Künstliche Erregung ist die Grundlage für verschiedene Geräusch- und Schwingungsmesstechniken, wie die experimentelle Modalanalyse, die Transferpfadanalyse, die Identifizierung von Lasten, die Korrelation von Simulationsmodellen, die Hybridmodellierung usw. Strukturelle Erregung ist mit verschiedenen Mitteln möglich, vom manuellen Modalhammer über automatisierte Hämmer, extern gestützte Schwingerreger (Abbildung 1) bis hin zu selbsttragenden Schwingerregern.
Veränderte Anregungsmechanismen für ein sich veränderndes Test-Ökosystem
Zunächst werden wir einige neuere Entwicklungen im Bereich der künstlichen Anregung diskutieren. Die Messgeräte für Schwingungen und Geräusche haben an Auflösung gewonnen, sowohl für operationale Tests als auch für Tests mit künstlicher Anregung. Kommerzielle Beschleunigungsaufnehmer, allgemeine Mess-Frontends und Polytecs Laser-Scanning-Systeme sind jetzt in der Lage, kleinere Signale zuverlässig zu erfassen. Darüber hinaus ist ein deutlich höheres Verhältnis von Kraft zu Größe/Gewicht möglich. Die Kombination dieser beiden Verbesserungen hat es möglich gemacht, sehr kleine und selbsttragende Schwingerreger für eine Vielzahl von Anwendungen einzusetzen. Abbildung 2 zeigt die Größe eines Shakers.
Minimierung der Massenbelastung
Die nächste Neuerung ist für freitragende Schwingerregeranwendungen unerlässlich. Es besteht immer die Gefahr, dass das dynamische Verhalten des Prüfobjekts durch die Befestigung des Schwingerregers beeinflusst wird. Daher muss das Aufhängungssystem in einem freitragenden Schwingerreger die Masse des Schwingerregers vom Prüfobjekt entkoppeln. Bei einem herkömmlichen extern aufgehängten Schwingerreger sorgt der externe Stinger für diese Entkopplung. Die Qsources-Schwingerreger verwenden ein patentiertes Aufhängungssystem, um alle sechs Freiheitsgrade zu entkoppeln und dennoch die Ausrichtung der Anregung beizubehalten. Dieses interne Aufhängungssystem entkoppelt +- 95 % der Masse des Schwingerregers (26 Gramm) vom Testobjekt im Kernfrequenzbereich der Anwendung. Die interne Aufhängung entkoppelt den Schwingerreger von etwa 270 Hz bis zur maximalen Frequenz von etwa 13.000 Hz.
Daraus ergibt sich eine Massebelastung von etwa 1,5 g, die geringer ist als bei den meisten herkömmlichen Stinger-Aufbauten und sogar geringer als bei vielen Sensoren. Die Aufhängung ist sehr flexibel, um eine ausreichend niedrige Frequenzentkopplung zu erreichen. Die korrekte Ausrichtung der Axialkraft oder der senkrecht zur Oberfläche wirkenden Kraft ist jedoch ein wichtiges Anliegen für extern gelagerte Schwingerreger und für Hammermessungen. Um dies zu erreichen, ist die interne Aufhängung der Qsources Qlws-Schwingerreger selbstausrichtend und muss nicht von einem Messtechniker justiert werden.
Kraftmessung an der Erregungsquelle
Die letzte Neuerung betrifft die Kraftmessung. Durch die Integration des Kraftsensors in den aufgehängten Teil des Schwingerregers entfällt der Bedarf an einem externen Kraftsensor. Dies führt wiederum zu einer Verringerung der Massebelastung des Prüfobjekts.
Einige mögliche Vorteile von selbsttragenden Shakern sind:
- sehr geringe Größe für flexiblen Einsatz an schwierigen Orten
- ausreichendes Kraftniveau über einen breiten Frequenzbereich
- selbstausrichtend in jeder Anwendung und Neigung
- wiederholbare, konsistente Ausrichtung
- deutliche Reduzierung der Massenbelastung über einen breiten Frequenzbereich
- die Schwingerreger verursachen kein Schwanken von lose aufgehängten Prüfobjekten, wie es bei manuellen oder automatischen Aufpralltests beobachtet wird, bei denen man warten muss, bis das Schwanken auf ein akzeptables Niveau abgeklungen ist
- im Vergleich zur manuellen Schlaganregung reduziert sich der Zeit- und Arbeitsaufwand des Technikers in jeder Messsituation
Vor allem bei Scanning-Anwendungen, wie in Abbildung 3, bietet die Shakeranregung einen erheblichen Effizienzgewinn im Vergleich zur automatischen oder manuellen Impulsanregung. In der Praxis ermöglicht dies das Scannen mit einer deutlich höheren Punktedichte, höheren Frequenzen oder einer viel kürzeren Messzeit.
Anwendungsbereich: Bandbreite und Masse des Testobjekts
Das Qsources Qlws Aufhängungssystem und die Kraftmessung sind für den Kernfrequenzbereich von 270 bis 10.000 Hz optimiert. In diesem Frequenzbereich können selbst leichte Objekte von etwa 0,5 kg mit einer gewissen inneren Dämpfung genau gemessen werden. Dennoch gibt es auch bei der Verwendung von selbsttragenden Shakern Grenzen zu beachten.
Begrenzung der Hochfrequenz: Bei Anwendungen oberhalb von 10 kHz bis 13 kHz kann bei sehr leichten Prüfobjekten mit hoher modaler Dichte der +- 1,5 g schwere angekoppelte Teil des Schwingerregers noch einen Einfluss haben. Unter +- 2 kg Objektgewicht kann eine Verschiebung der Antworten oberhalb von 10.000 Hz von mehr als 1 dB auftreten. Über 2 kg Objektgewicht wird dieser Effekt vernachlässigbar.
Untere Grenzfrequenzen: Die Anwendung eines Qsources Qlws-Schwingers unterhalb des Kernfrequenzbereichs von 270 Hz bis hinunter zu 100 Hz ist bei größeren Prüfobjekten von +- 100 kg oder schwerer möglich. In diesem Frequenzbereich von 100 Hz bis 270 Hz kann die hohe Genauigkeit, die im Kernfrequenzbereich erzielt wird, aufgrund schwacher Kopplungseffekte des Schwingerregers nicht erreicht werden. Für Modifikationsanalysen, Messungen der erzwungenen Reaktion, Fehlersuche und für Anwendungen wie der Transferpfadanalyse ist dies möglicherweise nicht sehr relevant, da die Anforderungen im Allgemeinen geringer sind und die Wiederholbarkeit nicht beeinträchtigt wird. Bei der Modalanalyse und der Korrelation von FE-Modellen sollte sich der Anwender jedoch dieses Risikos bewusst sein.
Als dritte Einschränkung ist die Auflösung der Dämpfung zu nennen: Jeder Sensor, jedes Kabel, jedes Bungee und auch der Qlws-Shaker erhöhen die Dämpfung des Prüfobjekts etwas. Dies ist bei kleineren Objekten unter 1 % modaler Dämpfung an den Spitzenwerten der Übertragungsfunktion zu erkennen. Die Eigenfrequenzen sind davon nicht betroffen, nur die Auflösung der Dämpfung ist bei Messungen an leichten Objekten auf +- 1% begrenzt.
Beispiel für ein leichtes Objekt: Fahrradrahmen aus Carbonfaser
Die folgende Anwendung ist typisch für eine experimentelle Modalanalyse oder für die Korrelation eines FE-Modells. Das Testobjekt ist ein 1,6 kg schwerer Fahrradrahmen aus Kohlenstoff. Gemessen wird zwischen 100 und 2.000 Hz.
Die in Abbildung 5 dargestellten Kurven verwenden eine Anregung am Kurbellager (A) und am Hinterachsträger (B). Die Antworten wurden an beiden Enden gemessen. Eine herkömmliche, gestützte Shakermessung, wie in Abbildung 1 gezeigt, führte aufgrund der Masse des Kraftsensors und der Steifigkeit des Stingers sowie der Stingermoden nicht zu stabilen Daten. Daher wird ein Vergleich zwischen einem manuell instrumentierten Hammer und dem Qlws-Schwingerreger angestellt.
Wir konzentrieren uns auf die Überprüfung der Reziprozität als strenge Prüfung der Wiederholbarkeit, der Kraft- und Sensorausrichtung und der Empfindlichkeitsstabilität. Potenziell kann eine Nichtlinearität des Prüfobjekts auch die Reziprozität einschränken, aber dieser Rahmen ist von Natur aus sehr linear. Das erste Diagramm unten zeigt, dass bei einer sorgfältigen Prüfung mit Hammermessungen eine gute Reziprozität erzielt werden kann.
Die Messung wird mit zwei Qlws-Shakern wiederholt, wie auf Abbildung 6 zu sehen ist. Es wurde ein bandbegrenztes Zufallssignal zwischen 100 und 2.000 Hz verwendet. Ein Schwingerreger wird aktiviert, und die Beschleunigungsreaktion wird am Standort des anderen Schwingerregers gemessen. Auch die reziproken Messungen liefern die gleichen Informationen wie die Hammermessungen. Die Wiederholbarkeit der Messung wurde ebenfalls überprüft und blieb innerhalb von +- 0,5 dB.
Das Reziprozitätsergebnis der Qsources Qlws-Schwingerreger zeigt ein deutlich höheres Maß an Genauigkeit als die Hammermessungen. Dies bestätigt die gute Linearität des Prüfobjekts und das Potenzial der Schwingerreger, genaue Daten im Frequenzbereich von 100 bis 2.000 Hz zu erhalten. Genaue Übertragungsfunktionsdaten wie oben ermöglichen die Korrelation von Messdaten mit einem FE-Modell. Bei der Parameterextraktion für die Modalanalyse verhindert die Stabilität, dass falsche komplexe Moden ermittelt werden, und ermöglicht ein hohes Maß an Sicherheit und eine geringere Abhängigkeit vom Bediener.
Der Fahrradrahmen hat eine sehr geringe Dämpfung und ein geringes Gewicht. Dies ist ein mögliches Problem bei der Qlws-Messung im Frequenzbereich von 100 bis 270 Hz. Die nachstehende Grafik zeigt den Vergleich zwischen dem instrumentierten Hammer und dem Qlws-Shaker unterhalb von 270 Hz, also unterhalb des Kernfrequenzbereichs. Und tatsächlich ist bei der 130-Hz-Mode eine deutlich erhöhte Dämpfung bei der Qlws-Messung im Vergleich zur Hammermessung zu erkennen. Die nächste Schwingungsform für diesen Prüfling bei 375 Hz zeigte erwartungsgemäß keinen Unterschied.
Die seitliche Schwingungsform des hinteren Teils des Rahmens tritt bei 130 Hz auf. In diesem Fall ist keine signifikante Verschiebung der Eigenfrequenz festzustellen. Dennoch bestätigt es, dass der Frequenzbereich unter 270 Hz bei leichten Objekten mit Vorsicht zu verwenden ist. Und es ist immer ratsam, die Erregung an strukturell starken Stellen der Prüfstruktur zu platzieren, nicht an hervorstehenden Stellen oder in der Mitte eines Paneels eines dünnen oder leichten Prüfobjekts.
Beispiel für ein großes Objekt: Transferpfadanalyse
An einem kompletten Fahrzeug mittlerer Größe werden die Übertragungsfunktionen zwischen der Kraft am vorderen Hauptträger (Abbildung 10) in der Nähe der Antriebsstrangabstützung und der Antwort an der Windschutzscheibe (Abbildung 9) gemessen. Der Trimmed-Body dieses Fahrzeugs wiegt etwa 700 kg.
Diese Anwendung ist repräsentativer für Anwendungen in den Bereichen Übertragungsweg, Änderungsanalyse und Fehlersuche. Der Zugang zu schwierigen Stellen ist der kritischste Aspekt bei Anwendungen zur Ermittlung von Übertragungswegen und Lasten, und eine höhere Unsicherheit wird in Kauf genommen, wenn die richtige Stelle erregt ist. Bei der Analyse von Änderungen an einem Fahrzeug, wie z. B. Halterungen, Varianten der Tragstruktur oder Windschutzscheibenvarianten, sind die Anforderungen an die Reproduzierbarkeit der Daten hoch.
Zunächst wird der Frequenzbereich von 100 bis 2.000 Hz mit rosa Rauschen angeregt. Die Reproduzierbarkeit wird zunächst unten dargestellt.
Die Übertragung über das Fahrzeug ist gering, sodass die Ergebnisse mit einem gewissen Zufallsfehler (Rauschen) behaftet sind. Nichtsdestotrotz stabilisierten sich die dargestellten FRF-Daten innerhalb von 60 Sekunden nach der Mittelwertbildung. Und offensichtlich wird zwischen 100 Hz und 2.000 Hz eine gute Reziprozität erreicht. Dies zeigen die reziproken Kurven in Abbildung 12.
Als Nächstes wird der Bereich von 1.000 bis 10.000 Hz mit weißem Rauschen an denselben Messstellen am Fahrzeug erfasst. Die Übertragung über das Fahrzeug ist gering, insbesondere über 6.000 Hz in diesem Beispiel. Es ist also wieder mit etwas mehr Zufallsfehlern (Rauschen) bei den Ergebnissen zu rechnen. Nichtsdestotrotz waren die FRF-Daten innerhalb von 15 Sekunden nach der Mittelung der Daten einigermaßen stabil. Wie aus dem nachstehenden Diagramm ersichtlich ist, war die Wiederholbarkeit bei allen Maxima der Antworten trotz der begrenzten Anregungskraft des Qlws-Schwingers gut.
Die Reziprozität im nachstehenden Diagramm zeigt, dass die Nichtlinearitätseffekte bei diesem Gesamtfahrzeug in diesem Frequenzbereich unter 6.000 Hz noch begrenzt sind. Oberhalb von 6.000 Hz ist die Reziprozität unsicher, vor allem weil die Beschleunigungsreaktion am Balken unter Anregung an der Windschutzscheibe sehr gering war. Dennoch waren die Ausrichtung der Anregung und die Ausrichtung der Antwort gut unter Kontrolle. Die Maxima haben sich ausreichend stabilisiert und zeigen eine angemessene Reziprozität für ein volles Fahrzeug. Bei einer so schweren Struktur hatten die Kopplungseffekte der Qlws, sowohl mit der Windschutzscheibe als auch mit dem Träger, keine signifikanten Auswirkungen.
Die erzielte Wiederholbarkeit und Reziprozität deuten darauf hin, dass im Frequenzbereich von 270 bis 10.000 Hz sogar hochgenaue Anwendungen wie gemischte Test-FE-Hybridmodelle und die Korrelation von Simulationsmodellen auf der Grundlage von Daten aus den Messungen des selbstschwingenden Shakers möglich sind.
Zusammenfassung
Bei Qsources haben wir daran gearbeitet, die Shaker-Anregung an allen Orten und in allen Neigungen, einschließlich schwer zugänglicher Anwendungen, machbar, effizienter und genauer zu machen. Die sehr geringe Größe, die integrierte Kraftsensorik und das patentierte Entkopplungssystem der Qsources Qlws eröffnen ein Potenzial für erhöhte Effizienz und neue Anwendungen und Techniken.
Jede Messung birgt das Risiko von Ungenauigkeiten, und alle möglichen Anregungsarten haben ihre Grenzen, sodass das Bewusstsein für mögliche Abweichungen wertvoll ist. Hochpräzise Ergebnisse von Qsources Qlws sind sicherlich möglich an Testobjekten zwischen 0,5 und 500 kg im Kernfrequenzbereich von 270 - 10.000 Hz und in einigen Fällen auch an leichteren und schwereren Objekten. Der erweiterte Frequenzbereich 100 - 13.000 Hz ist ebenfalls möglich, entweder mit einer geringeren Genauigkeit oder an einer begrenzten Gruppe von schwereren Objekten.
Die stabile, kontinuierliche Anregung durch die Q-Quellen Qlws ohne Ausrichtungsprobleme ist ein großer Vorteil bei Scanning-Messungen mit einer hohen Dichte von Messpunkten. Sie ist wesentlich zeiteffizienter als andere Anregungsmethoden und führt zu einer höheren räumlichen Auflösung mit mehr lokalen Details
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