometriedaten von Finite-Elemente-Netzen in die Software des Messsystems geladen und über ein integriertes Abgleichverfahren mit dem realen Messobjekt zur Deckung gebracht. Eventuelle Geometrieabweichungen zwischen Modell und Prototyp lassen sich durch eine integrierte Geometriemessung korrigieren und ins Modell zurück spielen. Damit ist ein schneller und sehr genauer Abgleich des Simulationsmodells mit den experimentellen Daten möglich.

Gegenüber dem Vibrometer der vorhergehenden Generation (PSV-400) hat Polytec die Empfindlichkeit des Geometriesensors erheblich gesteigert, so dass Anwender auf nahezu allen Oberflächen ohne weitere Vorbereitung messen können.