Inertialshaker für den Modaltest

Möchte man das Schwingungsverhalten eines Objekts prüfen, das nicht von sich aus schwingt, muss man es von außen anregen. Für Modaltests sind sowohl ein elektromagnetischer Shaker als auch ein Modalhammer gängige Breitband-Anregungswerkzeuge, die seit vielen Jahren weit verbreitet sind. Bei einer Messung mit einem Polytec Scanning Laser Vibrometer, das Punkte sequenziell misst, muss der Hammerschlag für jeden Scanpunkt wiederholt werden. Aus diesem Grund haben sich in den letzten Jahren automatisierte Modalhämmer wie der von NV-Tech entwickelte SAM durchgesetzt.

Beide bestehenden Anregungsmethoden haben Stärken und Schwächen. Ein elektrodynamischer Schwingerreger führt zu schnelleren Messungen über viele Punkte und zu wiederholbaren Prüfergebnissen. Ein Schwingerreger mit Kraftsensor kann jedoch einen nicht vernachlässigbaren Einfluss auf die zu prüfende Struktur haben. Außerdem ist es in der Praxis mühsam, den Schwingerreger aufzustellen, auszurichten und die Ausrichtung beizubehalten, insbesondere bei Versuchsaufbauten, bei denen die Probe durch weiche Gummischnüre oder weichen Schaumstoff gelagert wird, um annähernd frei-frei Bedingungen zu haben.

Ein (automatisierter) Hammer hingegen hat im Idealfall keinen Einfluss auf die inhärenten dynamischen Eigenschaften des Messobjekts, was ihn zu einer guten Wahl für relativ leichte und schwach gedämpfte Strukturen macht. Aufgrund der Abklingzeit nach jedem Schlag benötigen die Messungen erheblich mehr Zeit und können bei leichten, an weichen Gummischnüren aufgehängten Proben zu einem erheblichen Pendeln der gesamten Probe führen.

Kürzlich ist eine dritte Erregungsmethode aufgetaucht, die die Defizite der oben erwähnten Methoden ausgleicht: Inertialshaker mit integrierten Kraftaufnehmern von Qsources. Diese Schwingerreger haben einige interessante Eigenschaften wie eine selbstausrichtende interne Aufhängung, eine sehr geringe Masse und eine einfache Handhabung und Ausrichtung. Da sie an der Struktur befestigt sind, ist die Position fixiert und sie vermeiden die Wartezeit von automatischen Hämmern. Nachteilig ist, dass sie nur oberhalb einer bestimmten Grenzfrequenz gut funktionieren und die Struktur in ähnlicher Weise belasten wie ein Beschleunigungsaufnehmer mit Kabel. Für diesen Artikel haben wir den Inertialshaker Qlws getestet und mit einem klassischen Shaker und einem automatisierten Modalhammer verglichen.

Der Vergleich wurde an einer 1,5 mm dicken Aluminiumplatte durchgeführt, die mit elastischen Bändern aufgehängt ist. Diese Platte wird durch einen klassischen Modal Shaker, einen automatischen Hammer "SAM 1" und den Qsources Qlws angeregt. Zur Messung des Schwingungsverhaltens wird ein berührungsloses PSV Laser Scanning Vibrometer von Polytec verwendet, das keinen Einfluss auf das Testobjekt hat.

Die folgenden Bilder zeigen einen elektrodynamischen Shaker (LDS-Schwingerreger), einen automatisierten Modalhammer (NV-Tech SAM-Hammer) und einen Inertialshaker (Qsources Qlws):

Es zeigt sich schnell, dass der klassische LDS-Schwingerreger einen zu großen Einfluss auf das leichte Prüfobjekt hat: Resonanzfrequenzen werden verschoben und das Kraftspektrum weist einige dramatische Einbrüche auf, was zu einem schlechten Signal-Rausch-Verhältnis bei der Übertragungsfunktion zwischen Reaktion und Anregung führt. Der herkömmliche Modal Shaker ist daher für diesen Aufbau nicht geeignet und sollte nur für schwerere Proben verwendet werden, wo er seine Stärken hat.

Der automatische NV-Tech SAM-Hammer ist die Referenz in Bezug auf die Massenbelastung des Prüfobjekts, da nichts dauerhaft an der Struktur befestigt ist. Er ist daher die Anregungsquelle der Wahl für Objekte mit sehr geringer Dämpfung. Sein Frequenzbereich erstreckt sich auch auf niedrige Werte. Für den sehr leichten hängenden Prüfling hat sie jedoch einen Nachteil: Sie führt zu einem Pendeln der aufgehängten Probe. Zusammen mit der Verwendung eines Scanning Vibrometers führt dies zu unnötigem Rauschen bei den Messungen. Dieser Effekt kann zwar durch den Einsatz der neuesten Polytec QTec^®-Technologie im Vibrometer bis zu einem gewissen Grad abgemildert werden, aber das Signal-Rausch-Verhältnis wird durch das makroskopische Pendeln dennoch etwas reduziert. Das Pendeln erhöht auch die Prüfzeit, da der Benutzer warten muss, bevor der nächste automatische Schlag ausgeführt werden kann. Wenn das Pendeln vermieden werden kann (z. B. wenn die Probe auf weichem Schaumstoff gelagert werden kann), ist der Hammer immer noch eine sehr gute Wahl für Objekte mit geringer Dämpfung und für einen breiten Frequenzbereich.

Der Qsources Qlws hat aufgrund seiner geringen dynamischen Masse nur einen sehr begrenzten Einfluss auf das natürliche Verhalten der Probe. Bei richtiger Platzierung ist der Einfluss der Kopplung des Shakers auf die Eigenfrequenzen des Prüfobjekts sehr gering, vergleichbar mit dem Effekt der Aufhängung des Prüfobjekts. Dies ist der Fall bei Frequenzen unter 2 kHz, was die ersten 15 - 20 Resonanzen abdeckt. Es ist keine Wartezeit zwischen den Anregungssequenzen erforderlich, was die Prüfung erheblich beschleunigt. Der einzige Nachteil, der sich während der Prüfung zeigte, ist die Begrenzung der unteren Grenzfrequenz von 250 Hz. Das bedeutet nicht, dass der Schwingerreger bei niedrigeren Frequenzen nicht funktioniert, aber bei niedrigeren Frequenzen hat er aufgrund der höheren effektiven dynamischen Masse einen etwas größeren Einfluss auf das natürliche Verhalten der Probe.

Abbildung 3 zeigt typische Ergebnisse des SAM-Hammers (links) und des Qlws (rechts) für diesen Aufbau.

Die wichtigsten Ergebnisse sind:
 

• Die Resonanzfrequenzen und die entsprechenden Schwingformen sind zwischen 200 und 2.000 Hz praktisch identisch.
   
• Unterhalb von 200 Hz hat der Trägheitsschwinger einen geringen Einfluss, ebenso oberhalb von 2 kHz.
   
• Die Zunahme des Rauschens durch das Pendeln, verursacht durch den Hammerschlag, ist in der dargestellten Schwingform deutlich zu erkennen.
   
• Die Scanzeit für die Messung mit dem automatischen Hammer betrug etwa 2,5 Stunden im Vergleich zu 0,5 Stunden mit dem Qlws.
   
• Und selbst ein kleiner konventioneller elektrodynamischer Schwingerreger mit Stinger und Kraftsensor ist für diese Art von Proben nicht geeignet.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Qsources Qlws Shaker eine sehr interessante Alternative zu einem automatisierten Modalhammer ist, da er kein Pendeln des Testobjekts erzeugt, was das Signal-Rausch-Verhältnis für Einkanal-Vibrometer ohne die Polytec QTec^®-Technologie verschlechtert.

Da dieses zusätzliche Rauschen mit mehrkanaligen QTec^® Scanning Vibrometern kompensiert werden kann, liefern beide Technologien, der Inertialshaker und der automatisierte Hammer, Prüfdaten auf gleichem Niveau. Einschränkungen können die untere Frequenzgrenze des Qlws und die zusätzliche Masse bei extrem leichten oder extrem schwach gedämpften Proben sein.

Die Einrichtung des Qlws ist sehr bequem, vergleichbar einfach wie ein automatischer Hammer, er hat eine ausgezeichnete Wiederholbarkeit und ist viel schneller als der Modalhammer und einfacher als ein klassischer Schwingerreger mit Stinger. Da es beim Qlws keine Wartezeit zwischen den Schlägen gibt, kann die Messzeit bei hängend gelagerten Proben erheblich kürzer sein.

Bildnachweise: Soweit nachfolgend nicht anders aufgeführt bei den Autoren.