AT522937A2 - Method for the detection of technical irregularities of railway vehicles from the analysis of sound and vibration data - Google Patents

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AT522937A2 AT601992019A AT601992019A AT522937A2 AT 522937 A2 AT522937 A2 AT 522937A2 AT 601992019 A AT601992019 A AT 601992019A AT 601992019 A AT601992019 A AT 601992019A AT 522937 A2 AT522937 A2 AT 522937A2
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Abstract

Bei der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zur Analyse von einem oder mehreren Schienenfahrzeugen während der Fahrt ausgesendeten Schall- oder Schwingungswellen im Hinblick auf die Erkennung möglicher technischer Irregularitäten an einem Rad oder mehreren Rädern der Fahrzeuge, welche dadurch eine potenzielle Gefährdung von Rad und Schiene darstellen und es zu Achs- und/oder Schienenbruch kommen kann. Das Verfahren basiert auf einer Sequenz von automatisch aufgenommenen und digitalisierten Schallemissionswerten, die das/die Schienenfahrzeug(e) während der Vorbeifahrt am Messpunkt emittiert. Als Ergebnis werden ein oder mehrere Indikatoren innerhalb des betrachteten Zeitraums geliefert, dessen Wert(e) als Indikation für ein Vorhandensein der gesuchten Irregularitäten dient und für die weitere Interpretation herangezogen werden kann.The invention relates to a method for analyzing sound or vibration waves emitted by one or more rail vehicles while driving with regard to the detection of possible technical irregularities on one or more wheels of the vehicles, which thereby pose a potential risk to the wheel and rail and it can lead to axle and / or rail breakage. The method is based on a sequence of automatically recorded and digitized sound emission values that the rail vehicle (s) emits while driving past the measuring point. As a result, one or more indicators are provided within the period under consideration, the value (s) of which serve as an indication of the existence of the irregularities sought and can be used for further interpretation.

Description

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„Verfahren zur Erkennung technischer Irregularitäten von Eisenbahnfahrzeugen aus der Analyse von Schall- und Schwingungsdaten“ "Procedure for the detection of technical irregularities of railway vehicles from the analysis of sound and vibration data"

Angemeldet wird ein Verfahren der Analyse von einem oder mehreren Schienenfahrzeugen („Zug“) während der Fahrt ausgesendeten Schall- oder Schwingungswellen in Hinblick auf die Erkennung möglicher technischer Irregularitäten an einem Rad oder mehreren Rädern der Fahrzeuge welche dadurch eine potenzielle Gefährdung von Rad und Schiene darstellen und es zu Achs- und/oder Schienenbruch kommen kann. A procedure for the analysis of sound or vibration waves emitted by one or more rail vehicles ("train") during the journey is registered with regard to the detection of possible technical irregularities on one or more wheels of the vehicles, which thus represent a potential hazard to wheel and rail and axle and / or rail breakage can occur.

Ursache solcher Irregularitäten sind oft sogenannte „Flachstellen“ auf der Lauffläche des Rades eines Schienenfahrzeugs. Diese entstehen meist durch eine temporäre Blockade der Bremsen eines Rads bei Bremsvorgängen oder durch aufgeschleuderte Steine. Dadurch schleift das Rad auf der Schiene und kann ein Teil der Lauffläche abgeschliffen werden wodurch das Rad den idealen kreisförmigen Umfang verliert. Diese Flachstelle(n) schlagen nach der Aufhebung der Blockade während der weiteren Fahrt(en) bei jeder Umdrehung des Rades auf die Schiene und erzeugen ein charakteristisches Schlaggeräusch („Klopfen“ / „Hämmern“). Die Erkennung derartiger Situationen erfolgt nach Stand der Technik Such irregularities are often caused by so-called "flat spots" on the running surface of the wheel of a rail vehicle. These are usually caused by a temporary blockage of the brakes of a wheel during braking or by stones being thrown out. As a result, the wheel grinds on the rail and part of the running surface can be abraded, whereby the wheel loses its ideal circular circumference. After the blockade has been lifted, this flat spot (s) hit the rail with every revolution of the wheel during the further journey (s) and generate a characteristic knocking noise (“knocking” / “hammering”). Such situations are recognized according to the state of the art

(a) Durch Augenscheinkontrolle des stehenden Zuges („Wagenmeisterkontrolle“), (a) By visual inspection of the stationary train ("wagon master control"),

(b) Durch „Abhören“ des Zuges während der Vorbeifahrt durch einen Mitarbeiter der Bahnunternehmung (z.B. Stationsvorsteher in Bahnhöfen) bzw. (b) By "eavesdropping" on the train while it is passing by an employee of the railway company (e.g. station master in train stations) or

(c) Durch Messung der Radgeometrie mit komplexen und hochpreisigen streckenseitigen Messsystemen (sog. „Zug-Monitoring-Systeme“) im Streckennetz. (c) By measuring the wheel geometry with complex and high-priced trackside measuring systems (so-called “train monitoring systems”) in the route network.

Das ist umständlich, wenig treffsicher, kostenintensiv, und schon allein durch die geringe „Dichte“ der Prüfpunkte im Eisenbahnnetz nicht sehr effizient! This is cumbersome, not very accurate, costly, and not very efficient, if only because of the low "density" of test points in the railway network!

Das Verfahren basiert auf einer Sequenz von automatisch aufgenommenen und digitalisierten Schallemissionswerten, die das/die Schienenfahrzeug(e) während der Vorbeifahrt am Messpunkt emittiert. The method is based on a sequence of automatically recorded and digitized sound emission values that the rail vehicle (s) emits while driving past the measuring point.

Als Ergebnis werden ein oder mehrere Indikatoren innerhalb des betrachteten Zeitraums geliefert, dessen Wert(e) als Indikation für ein Vorhandensein der gesuchten Irregularitäten dient und für die weitere Interpretation herangezogen werden kann (“Flachstellenindikator“/FS1). Durch das beschriebene Verfahren wird der Aufwand für Errichtung und Betrieb der Messeinrichtungen minimiert und eine qualitative sowie quantitative Verbesserung des Monitorings herbeigeführt. Damit kann gegebenenfalls rechtzeitig auf die möglichen negativen Begleiteffekte (Achs-/Schienenbruch, Ausfall des Fahrzeugs u.a.) reagiert werden und trägt das Verfahren zu einem sicheren, effizienten und hochverfügbaren (Bahn-)Betrieb bei. As a result, one or more indicators are provided within the period under consideration, the value (s) of which serve as an indication of the existence of the irregularities sought and can be used for further interpretation (“flat spot indicator” / FS1). The process described minimizes the effort involved in setting up and operating the measuring equipment and improves the quality and quantity of the monitoring. This means that possible negative side effects (axle / rail breakage, failure of the vehicle, etc.) can be reacted to in good time and the process contributes to safe, efficient and highly available (rail) operation.

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Gewinnung der Ausqgangsdaten: Obtaining the output data:

Die Herleitung der Basisdaten ist grundsätzlich in Skizze1 dargestellt und ist nicht Teil der Anmeldung ! The derivation of the basic data is shown in sketch 1 and is not part of the registration!

Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Auswertung der von den Schienenfahrzeugen eines Zuges während der Fahrt ausgesendeten Schall- oder Schwingungs-Emissionen („Zuglärm“), der bis zu Geschwindigkeiten von 200 km/h primär vom Rollgeräusch durch den Rad/Schiene Kontakt generiert wird. The method according to the invention is based on the evaluation of the sound or vibration emissions ("train noise") emitted by the rail vehicles of a train during travel, which is primarily generated by the rolling noise from the wheel / rail contact up to speeds of 200 km / h.

Die von dem bzw. den Eisenbahnfahrzeugen eines Zuges (1) während der Vorbeifahrt am Messquerschnitt Q (2) ausgesendete (Schall-)Emission wird von einem am rechtwinkelig zur Gleisachse liegenden Messquerschnitt Q positionierten stationären elektroakustischen Aufnehmer (Mikrofon) (3) aufgenommen und in ein kontinuierliches elektrisches Signal „A“ (4a) umgewandelt. The (sound) emission emitted by the railway vehicle (s) of a train (1) while driving past the measurement cross-section Q (2) is picked up by a stationary electroacoustic pick-up (microphone) (3) positioned on the measurement cross-section Q at right angles to the track axis and recorded in converted into a continuous electrical signal "A" (4a).

Grundsätzlich wird in der folgenden Beschreibung von einer Aufnahme der Schallemission durch einen elektroakustischen Aufnehmer ausgegangen. Es können jedoch auch andere die Schallemission repräsentierende Signalquellen wie etwa Beschleunigungssensoren, faseroptische Aufnehmer, Dehnmessstreifen, u.a. Sensoren als Signalquelle dienen. The following description is based on the assumption that the sound emission is recorded by an electroacoustic sensor. However, other signal sources representing the sound emission, such as acceleration sensors, fiber-optic sensors, strain gauges, and others sensors, can also serve as signal sources.

Das analoge Signal wird im Folgenden durch einen Analog/Digitalwandler (4) mit einem einstellbaren aber während der Messung fixen Abtastintervall taptası IN zeitlich äquidistante punktuelle digitale Messwerte umgesetzt (4a). Das Abtastintervall tapıası Wird dabei in der Praxis zumindest so gewählt, dass das ursprüngliche analoge Signal bis zu Frequenzen von zumindest 20kHz korrekt rekonstruiert werden kann (Shannon Theorem). The analog signal is then converted by an analog / digital converter (4) with an adjustable but fixed sampling interval taptası IN temporally equidistant point digital measured values (4a). The sampling interval tapıası is chosen in practice at least so that the original analog signal can be correctly reconstructed up to frequencies of at least 20kHz (Shannon's theorem).

Das Signal wird mindestens über einen Zeitbereich tyess aufgenommen, der die Vorbeifahrt des Zuges bzw. des zu messenden Eisenbahnfahrzeugs — repräsentiert durch die erste und letzte Achse des Fahrzeuges/des Zuges - am Messquerschnitt Q zuzüglich einer einstellbaren Vor- (tor) und Nachlaufzeit (tnacn) Überstreicht. Dieser Zeitbereich wird im Folgenden als „Messzeit“ (tyess) bezeichnet (3a). Die Abtastung des analogen Signals ergibt nun abhängig vom Abtastintervall taptası und der Messzeit tmess eine Sequenz von zeitlich mit tavtası äquidistanten Messwerten entlang der Zeitachse. The signal is recorded at least over a time range tyess, which shows the passage of the train or the railway vehicle to be measured - represented by the first and last axles of the vehicle / train - at the measurement cross-section Q plus an adjustable leading (gate) and lag time (tnacn ) Crosses over. This time range is referred to below as the “measurement time” (tyess) (3a). The sampling of the analog signal now results, depending on the sampling interval taptası and the measuring time tmess, a sequence of measured values that are equidistant in time with tavtası along the time axis.

Diese Wertesequenz „Messwert(to)“ bis „Messwert(t„)“ (5) bildet die Grundlage für das erfindungsgemäßen Verfahren. This sequence of values “measured value (to)” to “measured value (t“) ”(5) forms the basis for the method according to the invention.

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Analytische Grundlage: Analytical basis:

Die analytische Grundlage des beschriebenen Verfahrens zur Analyse und Berechnung des „Flachstellen-Indikators“ („FSI“) basiert auf der Aufgabe, repetierende — also sich wiederholende - Sprungfunktionen der Amplitude in den einzelnen Frequenzbändern im Frequenzgemisch des erfassten (Schall-)Signals zu identifizieren. Diese Sprungfunktionen bilden in ihrer Gesamtheit das beschriebene „Klopfgeräusch“ einer Flachstelle. Der Signalpegel muss dabei nicht notwendigerweise den allgemeinen Pegel der Lärmemissionen signifikant übersteigen. The analytical basis of the described method for analyzing and calculating the “flat spot indicator” (“FSI”) is based on the task of identifying repetitive - that is, repetitive - step functions of the amplitude in the individual frequency bands in the frequency mix of the recorded (sound) signal . These jump functions in their entirety form the described "knocking noise" of a flat spot. The signal level does not necessarily have to significantly exceed the general level of noise emissions.

Es kann durch verschiedene mathematische Modelle abgebildet werden. It can be represented by various mathematical models.

Eine davon ist der „Diracstoß“. (siehe entsprechende Literatur). Ein Diracstoß stellt einen einzelnen sehr kurzen und sehr großen(Schall-)Ilmpuls dar d.h. einen starken Anstieg in der Amplitude sowie nachfolgenden Abfall des (Schall-) Signals in der Zeitdomäne. Ein Diracstoß hat die Frequenzverteilung 1, das heißt, alle Frequenzen sind zu gleichen Teilen darin vertreten. Daraus folgt, dass das ‚hämmernde‘ Geräusch einer Flachstelle theoretisch in allen Frequenzbändern erkennbar sein sollte. In diesem Ansatz wird daher das erfasste Signalbild auf das Vorhandensein von Diracstößen untersucht. One of them is the “Dirac push”. (see relevant literature). A Dirac shock represents a single, very short and very large (sound) pulse, i.e. a strong increase in amplitude and a subsequent decrease in the (sound) signal in the time domain. A Dirac impact has the frequency distribution 1, that is, all frequencies are represented in it in equal parts. It follows that the 'hammering' sound of a flat spot should theoretically be recognizable in all frequency bands. In this approach, the recorded signal image is therefore examined for the presence of Dirac collisions.

Neben dem Ansatz über die Modellierung durch einen „Diracstoß“ können auch weitere Ansätze für die Modellierung von Sprungfunktionen verwendet werden. Im folgenden wird die Analyse mittels Modellierung durch einen Dirac-Stoß verfolgt. In addition to the approach based on modeling using a “Dirac impact”, other approaches for modeling jump functions can also be used. In the following, the analysis is followed by modeling using a Dirac impact.

Ein weiteres Charakteristikum ist eine repetitive Wiederholung des Vorkommens von Diracstößen über die Zeit durch die Umdrehung des Rades während der Fahrt. Diese Wiederholfrequenz ist vom Radumfang und der aktuellen Geschwindigkeit abhängig. Das bestimmungsgemäße Verfahren nimmt darauf Rücksicht. Another characteristic is a repetitive repetition of the occurrence of Dirac impacts over time due to the rotation of the wheel while driving. This repetition frequency depends on the wheel circumference and the current speed. The intended procedure takes this into account.

Das betrachtete Frequenzspektrum kann - muss aber nicht - in der Praxis auf den Bereich von 100 Hz bis 20kHz eingeschränkt werden. Damit sind die Signale mit gängigen technischen Mitteln — etwa einem wetterfesten Standard-Messmikrofon oder entsprechender Sensorik — erfassbar. The observed frequency spectrum can - but does not have to - be restricted in practice to the range from 100 Hz to 20 kHz. This means that the signals can be recorded using common technical means, such as a weatherproof standard measuring microphone or a corresponding sensor system.

Ebenso kann der betrachtete Zeitraum tmess die Vorbeifahrtsdauer des gesamten Zuges oder auch nur eine Teilmenge der erfassten und digitalisierten Messwerte umfassen. Likewise, the observed time period tmess can include the duration of the entire train's passage or also only a subset of the recorded and digitized measured values.

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Beschreibung der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte Description of the method steps according to the invention

Das Verfahren basiert auf 2 Verfahrensschritte deren Ablauf in Skizze 2 dargestellt ist: Verfahrensschritt 1 — „Mathematische Analyse“: The process is based on 2 process steps, the sequence of which is shown in sketch 2: Process step 1 - "Mathematical analysis":

Aus der Wertesequenz Messwert(to)..Messwert(t„) des erfassten und digitalisierten (Schall)-Signals wird mit 4 aneinandergereihten Schritten eine 3-dimensionale Ergebnismatrix gebildet. Diese enthält in der Zeitdomäne Über die Messzeit Informationen über mögliche repetierende Sprungfunktionen. From the sequence of values measured value (to) .. measured value (t ") of the recorded and digitized (sound) signal, a 3-dimensional result matrix is formed with 4 consecutive steps. In the time domain, this contains information on possible repetitive jump functions via the measurement time.

Verfahrensschritt 2 — „FSI-Entscheider“: Process step 2 - "FSI decision maker":

Dieser Schritt übernimmt die Ergebnismatrix aus dem Schritt 1 und entscheidet an Hand definierter Kriterien, ob und wenn ja zeitlich wo eine mögliche technische Irregularität im Schallsignal identifiziert werden konnte. This step adopts the result matrix from step 1 and uses defined criteria to decide whether and, if so, where a possible technical irregularity could be identified in the sound signal.

Als Ergebnis identifiziert das Verfahren gegebenenfalls Zeitbereiche innerhalb der Messzeit, in denen mögliche technische Irregularitäten erkannt wurden — den „Flachstellenindikator“ (fsi/) As a result, the process identifies time ranges within the measurement time in which possible technical irregularities were detected - the "flat spot indicator" (fsi /)

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Verfahrensschritt 1 — „Mathematische Analyse“: Step 1 - "Mathematical Analysis":

Die im ersten Schritt durchgeführte ‚Mathematische Analyse‘ ist eine Aneinanderreihung verschiedener mathematisch/technischer Analysemethoden um ein sich wiederholendes ‚hämmerndes‘ Geräusch zu identifizieren. The 'mathematical analysis' carried out in the first step is a string of different mathematical / technical analysis methods in order to identify a repetitive 'hammering' noise.

Dazu werden folgende Schritte auf die Wertesequenz des Schallsignals angewendet: To do this, the following steps are applied to the value sequence of the sound signal:

1) Aufteilung des abgetasteten Signalverlaufes in Frequenzbänder 2) Zeitliche Ableitung 1) Division of the sampled signal curve into frequency bands 2) Time derivative

3) Autokorrelation von Zeitintervallen 3) Autocorrelation of time intervals

4) Berechnung der Wiederholungsfrequenz 4) Calculation of the repetition frequency

Das Ergebnis ist ein 3-dimensionaler Vektor fsi3(t,fpand,Frep), in der t (x-Achse) die Messzeit überstreicht, foana (y-Achse) die Frequenzbänder und fie (z-Achse) die Wiederholfrequenzen pro fbana aufweist und welcher nun eine Indikation möglicher sich wiederholender Sprungfunktionen enthalten kann. Dieser Vektor wird dann dem 2. Verfahrensschritt („Entscheider“) als Input weitergeleitet. The result is a 3-dimensional vector fsi3 (t, fpand, Frep), in which t (x-axis) covers the measuring time, foana (y-axis) the frequency bands and fie (z-axis) the repetition frequencies per fbana and which can now contain an indication of possible repetitive jump functions. This vector is then passed on to the 2nd process step (“decision maker”) as input.

Ablauf procedure

1) Aufteilung in Frequenzbänder 1) Division into frequency bands

Eine erste Methode ist die Aufteilung des Signals in Frequenzbänder, welche logarithmisch A first method is to split the signal into frequency bands, which are logarithmic

aufgeteilt sind. Das Signal wird dabei einer „Fast Fourier Transformation“ (FFT) unterzogen. Danach werden die Leistungen der FFT-„Bänder“ addiert in dem die Frequenzbänder nach are divided. The signal is subjected to a "Fast Fourier Transformation" (FFT). Then the powers of the FFT "bands" are added by adding the frequency bands

dem Logarithmus gruppiert werden. grouped according to the logarithm.

Eine zweite Methode, ist die Einteilung in ‚fractional octave bands‘. Bandpassfilter mit einem Bruchteil n der Bandbreite einer Oktave (Faktor 2/n der Grenzfrequenzen) filtern das Audiosignal um es in die verschiedenen Frequenzbänder einzuteilen wobei folgende Formeln gelten: A second method is the division into 'fractional octave bands'. Bandpass filters with a fraction n of the bandwidth of an octave (factor 2 / n of the cutoff frequencies) filter the audio signal in order to divide it into the different frequency bands, whereby the following formulas apply:

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k {1} felk) = fcent * 2 {2} fuck) = fe(k) * 22u {3} filk) = fo (k)/22n Dessen Anzahl der Bänder pro Oktave Korean Index eines ‚fractional octave band‘ feent-....- Mittenfrequenz des Frequenzbandes k=0 f-(k)..... Mittenfrequenz des Frequenzbandes k fu(k)..... Obere Grenzfrequenz des Frequenzbandes k fi(k) ..... Untere Grenzfrequenz des Frequenzbandes k fmax-..... Maximale vorkommende Frequenz fmin ---. Minimale vorkommende Frequenz Kmax..... Index des höchsten Frequenzbandes Kine... Index des niedrigsten Frequenzbandes k {1} felk) = fcent * 2 {2} fuck) = fe (k) * 22u {3} filk) = fo (k) / 22n The number of bands per octave Korean index of a 'fractional octave band' feent- ....- Center frequency of the frequency band k = 0 f- (k) ..... Center frequency of the frequency band k fu (k) ..... Upper limit frequency of the frequency band k fi (k) ..... Lower limit frequency of the frequency band k fmax -..... Maximum occurring frequency fmin ---. Minimum occurring frequency Kmax ..... index of the highest frequency band Kine ... index of the lowest frequency band

Als Referenz wird von einem Frequenzband die Mittenfrequenz angegeben werden. Hier ist es üblich den Wert 1000 Hz zu verwenden. Davon ausgehend werden für alle Frequenzbänder die Mittenfrequenz, die Obere und die Untere Grenzfrequenz berechnet. The center frequency of a frequency band is given as a reference. Here it is common to use the value 1000 Hz. Based on this, the center frequency, the upper and the lower limit frequency are calculated for all frequency bands.

Umformen der Formeln {1}+{3} ergibt die Formeln {4} und {5} für die Berechnung des maximalen und minimalen Index k. Die Funktion ‚ld‘ ist der /ogarithmus dualis mit der Basis 2, ‚floor‘ rundet zur nächsten ganzen Zahl ab und ‚ceil‘ rundet zur nächsten ganzen Zahl auf. Transforming the formulas {1} + {3} results in the formulas {4} and {5} for the calculation of the maximum and minimum index k. The function 'ld' is the / ogarithmus dualis with the base 2, 'floor' rounds down to the next whole number and 'ceil' rounds up to the next whole number.

{4} Kmax = floor (n x Id (Az) _ 3) {4} Kmax = floor (n x Id (Az) _ 3)

fcent fcent

_ cei fmin\ + 1 {5} Kmin = ceil (n * 1d (Zen) + z) Die maximale und minimale Frequenz fmax und fmin Sind Parameter, die für die Berechnung vorgegeben werden müssen. fmax kann maximal die halbe Abtastfrequenz des Mikrofons sein und fmin wird sinnvollerweise nicht kleiner gewählt als die kleinste Frequenz, die das Mikrofon noch aufnehmen kann. Ein guter Ansatz ist dabei fimin = 200 Hz und fmax = 20 kHz. _ cei fmin \ + 1 {5} Kmin = ceil (n * 1d (Zen) + z) The maximum and minimum frequency fmax and fmin are parameters that must be specified for the calculation. fmax can be a maximum of half the sampling frequency of the microphone and fmin is sensibly chosen not to be lower than the smallest frequency that the microphone can still pick up. A good approach is fimin = 200 Hz and fmax = 20 kHz.

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Vorgehensweise: Method:

(1) Fixierung der Anzahl Bänder pro Oktave („1“) — ist frei wählbar (2) Zuerst wird der minimale und maximale Wert des Index k (kmax und kmin) ausgerechnet. (3) Jede ganzen Zahl von kmin bis kmax ist ein Index k für ein ‚fractional octave band‘. (1) Fixing the number of bands per octave ("1") - can be freely selected (2) First the minimum and maximum value of the index k (kmax and kmin) is calculated. (3) Every integer from kmin to kmax is an index k for a 'fractional octave band'.

Für jedes Band werden nun die folgenden Schritte (4-8) ausgeführt: The following steps (4-8) are now carried out for each band:

(4) Für jedes dieser Bänder wird mit dem Index k die Mittenfrequenz f.(k), die obere Grenzfrequenz fu(k) und die untere Grenzfrequenz fi(k) ausgerechnet. (4) For each of these bands, the index k is used to calculate the center frequency f. (K), the upper limit frequency fu (k) and the lower limit frequency fi (k).

(5) Mit der oberen und unteren Grenzfrequenz eines ‚fractional octave band‘ (fu und fi) und der Abtastfrequenz der Tonaufzeichnung werden nun die Filterkoeffizienten für ein Bandpassfilter berechnet. (5) The filter coefficients for a bandpass filter are now calculated using the upper and lower limit frequency of a fractional octave band (fu and fi) and the sampling frequency of the sound recording.

(6) Anschließend wird das Signal durch ein digitales Filter mit den berechneten Filterkoeffizienten gefiltert. (6) The signal is then filtered through a digital filter with the calculated filter coefficients.

(7) Das gefilterte Signal wird nun in Sequenzblöcke mit der Länge von n, wobei gilt: n>0 und der Form 2", ideal in der Anwendung n=256, Samples eingeteilt, wobei sich die Blöcke zur Hälfte überlappen, und im Zeitbereich mit einem Hann-Fenster multipliziert werden. (7) The filtered signal is now divided into sequence blocks with a length of n, where: n> 0 and the form 2 ", ideally in the application n = 256, samples, whereby the blocks overlap half and in the time domain can be multiplied by a Hann window.

(8) Nun wird die Energie des Schalls in jedem dieser Fenster berechnet indem jeder Samplewert für sich quadriert wird, alle Werte in einem Fenster addiert werden und danach der Logarithmus davon berechnet. (8) Now the energy of the sound in each of these windows is calculated by squaring each sample value for itself, adding all values in a window and then calculating the logarithm of them.

Als Ergebnis ergibt sich eine 2-dimensionale Matrix, welche den zeitlichen Verlauf der Signalenergie in unterschiedlichen Frequenzbändern liefert. The result is a 2-dimensional matrix which provides the signal energy over time in different frequency bands.

2) Zeitliche Ableitung Im nächsten Schritt wird jedes Frequenzband zeitlich abgeleitet. Um eine Flachstelle zu 2) Temporal derivation In the next step, each frequency band is temporally derived. To get a flat spot too

erkennen, wird die Differenz über mindestens 8 Samples hinweg genommen recognize, the difference is taken over at least 8 samples

Nachdem das Merkmal einer Flachstelle der rasante Anstieg ist, sind nur positive Werte von Bedeutung. Negative Ergebnisse der Ableitung werden auf 0 gesetzt. Dieser Vorgang wird für alle Frequenzbänder einzeln durchgeführt. Since the characteristic of a flat spot is the rapid increase, only positive values are important. Negative results of the derivation are set to 0. This process is carried out individually for all frequency bands.

Als Output wird wieder eine 2-Dimensionale Matrix geliefert, welche den abgeleiteten zeitlichen Verlauf der Signalenergie in unterschiedlichen Frequenzbändern liefert. A 2-dimensional matrix is again provided as output, which provides the derived time course of the signal energy in different frequency bands.

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3) Autokorrelation von Zeitintervallen 3) Autocorrelation of time intervals

Mittels Autokorrelation wird nun untersucht, ob sich Spitzen in dem abgeleiteten Zeitsignal wiederholen. Dieser Schritt wird für jedes Frequenzband einzeln ausgeführt, wodurch das zu bearbeitende Signal nur mehr abhängig von der Zeit ist [ d(t) ]. Autocorrelation is now used to examine whether peaks are repeated in the derived time signal. This step is carried out individually for each frequency band, so that the signal to be processed is only dependent on time [d (t)].

Das Signal wird in Blöcke einer einstellbaren Länge (z.B. ca. 1,5 Sekunden) eingeteilt, wobei die Anzahl der Blöcke eine natürliche Zweierpotenz (2, 4, 8, ...) sein sollte. Mit den Parametern der vorherigen Schritte werden Blöcke mit z.B. 512 Werten gebildet, was bei einer Abtastfrequenz von 42 kHz etwa 1,56 Sekunden entspricht. Für den nächsten Block wird die Zeit um ca. 0,2 Sekunden weitergeschoben, was bei diesem Beispiel einer Verschiebung um 65 Werten entspricht. The signal is divided into blocks of an adjustable length (e.g. approx. 1.5 seconds), whereby the number of blocks should be a natural power of two (2, 4, 8, ...). With the parameters of the previous steps, blocks with e.g. 512 values are formed, which corresponds to about 1.56 seconds at a sampling frequency of 42 kHz. For the next block, the time is shifted by approx. 0.2 seconds, which in this example corresponds to a shift by 65 values.

Jeder Block wird anschließend autokorreliert. Da die Autokorrelation symmetrisch ist, werden nur Verschiebungswerte >= 0 betrachtet. Durch diesen Schritt entsteht wieder ein Vektor mit gleich vielen Werten wie vor der Autokorrelation. Each block is then auto-correlated. Since the autocorrelation is symmetrical, only displacement values> = 0 are considered. This step again creates a vector with the same number of values as before the autocorrelation.

Dieser Vektor wird nun noch normiert indem jeder Wert der Autokorrelation durch den Wert bei der Verschiebung = 0 dividiert wird. This vector is now normalized by dividing each value of the autocorrelation by the value at the shift = 0.

Das Ergebnis dieses Schrittes ist eine 3-Dimensionale Matrix. Für jedes Frequenzband gibt es alle 0.2 Sekunden einen Vektor, der die Ergebnisse der Autokorrelation in Abhängigkeit der Verschiebung (lag) beinhaltet. The result of this step is a 3-dimensional matrix. For each frequency band there is a vector every 0.2 seconds that contains the results of the autocorrelation as a function of the shift (lag).

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4) Berechnung der Wiederholungsfrequenz 4) Calculation of the repetition frequency

Anschließend wird analysiert, ob es im autokorrelierten Signal eine sich regelmäßig wiederholende Komponente gibt. Dieser Schritt wird für jedes Frequenzband und für jeden Zeitabschnitt einzeln durchgeführt. Daher dient hier als Eingang lediglich der Vektor der Autokorrelation, welche mit der Verschiebung gleich 0 und durch die Normierung mit dem Wert 1 beginnt. It is then analyzed whether there is a regularly repeating component in the autocorrelated signal. This step is carried out individually for each frequency band and for each time segment. Therefore, the only input here is the vector of the autocorrelation, which begins with the shift equal to 0 and, due to the normalization, with the value 1.

Von diesem Vektor wird nun die FFT berechnet um regelmäßige Signalteile betrachten zu können. Der erste Wert der Autokorrelation ist eins. Wenn Das Signal um den Abstand zwischen zwei ‚Hammerschlägen‘ verschoben wird, ist die Autokorrelation wieder hoch, dazwischen nahe Null. Weil die Kurvenform mit einem Maximum beginnt, entspricht das gesuchte Signal einem Kosinus. The FFT is now calculated from this vector in order to be able to consider regular signal parts. The first value of the autocorrelation is one. If the signal is shifted by the distance between two 'hammer blows', the autocorrelation is high again, with close to zero in between. Because the waveform begins with a maximum, the signal you are looking for corresponds to a cosine.

Der Sinus Anteil im Zeitsignal ist nach der FFT durch den Imaginärteil repräsentiert und der Kosinus Anteil durch den Realteil. Nachdem nur der Kosinus von Interesse ist, wird vom Ergebnis der FFT nur der Realteil — und davon nur positive Werte - verwendet. Alle negativen Werte werden 0 gesetzt. According to the FFT, the sine component in the time signal is represented by the imaginary part and the cosine component by the real part. Since only the cosine is of interest, only the real part of the result of the FFT - and only positive values - is used. All negative values are set to 0.

Da das Eingangssignal der FFT nicht komplex ist (Imaginärteil = 0) ist der Ausgangsvektor der FFT symmetrisch. Daher wird nur die untere Hälfte des Vektors nach der FFT weiter betrachtet (nur positive Frequenzen, nicht negative). Since the input signal of the FFT is not complex (imaginary part = 0), the output vector of the FFT is symmetrical. Therefore, only the lower half of the vector is considered further after the FFT (only positive frequencies, not negative).

Dieser Frequenzvektor wird nun normiert, indem er durch seine Länge dividiert wird. This frequency vector is now normalized by dividing it by its length.

Als Ergebnis liegt ein Frequenzvektor vor. Die „Frequenz“ ist hierbei die Rate / Sekunde, mit der sich ein klopfendes Geräusch wiederholt und der Wert stellt die „Signifikanz“ oder „Signalstärke“ für diese Wiederholungen dar. The result is a frequency vector. The "frequency" is the rate / second at which a knocking noise is repeated and the value represents the "significance" or "signal strength" for these repetitions.

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Ergebnis der Mathematischen Analyse Result of the mathematical analysis

Die Mathematische Analyse liefert eine 3Dimensionale Matrix fs/3 als Output. Der letzte Schritt wurde für jedes Frequenzband einzeln und innerhalb jedes Frequenzbandes für jeden Zeitpunkt einzeln durchgeführt. Das Ergebnis ist wiederum ein Vektor, welcher Werte in Abhängigkeit der Wiederholungsfrequenz liefert. So kommen drei Dimensionen (Achsen) zustande. The mathematical analysis provides a 3-dimensional matrix fs / 3 as output. The last step was carried out individually for each frequency band and individually for each point in time within each frequency band. The result is, in turn, a vector which supplies values depending on the repetition frequency. This is how three dimensions (axes) come about.

Dimension #ime: Abstand der Wertegruppen auf der Zeitachse Beispiel: Wenn im 3. Schritt Zeitblöcke mit einer Verschiebung von 0.2 Sekunden zueinander gebildet werden, gibt es auf der Zeitachse alle 0.2 Sekunden eigene Werte. Dimension #ime: Distance between the value groups on the time axis Example: If time blocks with a shift of 0.2 seconds are created in step 3, there are separate values on the time axis every 0.2 seconds.

Dimension repetition frequency: Vektor mit Wiederholungsfrequenzen Dimension repetition frequency: vector with repetition frequencies

Zu jedem Zeitpunkt auf der t-Achse gibt es für jedes Frequenzband einen Vektor mit unterschiedlichen Wiederholungsfrequenzen. Wenn in diesem Vektor ein Wert signifikant hoch ist bedeutet das, dass sich ein „Geräusch“ um diesen Zeitpunkt mit der entsprechenden Wiederholungsfrequenz regelmäßig wiederholt. At each point in time on the t-axis there is a vector with different repetition frequencies for each frequency band. If a value in this vector is significantly high, this means that a “noise” is regularly repeated at this point in time with the corresponding repetition frequency.

Dimension frequency band Dimension frequency band

Die komplette Analyse wurde für jedes Frequenzband einzeln durchgeführt. Wenn ein hoher Wert zu einem bestimmten Zeitpunkt mit einer bestimmten Wiederholungsfrequenz erscheint entspricht die Dimension des Frequenzbandes (frequency band) der Frequenz des sich wiederholenden ( ‚hämmernden‘) Geräusches. The complete analysis was carried out individually for each frequency band. If a high value appears at a certain point in time with a certain repetition frequency, the dimension of the frequency band corresponds to the frequency of the repetitive ('hammering') sound.

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Verfahrensschritt 2 — „FSIl-Entscheider“: Process step 2 - "FSIL decision maker":

Im 2. Verfahrensschritt erfolgt nun die Analyse des Ergebnisses des ersten Verfahrensschritts. Der „Flachstellenindikator“ fsi ist abhängig vom Frequenzband (fband), der Zeit (t) und Wiederholungsfrequenz (frep). In the second process step, the analysis of the result of the first process step now takes place. The “flat spot indicator” fsi depends on the frequency band (fband), time (t) and repetition frequency (frep).

In weiteren 3 aufeinanderfolgenden Schritten erfolgt die Entscheidung (Indikation), ob mögliche Flachstellen (Anzahl >=0) detektiert wurden: In a further 3 consecutive steps, the decision (indication) is made as to whether possible flat spots (number> = 0) have been detected:

1. Elimination der Dimension fang — „foMerge“ 1. Elimination of the dimension fang - "foMerge"

Es werden die einzelnen Frequenzbänder zusammengeführt. Ein entsprechender Ansatz ist in Anlehnung an den Median aus der Statistik, den jeweils zweitgrößten Wert der Dimension fiandg zu übernehmen. Damit wird sichergestellt, dass einerseits ein einzelner „Ausreißer“ in einem Frequenzband nicht auffällt und andererseits mehrere niedrige Werte nicht den Mittelwert „nach unten ziehen“. Das ergibt 2 dimensionale Matrix fsi2(t, frep). The individual frequency bands are merged. A corresponding approach based on the median from the statistics is to adopt the second largest value of the dimension fiandg. This ensures that, on the one hand, a single “outlier” in a frequency band is not noticed and, on the other hand, several low values do not “pull the mean value down”. This results in a 2-dimensional matrix fsi2 (t, frep).

2. Identifikation von Wiederholungen — „frGet“ 2. Identification of repetitions - "frGet"

Nun wird in der 2 dimensionalen Matrix fsi2(t, frep) die zeitliche Dimension festgehalten und jeder Zeitpunkt als Vektor in Abhängigkeit der Wiederholfrequenz betrachtet: fSi(fep). The time dimension is now recorded in the 2-dimensional matrix fsi2 (t, frep) and each point in time is viewed as a vector depending on the repetition frequency: fSi (fep).

In diesem Vektor wird das Maximum gesucht und als Basis für einen Schwellwert genommen. Der Schwellwert kann entsprechend den Anforderungen variieren. Nun werden benachbarte Werte, welche den Schwellwert übersteigen zu Gruppen mit 1-n Elementen zusammengefasst. Von jeder Gruppe wird nun die Wiederholungsfrequenz vom Element mit dem höchsten fsi-Wert übernommen. Nun wird für die Gruppen 2-mder Faktor der jeweiligen Wiederholfrequenz zu jener des Gruppenelements „1“ berechnet, für diesen Faktor die relative Abweichung zur nächsten Ganzen Zahl berechnet und davon der Absolutwert genommen. The maximum is searched for in this vector and used as the basis for a threshold value. The threshold value can vary according to requirements. Now neighboring values which exceed the threshold value are combined into groups with 1-n elements. The repetition frequency of the element with the highest fsi value is now adopted from each group. Now the factor of the respective repetition frequency to that of the group element "1" is calculated for the groups 2-m, the relative deviation to the next whole number is calculated for this factor and the absolute value is taken from this.

In diesem Schritt wurden nun aus dem 2 dimensionalen Eingangsvektor 5 eindimensionale Ergebnisvektoren generiert, welche nur mehr von der Zeitdimension abhängig sind und sich über die Messzeit erstrecken: In this step, 5 one-dimensional result vectors were generated from the 2-dimensional input vector, which are only dependent on the time dimension and extend over the measurement time:

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Numgroups: Anzahl Gruppen Numgroups: number of groups

following: die größte Anzahl an hintereinanderliegenden Elementen einer Gruppe deviation: die maximale relative Abweichung (dimensionslos, Wertebereich 0.0 bis 0.5) fr: Die Grundschwingung (= die %ep der 1.Gruppe) following: the largest number of consecutive elements of a group deviation: the maximum relative deviation (dimensionless, value range 0.0 to 0.5) fr: the fundamental oscillation (= the% ep of the 1st group)

fsi: Der maximal Flachstellenindikationswert (Dimensionslos) fsi: The maximum flat spot indication value (dimensionless)

3. Indikation möglicher Flachstellen — „Detector“ 3. Indication of possible flat spots - "Detector"

Der 3.Schritt ist nun die Bewertung der 5 Vektoren aus dem Schritt 2. Dazu werden folgende Kriterien angewendet: The third step is the evaluation of the 5 vectors from step 2. The following criteria are used:

K1: maximale Abweichung nicht zu groß (z.B. deviation< 0,1) K2: „schmale Frequenzgruppen“ (z.B. following<4) K1: maximum deviation not too large (e.g. deviation <0.1) K2: "narrow frequency groups" (e.g. following <4)

K3: Wiederholungsfrequenz nicht zu groß (z.B. fep<15) K3: repetition frequency not too high (e.g. fep <15)

Wenn- je nach gewählten Parametern - die Kriterien K1, K2 und K3 zutreffen, dann kann es sich um eine mögliche Flachstelle handeln. If - depending on the selected parameters - the criteria K1, K2 and K3 apply, then it can be a possible flat spot.

Als mögliche zusätzliche Schärfung der Entscheidung können noch weitere Kriterien wie As a possible additional sharpening of the decision, further criteria such as

K4: minimale aufeinanderfolgende Anzahl von Werten, welche K1 bis K3 erfüllen und K4: minimum consecutive number of values which K1 to K3 satisfy and

K5: ein minimaler Schwellwert, den der maximale Wert fsS/imax mindestens überschreiten Muss K5: a minimum threshold value which the maximum value fsS / imax must at least exceed

zur Anwendung kommen. come into use.

{E8}[fsi = E/(K4+K5) ] = [fsi‚(tbeg,tend, indicatorvalue)] {E8} [fsi = E / (K4 + K5)] = [fsi ‚(tbeg, tend, indicatorvalue)]

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Beispiel: Example:

Spectoagram - Sit, Ab) Spectoagram - Sit, Ab)

2 2

sis Fiat Spot Indicator [fbMenge] + Isat, fr} sis Fiat Spot Indicator [fbMenge] + Isat, fr}

+ +

4 a0 0.08 Sr“ GO > &U OR > 40 DR 4 a0 0.08 Sr “GO> & U OR> 40 DR

G G

Ems is Ems is

X X

Fiat Spot Indicator frGet] - fs} & fat} Fiat Spot Indicator frGet] - fs} & fat}

ST x ST x

S KA S KA

Bild 1 (Top) zeigt das Frequenzspektrum eines Zuges über die Messdauer. F£sind die einzelnen Frequenzbänder. Figure 1 (top) shows the frequency spectrum of a train over the duration of the measurement. F £ are the individual frequency bands.

Bild 2 (Mitte) zeigt das Ergebnis nach Schritt 2 (fbpbMerge) mit sich wiederholend auftretenden Sprungfunktionen. Figure 2 (middle) shows the result after step 2 (fbpbMerge) with repetitive jump functions.

Bild 3 (unten) das Ergebnis von Schritt 3 (frGet) für 2 der Ergebnisvektoren fsi und frep. Figure 3 (bottom) shows the result of step 3 (frGet) for 2 of the result vectors fsi and frep.

Nach: Anwendung: der: Kriterien K1: bis: K5 ergibt: sich der mit: der: orangen Linie dargestellte Vermutungsbereicheiner oder mehrerer Flachstelle(n) an einem Rad bzw. mehreren: Rädern Im Zügverband(C.Flachstellenindikator‘). Die Nachschau ergab in diesem Beispiel sogar 2 Flachstellen an jeweils einem Rad zweier benachbarter Wagen. After: applying: the: criteria K1: to: K5, the result is the assumption area of one or more flat spots on a wheel or several: wheels in a train (C. Flat spot indicator ‘), shown with the: orange line. In this example, the inspection even showed 2 flat spots on each wheel of two neighboring cars.

Durch Abbildung dieser Ergebnisse auf ein parallel dazu über die Meßzeit erfasstes ZugAchsmuster und/oder automatischer Wagenidentifikationsleser kann auf den entsprechenden betroffenen Wagen geschlossen und gegebenenfalls entsprechende weitere Maßnahmen eingeleitet werden. By mapping these results onto a train axis pattern recorded in parallel over the measurement time and / or automatic wagon identification reader, conclusions can be drawn about the wagons concerned and, if necessary, appropriate further measures can be initiated.

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(a (a

Skizze1 a 2 Sketch1 a 2

Skizze 2 S Sketch 2 p

X X

ASeiRSIMBTESER ÄNRiVSE FSHEHSORSISE ASEISIMBTESER ANNIVESIS FSHEHSORSISE

N N

Ze 1 Auftellung In 1, AMerge Frequenzbänder Eimuinalion dar Limensh Ze 1 listing In 1, AMerge frequency bands Eimuinalion dar Limensh

OR foanı OR foanı

{RSS Spagener Kal ga) 3 : Rn {RSS Spagener Kal ga) 3: Rn

Aettermalisıh Analyse FSHEnischeiger Aettermalisıh analysis of FSHE niche

3. Zeitliche 2, irGet Ableitung idenfifikation von Wisderhofungen 3. Temporal 2, irGet derivation idenfification of Wisder hopes

2 {ESHren 2 {ESHren

devinkan, FRE devinkan, FRE

Se Se

AIGERSAHSCHE ANRÖNR FS-Enfscheiger AIGERSAHSCHE ANRÖNR FS-Enfscheiger

&, Autgkorrelalion 3, Detector von Zeilintenvaßen 3 möglicher „Fachstefen” KZNI 3SENS &, Autgkorrelalion 3, Detector of Zeilintenvaßen 3 possible "Fachstefen" KZNI 3SENS

RA RA

, Schästung NANS > Enbschuntng , Schästung NANS> Enbschuntng

AEEEENEÄSCHE ANSO < AEEEENEÄSCHE ANSO <

4, Berechnung der Wiederhoiungsfteguenzatl 4, calculation of the repetition sequence

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