AT515292A4

AT515292A4 - Method and device for contactless determination of the movement and the noise behavior of metallic objects

Info

Publication number: AT515292A4
Application number: ATA187/2014A
Authority: AT
Inventors: Anton Dr Fuchs; Josef Dr Girstmair
Original assignee: Kompetenzzentrum Das Virtuelle Fahrzeug Forschungsgmbh
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2015-08-15
Also published as: AT515292B1

Abstract

Vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Charakterisierung und Bestimmung der Bewegung und des abgestrahlten Schalls von metallischen Objekten (2) in einer Einhausung (1) durch kontaktlose Messung der Bewegung der Einhausung (1) durch einen Sensor (6), der Abstandsmessung zwischen Sensor (4) und metallischen Objekten (2) sowie einer Messung des abgestrahlten Schalls durch einen Schallsensor (5).The present invention describes a method and a device for characterizing and determining the movement and the radiated sound of metallic objects (2) in a housing (1) by contactless measurement of the movement of the housing (1) by a sensor (6), the distance measurement between Sensor (4) and metallic objects (2) and a measurement of the radiated sound by a sound sensor (5).

Description

Verfahren und Vorrichtung zur kontaktlosen Bestimmung der Bewegung und des Geräuschverhaltens metallischer ObjekteMethod and device for contactless determination of the movement and the noise behavior of metallic objects

Hintergrund der Erfindung in technischen Systemen, welche auf der Auswertung von mechanischen Trägheitskräften basieren, werden aufgrund der hohen spezifischen Dichte und der geforderten hohen mechanischen Robustheit häufig metallische Objekte 2 als Trägheitssensoren innerhalb einer nicht metallischen Einhausung 1 verwendet. Solche mechanische Systeme finden beispielsweise im Bereich von Sicherheitssystemen wie Gurtautomaten Einsatz. Dabei wird eine metallische Kugel verwendet um ab einer gewissen Beschleunigung (bzw. Verzögerung) eine Bewegung der Kugel zu erwirken, welche den Eingriffeines Sperrrades ermöglicht.Background of the Invention In technical systems based on the evaluation of mechanical inertial forces, metal objects 2 are often used as inertial sensors within a non-metallic casing 1 due to the high specific gravity and the required high mechanical robustness. Such mechanical systems are used, for example, in the field of security systems such as automatic belt machines. In this case, a metallic ball is used to obtain from a certain acceleration (or deceleration) a movement of the ball, which allows the engagement of a ratchet wheel.

Bei mechanischer äußerer Anregung, etwa durch die Anregung eines Fahrzeuges im Fährbetrieb auf der Straße, wird die äußere Einhausung 1 und in weiterer Folge die metallischen Objekte 2 zu einer Auslenkung angeregt. Geschieht diese Auslenkung mit entsprechender und Beschleunigungsampiitude und Frequenz so kommt es zum plötzlichen Kontakt des metallischen Objektes 2 mit der nichtmetallischen Einhausung 1 und damit zu Körperschall-Geräuschphänomenen und zur Schallabstrahlung. Dies ist ein unerwünschter Effekt, der mit geeignetem Design vermieden werden soll. Die genaue Kenntnis der Bewegung der metallischen Objekte 2 innerhalb der Einhausung 1 ist für ein zielgerichtetes Design erforderlich. Entscheidend dabei ist es, dass die Vorrichtung und das Verfahren zur Bestimmung der zeitlich aufgelösten Bewegung kontaktlos erfolgt um keine Beeinflussung des Systems - etwa durch zusätzliche Massen oder Dämpfungen - zu bewirken.In the case of mechanical external excitation, for example by excitation of a vehicle in the ferry mode on the road, the outer housing 1 and subsequently the metallic objects 2 are excited to deflect. Happens this deflection with the appropriate acceleration and amplitude and frequency so it comes to the sudden contact of the metallic object 2 with the non-metallic housing 1 and thus to structure-borne noise phenomena and sound radiation. This is an undesirable effect that should be avoided with proper design. The exact knowledge of the movement of the metallic objects 2 within the enclosure 1 is required for a purposeful design. The decisive factor here is that the device and the method for determining the temporally resolved movement are contactless so as not to influence the system, for example by additional masses or losses.

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit welcher die Bewegung von metallischen Objekten 2 in zumindest einer Raumrichtung, die relative Bewegung dieser metallischen Objekte 2 im Bezug zur Einhausung 1 sowie ein akustisches Maß für das durch diese Bewegung hervorgerufene Geräusch messtechnisch erfasst und ausgewertet werden. Mit Hilfe eines solchen Verfahrens und einer solchen Vorrichtung lassen sich die maximalen Beschieunigungs-Anregepegel der Einhausung 1 bestimmen, bei denen gerade noch keine störende oder betriebsbeeinträchtigende Geräuschentwicklung durch die Bewegung der metallischen Objekte 2 erfolgt.The aim of the invention is to provide a method and a device, with which the movement of metallic objects 2 in at least one spatial direction, the relative movement of these metallic objects 2 in relation to the housing 1 and an acoustic measure of the noise caused by this movement metrologically recorded and evaluated. With the aid of such a method and such a device, the maximum Beschieunigungs-stimulation level of the housing 1 can be determined, in which just no disturbing or operation impairing noise development takes place by the movement of the metallic objects 2.

Stand der TechnikState of the art

Dem Stand der Technik sind zahlreiche Vorrichtungen bekannt, um Systeme in definierten Richtungen und mit definierter Amplitude und Frequenz mechanisch anzuregen um das modale Verhalten des Systems zu ermitteln. Auch Vorrichtungen und Verfahren, bei denen Systeme mechanisch zu Schwingung angeregt werden um Teilsysteme zu akustischer Geräuschabstrahlung zu bringen sind dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt etwa die Arbeit "Experimental Analysis ofNumerous devices are known in the prior art for mechanically exciting systems in defined directions and with a defined amplitude and frequency in order to determine the modal behavior of the system. Also devices and methods in which systems are mechanically excited to vibrate to bring subsystems to acoustic noise emission are known in the art. This is how the work "Experimental Analysis of

Rattle Noise Abatement In Seatbelt Retractor Assembly", von Liu, K., DeVilbiss, T. und Freeman, M., SAE Technical Paper 1999-01-1723,1999 eine solche Vorrichtung.Rattle Noise Abatement In Seatbelt Retractor Assembly ", by Liu, K., DeVilbiss, T. and Freeman, M., SAE Technical Paper 1999-01-1723,1999 Such a device.

Vorliegende Erfindung unterscheidet sich vom Stand der Technik dadurch, dass nicht nur das Geräusch sondern auch die zeitlich aufgelöste Bewegung von metallischen Objekten 2 in einer Einhausung 1 sowie die relative Bewegung zwischen Einhausung 1 und metallischen Objekten 2 bestimmt werden.The present invention differs from the prior art in that not only the noise but also the temporally resolved movement of metallic objects 2 in a housing 1 and the relative movement between housing 1 and metallic objects 2 are determined.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung Für eine einheitliche Verwendung der Begriffe in dieser Erfindung wird eine Begriffserklärung gegeben:DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION For a consistent use of the terms in this invention, a definition is given:

Metallische Objekte 2: funktionsrelevante Bauteile eines Systems in einer Einhausung 1, welche zumindest in einer Raumrichtung eine freie Bewegung durchführen können. In der Regel ist die technische Umsetzung des Erfindungsgegenstandes durch eine Kugel gegeben, wie sie als Auslösemechanismus für Sicherheitssysteme wie beispielsweise in Gurtautomaten verwendet wird.Metallic objects 2: functionally relevant components of a system in an enclosure 1, which can perform a free movement at least in one spatial direction. In general, the technical implementation of the subject invention is given by a ball, as it is used as a trigger mechanism for security systems such as in Gurtautomaten.

Mechanische Anregung: Ein zu untersuchendes System wird durch ein Anregemuster, in der Regel definiert durch Amplitude und Frequenz, in einigen Fällen auch durch weißes oder bandbegrenztes Rauschen, durch eine Anregequelle 7, beispielsweise einem elektrodynamischen Shaker, in mechanische Bewegung gesetzt. Für das bessere Verständnis der Erfindung werden Figuren gegeben. In diesen zeigt:Mechanical Excitation: A system to be examined is set in mechanical motion by a stimulus pattern, usually defined by amplitude and frequency, in some cases also by white or band limited noise, by a excitation source 7, for example an electrodynamic shaker. Figures are given for a better understanding of the invention. In these shows:

Fig. 1: die Funktionsblöcke der VorrichtungFig. 1: the functional blocks of the device

Fig. 2: eine beispielhafte technische Umsetzung des Erfindungsgegenstandes Fig. 3: das Funktionsdiagramm des VerfahrensFig. 2: an exemplary technical implementation of the subject invention Fig. 3: the functional diagram of the method

Die Bezugszeichen in Fig. l bis 3 beschreiben dabei: 1: nicht metallische Einhausung 2: metallische Objekte, in der Regel eine Kugel 3: optional eine die Bewegung der metallischen Objekte 2 einschränkende Vorrichtung, in der Regei eine Schiene oder Bahn; zumindest eine Bewegungsrichtung der metallischen Objekte 2 bleibt uneingeschränkt. Diese Vorrichtung ist nur Teil des Erfindungsgegenstandes, wenn die Bewegungsrichtung der metallischen Objekte 2 eingeschränkt werden soll, ist aber für die Funktion des Erfindungsgegenstandes nicht zwingend erforderlich. 4: ein Abstandssensor, der den Abstand zu einem metallischen Objekt 2 erfasst, in der Regel ein induktiver Wirbelstrom-Abstandssensor oder ein kapazitiver Abstandssensor; dieses Sensorsystem kann durch einen einzelnen Abstandssensor für eine Raumrichtung oder durch zwei und mehr Abstandssensoren für mehrere Raum- und Bewegungsrichtungen der metallischen Objekte 2 realisiert sein. 5: ein Schallaufnehmer, in der Regel ein Messmikrophon 6: ein kontaktloser Sensor zur Bestimmung der Beschleunigung der Einhausung 1, in der Regel ein laserbasiertes Vibrometer 7: eine Anregequelle, welche ein Anregemuster auf die Einhausung l überträgt, in der Regel ein elektrodynamischer Shaker 8: eine starre Aufnahme für das Abstandssensor-System 4 für die Bewegung der metallischen Objekte 2, den Schallaufhehmer 5 und den Sensor 6 zur Bestimmung der Beschleunigung der Einhausung 1. 9: eine Auswerteeinheit, welche Signale des Abstandssensor-Systems 4 für die Bewegung der metallischen Objekte 2, des Schallaufnehmers 5 und des Sensor 6 zur Bestimmung der Beschleunigung der Einhausung 1 erfasst, auswertet und einer weiteren Verarbeitung zur Verfügung stellt. Für die Verwendung der Vorrichtung wird folgendes Verfahren verwendet: 1. Definition der zulässigen bzw. gewünschten Schwellwerte für den abgestrahlten Schall (v.a. Schalldruck bei definierter Mikrophonposition und Richtung) relativ zur Einhausung 1 und max. Bewegungsauslenkung der metallischen Objekte 2 2. Weganregung der Einhausung 1 durch eine Anregequelle 7 3. Erfassung des Abstandes über der Zeit zwischen metallischen Objekten 2 und Abstandssensor 4 In zumindest einer Bewegungsrichtung 4. Erfassung des an der Oberfläche der Einhausung 1 abgestrahlten Schalls über der Zeit hervorgerufen durch die Bewegung metallischer Objekte 2 5. Erfassung der Bewegung der Oberfläche der Einhausung 1 über der Zeit hervorgerufen durch die mechanische Weganregung 6. Auswertung der mechanischen Anregepegel der Einhausung 1, bei denen die max. Pegel für abgestrahlten Schall und max. Bewegung der metallischen Objekte 2 erreicht wirdThe reference symbols in FIGS. 1 to 3 describe: 1: non-metallic housing 2: metallic objects, usually a ball 3: optionally a device restricting the movement of the metallic objects 2, in general a rail or track; at least one direction of movement of the metallic objects 2 remains unrestricted. This device is only part of the subject invention if the direction of movement of the metallic objects 2 is to be limited, but is not mandatory for the function of the subject invention. 4: a distance sensor that detects the distance to a metallic object 2, usually an eddy-current inductive distance sensor or a capacitive distance sensor; This sensor system can be realized by a single distance sensor for one spatial direction or by two or more distance sensors for several spatial and moving directions of the metallic objects 2. 5: a sound pickup, usually a measuring microphone 6: a contactless sensor for determining the acceleration of the housing 1, usually a laser-based vibrometer 7: an excitation source, which transmits a stimulation pattern on the housing l, usually an electrodynamic shaker 8 a rigid receptacle for the distance sensor system 4 for the movement of the metallic objects 2, the sound pickup 5 and the sensor 6 for determining the acceleration of the housing 1. 9: an evaluation unit, which signals the distance sensor system 4 for the movement of metallic Objects 2, the sound pickup 5 and the sensor 6 for determining the acceleration of the housing 1 detected, evaluates and provides further processing available. The following method is used for the use of the device: 1. Definition of the permissible or desired threshold values for the radiated sound (in particular sound pressure at a defined microphone position and direction) relative to the housing 1 and max. Movement deflection of the metallic objects 2 2. Excitation of the housing 1 by an excitation source 7 3. Detection of the distance over time between metallic objects 2 and distance sensor 4 In at least one movement direction 4. Detection of the sound emitted on the surface of the housing 1 over time by the movement of metallic objects 2 5. Detecting the movement of the surface of the housing 1 over time caused by the mechanical excitation 6. Evaluation of the mechanical stimulation level of the housing 1, in which the max. Level for radiated sound and max. Movement of the metallic objects 2 is achieved

Die Relativbewegung der metallischen Objekte 2 zur Einhausung 1 erfolgt durch phasengleiche Subtraktion der erfassten Bewegungen durch Sensor 4 und Sensor 6. Für jeden Anregepegel bzw. jedes Anregemuster der Anregequelle 7 wird die Bewegung der Einhausung 1 durch Sensor 6 erfasst, die Bewegung der metallischen Objekte 2 durch Sensor 4 und der durch die Bewegung der metallischen Objekte 2 abgestrahlte Schall durch Sensor 5.The relative movement of the metallic objects 2 to the housing 1 is effected by in-phase subtraction of the detected movements by sensor 4 and sensor 6. For each stimulation level or each stimulation pattern of the excitation source 7, the movement of the housing 1 is detected by sensor 6, the movement of the metallic objects. 2 by sensor 4 and the sound radiated by the movement of the metallic objects 2 through the sensor 5.

Claims

Claims 1. A method for the contactless determination of the movement and the noise behavior of metallic objects 2 in a non-metallic housing 1, characterized in that the non-metallic housing 1 is excited to vibrate with the aid of a mechanical excitation source 7 in accordance with a predetermined stimulation pattern and thus the metallic objects 2 within the enclosure 1 are also stimulated to move, the path of movement of the metallic objects 2 over time, the movement of the enclosure over time and the sound radiation caused by the movement of the metallic objects 2 over time are detected and the movement amplitude and frequency of the metallic objects 2 as well as the radiated sound for each level of the movement of the housing 1 is analyzed and that smallest speed or acceleration level of the movement of the housing 1 is determined, in which a defined movement level of metallis 2 objects or in which a defined sound level is exceeded.

2. A device for contactless determination of the movement and the noise behavior of metallic objects 2 in a non-metallic housing 1, characterized in that on a rigid device 8, a sensor 4 or a sensor system 4a, 4b for detecting the movement of metallic objects 2 on the Time, as well as a sensor 5 for the detection of the radiated sound over time, and a sensor 6 for detecting the movement of the housing 1 over time, are attached, which are connected to an evaluation unit 9, and the system to be examined from housing 1 and metallic objects 2 is mechanically excited by a source of excitation 7 to vibrate.