Swept-Sine-Analyse
Egal ob Schall in Innenräumen oder das Vibrieren eines Fahrzeugs auf der Straße: Vibrationen und Schwingungen sind überall in der Natur und Technik anzutreffen. Genau aus diesem Grund benötigen Ingenieure auch ein effektives und einfaches Werkzeug, um solche Schwingungen und vor allem deren Wirkung auf Objekte zu analysieren. Eine dabei sehr beliebte Methode ist die Swept-Sine-Analyse (auch Sine-Sweep-Analyse genannt). In diesem Blogpost wollen wir Ihnen daher genauer erzählen, was es damit auf sich hat und wo Sie Swept-Sine-Analysen verwenden können.
Was ist ein Sine-Sweep?
Die einfachste Art einer Schwingung, die man sich vorstellen kann, ist eine harmonische Schwingung, also eine Sinusschwingung. Auch wenn reine Sinusschwingungen in der Natur nur selten auftreten, so kann man doch sehr viele Erkenntnisse aus deren Analyse gewinnen.
Jede Sinusschwingung hat dabei eine Frequenz, welche angibt wie schnell die Schwingung vonstattengeht. Ein praktisches Beispiel sind Schallwellen: Schallwellen mit hoher Frequenz nehmen wir als hohe Töne, Schallwellen mit niedriger Frequenz als tiefe Töne wahr.
Bei einer Swept-Sine-Analyse wird nun ein System (z.B. ein mechanisches Bauteil) einer solchen Sinusschwingung ausgesetzt. Dabei hält man die Frequenz jedoch nicht konstant, sondern erhöht die Frequenz kontinuierlich von einem minimalen Wert (wie 1 Hz) bis zu einem Maximalwert (beispielsweise 20 kHz). Anschaulich ist dies in der nachfolgenden Abbildung dargestellt.
Sinussignal (links) und Sine-Sweep (rechts)
Diesen Durchgang, von Minimal- zu Maximalfrequenz, nennt man einen Sine-Sweep. Oft werden mehrere solcher Sine-Sweeps hintereinander durchgeführt, um die Messgenauigkeit zu erhöhen.
Wozu ist ein Sine-Sweep gut?
In der Praxis ist es häufig der Fall, dass Bauteile sensibel auf bestimmte Frequenzen reagieren. Ersichtlich wird dies am Beispiel einer Schaukel: Schubst man eine Schaukel mit der passenden Frequenz an, wird die Schaukel immer höher und höher schwingen. Schubst man die Schaukel aber mit der falschen Frequenz an, wird die Schaukel kaum Schwingen oder sogar langsamer werden. Dieses Phänomen tritt auch bei mechanischen Bauteilen auf und wird Resonanz genannt. Resonanz kann in Autos oder anderen Geräten dazu führen, dass einzelne Bauteile beschädigt oder zerstört werden und ein Sicherheitsrisiko entsteht. Daher ist Resonanz unbedingt zu vermeiden.
Die Swept-Sine-Analyse ist nun eine einfache Methode auf Resonanzen zu prüfen. Bei einer Swept-Sine-Analyse regt man das zu testende System mit einem Sinussignal an. Da ein Sine-Sweep aber viele verschiedene Frequenzen kontinuierlich durchläuft, können Resonanzen effektiv gefunden werden. Dadurch ist eine Swept-Sine-Analyse ein wichtiges Werkzeug für Strukturanalysen als auch für Belastungstests.
Eine weitere wichtige Anwendung findet die Swept-Sine-Analyse in der Audiotechnik. So kann durch einen Sine-Sweep beispielsweise die Schalldämmung von Gebäuden bezüglich hoher und niedriger Töne geprüft werden. Auch um die Raumakustik zu verbessern, nutzt man die Swept-Sine-Analyse. In einem solchen Fall kann man durch mehrere im Raum angebrachte Sensoren den Hall des Sine-Sweeps messen und dadurch andere akustische Werte wie Nachhallzeit oder Klarheit berechnen.
Was benötigt man für eine Swept-Sine-Analyse?
Eine Swept-Sine-Analyse ist nicht nur einfach erklärt, sie ist auch einfach auszuführen. In der Audiotechnik benötigt man dazu nur einen Lautsprecher, der das Sine-Sweep-Signal aussendet und Mikrofone, die den daraus resultierenden Hall aufnehmen.
Für mechanische Analysen benötigt es etwas mehr Equipment. Der Aufbau eines solchen Messsetups ist in der unteren Grafik gezeigt.
Messsetup für eine Swept-Sine-Analyse
Ein DUT (Device-Under-Test) wird durch einen Shaker mit einer Schwingung angeregt. Am DUT und am Shaker sind meist Beschleunigungssensoren (sogenannte Accelerometer) angebracht. Diese Sensoren sind wiederum mit einem Messgerät, wie z.B. unseren DEWETRON DAQ-Systemen, verbunden. Das Accelerometer, welches am Shaker angebracht ist, liefert das Anregungs- bzw. Eingangssignal. Die Accelerometer, welche am DUT angebracht sind, messen die Reaktion des DUT auf die Schwingung.
Möglicherweise stellen Sie sich nun aber die Frage: Sie kennen das Eingangssignal (einen Sine-Sweep) und das Ausgangssignal (z.B. Hall). Aber wie können Sie daraus nun allgemein gültige und für die Praxis relevante Aussagen ableiten? Schließlich ist eine Sinuswelle nur eine „ideale“ Schwingung, welche so in der Natur kaum auftritt.
Über diesen Umstand müssen Sie sich meist keine Gedanken machen. Fast immer übernimmt eine DAQ-Software die Arbeit für Sie. Eine solche DAQ-Software ist die von uns entwickelte OXYGEN-Software. Liefert man OXYGEN das Eingangs- und Ausgangssignal, wird über eine Reihe von mathematischen Berechnungen (sogenannte Konvolutionen) die Transferfunktion (vereinfacht: Impulsantwort) berechnet. Diese Transferfunktion gibt Ihnen einen Zusammenhang zwischen Anregung und Antwort des getesteten Systems. Transferfunktionen können nun aber für alle möglichen Arten von Eingangssignalen verwendet werden und beschränken sich nicht nur auf Sinusfunktionen.
OXYGEN – Perfekt zur Swept-Sine-Analyse
OXYGEN ist eine von DEWETRON entwickelte DAQ-Software, welche eine Vielzahl an Funktionen bietet – die Swept-Sine-Analyse ist eine davon. Mit der in OXYGEN optional erhältlichen Sine-Sweep-Analyse können Sie Transferfunktionen bestimmen, Bode-Diagramme erstellen und sogar mehrere Eingangsquellen nutzen. Die Analyse ist dabei in einem Bereich von 1 Hz bis 20 kHz möglich, was für nahezu alle Anwendungen ausreicht.
DEWETRON ist ein Hersteller von hochpräzisen und modularen Messsystemen. Dazu zählen Power Analyzer, All-In-Ones, Mainframes oder Frontends. Für jede Anwendung können wir das passende DAQ-System für Sie zur Verfügung stellen.
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