DE102009033614B4

DE102009033614B4 - Anordnung und Verfahren zur Erkennung, Ortung und Klassifikation von Defekten

Info

Publication number: DE102009033614B4
Application number: DE102009033614.1A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2020-01-23
Anticipated expiration: 2029-07-18
Also published as: US8401823B2; CN101959115B; DE102009033614A1; US20110015898A1; CN101959115A

Abstract

Anordnung zur messtechnischen Bewertung und Klassifikation der Eigenschaften
eines Systems 37, dadurch charakterisiert, dass die Anordnung
einen Generator 43 enthält, der einen ersten Ausgang 91 besitzt, an dem ein periodisches Anregungssignal u(t) mit der Periodenlänge T erzeugt wird und der erste Ausgang 91 mit dem Eingang des Systems 37 verbunden ist,
mindestens einen Sensor 47 enthält, wobei jeder Sensor am Messpunkt r_l mit i=1, 2, ... einen Sensorausgang besitzt, der ein Signal p(t,r_l)= p_det(t,r_l) + p_stoch(t,r_i) erzeugt, das aus einem stochastischen Signal p_stoch(t,r_i) und einem deterministischen Signal p_det(t,r_l) besteht,
mindestens ein Filter 81 enthält, das einen Filtereingang 67 und einen Filterausgang 61 besitzt, der Sensorausgang des Sensors 47 mit dem Filtereingang 67 des Filters 81 verbunden ist, das Filter 81 eine Übertragungsfunktion H_det besitzt, die das deterministische Signal p_det(t,r_l) vom Filtereingang 49 zum Filterausgang überträgt und das stochastische Signal p_stoch(t,r_l) bedämpft,
mindestens ein Filter 75 enthält, das einen Filtereingang 73 und einen Filterausgang 77 besitzt, der Sensorausgang des Sensors 47 mit dem Filtereingang 73 des Filters 75 verbunden ist, das Filter 75 eine Übertragungsfunktion H_stoch besitzt, die das stochastische Signal p_stoch(t,r_l) vom Filtereingang 73 zum Filterausgang 77 überträgt,
ein Analysesystem 65 enthält, das einen Eingang 69 besitzt, der mit dem Ausgang 61 des Filters 81 verbunden ist und einen zweiten Eingang 79 besitzt, der mit dem Eingang Ausgang 77 des Filters 75 verbunden ist, das Analysesystem 65 mindestens einen Ausgang 85 besitzt, an dem die Messergebnisse ausgegeben werden,
der Generator 43 einen zweiten Ausgang 89 besitzt, an dem die Periodenlänge T(t) des periodischen Anregungssignals als zeitlich veränderliches Signal ausgegeben wird,
das Filter 81 veränderliche Übertragungseigenschaften aufweist und einen zusätzlichen Steuereingang 53 besitzt, der mit dem zweiten Ausgang 89 des Generators verbunden ist und an dem die Periodendauer T(t) übergeben wird,
das Filter 75 veränderliche Übertragungseigenschaften aufweist und einen zusätzlichen Steuereingang 71 besitzt, der mit dem zweiten Ausgang 89 des Generators verbunden ist und an dem die Periodendauer T(t) übergeben wird,
das Analysesystem 65 veränderliche Eigenschaften aufweist und einen zusätzlichen Steuereingang 83 besitzt, der mit dem zweiten Ausgang 89 des Generators 43 verbunden ist und an dem die Periodendauer T übergeben wird,
das Analysesystem 65 einen Merkmaldetektor 93 enthält, der einen Eingang 95 und einen Ausgang 99 besitzt, der Eingang 95 mit dem Eingang 63 des Analysesystems 65 verbunden ist,
das Analysesystem 65 einen Klassifikator 117 enthält, der mindestens einen Eingang 129 und mindestens einen Ausgang 125 besitzt, der Ausgang 125 des Klassifikators mit dem Ausgang 85 des Analysesystems verbunden ist, der Eingang 129 des Klassifikators mit dem Ausgang 99 des Merkmaldetektors verbunden ist, der Merkmaldetektor 93 einen Quadrierer 163 enthält, der einen Eingang 165 und einen Ausgang 169 besitzt, der Eingang 165 des Quadrierers mit einem Eingang 95 des Merkmaldetektors verbunden ist,
der Merkmaldetektor 93 ein Hüllkurvenfilter 173 enthält, das einen Eingang 171 und einen Ausgang 177 besitzt, der Ausgang 169 des Quadrierers mit dem Eingang 171 des Hüllkurvenfilters verbunden ist, das Hüllkurvenfilter 173 zwischen seinem Eingang 171 und Ausgang 177 die Übertragungsfunktion

H (j ω) = \prod_{k = 1}^{K} δ (2 π k / T - ω)

besitzt und nur Signalanteile bei den Frequenzen f_k=k/T mit k≥1 überträgt und alle anderen Frequenzen dämpft,
der Merkmaldetektor 93 einen Spitzenwertdetektor 179 enthält, der einen Eingang 183 und einen Ausgang 181 besitzt, wobei der Ausgang 177 des Hüllkurvenfilters 173 mit dem Eingang 183 und der Ausgang 181 mit dem Ausgang 99 des Merkmaldetektors 93 verbunden ist und das Filter 75 eine Übertragungsfunktion

H_{s t o c h} (j ω) = \prod_{k = 1}^{K} (1 - δ (2 π k / T - ω))

besitzt, wobei die Signalanteile an den diskreten Frequenzen f_k=k/T 1<k<K bedämpft und alle anderen Frequenzen f ≠ f_k übertragen werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur messtechnischen Bewertung der Eigenschaften von Systemen und der Erkennung, Ortung und Klassifikation von Defekten, die die Funktionstüchtigkeit und Qualität des Systems beeinflussen. Das System kann ein beliebiges Testobjekt sein, dessen Zustand beobachtbar ist und durch Sensoren messtechnisch erfasst werden kann. Durch eine geeignete Analyse der gemessenen Signale soll ein Qualitätsdefekt erkannt und seine Position lokalisiert werden. Solche Systeme sind vor allem elektrische, mechanische und akustische Geräte (z. B. Lautsprecher), aber auch chemische, biologische oder andere technische Anlagen, bei denen zum Beispiel unbeabsichtigte Schwingungen entstehen, die Lärm erzeugen, das Material ermüden und Folgeschäden verursachen, sowie Leckstellen, an denen ein Medium unkontrolliert austritt.
STAND DER TECHNIK
Einem System (z. B. Lautsprecher) wird über eine Quelle (z. B. Verstärker) Energie zugeführt oder über einen Signaleingang (z. B. digitales Audiosignal) gesteuert. Diese Eingangsinformation wird gemessen und durch das Eingangssignal u(t) beschrieben. Der Zustand des Systems (z. B. Schalldruck) wird an verschiedenen Messstellen r_i i=1, 2, ... gemessen.
Das gemessene Signal p(t,r_i) am Ort r_i $p (t, r_{i}) = p_{det} (t, r_{i}) + p_{s t o c h} (t, r_{i})$
besteht aus einem deterministischen Signalanteil p_det(t) und einem zufälligen Signalanteil p_stoch(t). Der deterministische Signalanteil p_det(t) steht in einem streng deterministischen Zusammenhang zum Eingangssignal u(t) und lässt sich bei wiederholter Anregung des Testsystems mit dem gleichen Stimulus exakt reproduzieren. Zwischen dem zufälligen Signalanteil p_stoch(t) und dem Eingangssignal u(t) besteht kein streng deterministischer Zusammenhang, der durch eine lineare oder eine nichtlineare Übertragungsfunktion beschrieben werden kann. Die Kohärenz zwischen dem Eingangssignal u(t) und dem zufälligen Signalanteil p_stoch(t) ist gleich Null.
Der deterministische Signalanteil $p_{det} (t) = p_{l i n} (t) + p_{d i s t} (t)$
enthält einen linearen Signalbestandteil $p_{l i n} (t) = h_{l i n} (t) * u (t),$
der durch eine Faltung der linearen Gewichtsfunktion h_lin(t) mit dem Eingangssignal u(t) gebildet wird, und einen nichtlinearen Verzerrungsanteil $p_{d i s t} (t) = f_{n} {u (t)} = p_{r e g} (t) + p_{r b} (t),$
der über eine nichtlineare Funktion f_n aus der Eingangsspannung u(t) erzeugt wird.
Die Offenlegungsschrift DE 196 12981 von Thomas Wagner beschreibt eine Prüfeinrichtung für Lautsprecher. Hier werden die vom Lautsprecher reproduzierten Ausgangssignale gemessen und mit zuvor aufgezeichneten und gespeicherten Vergleichsignalen verglichen, um bei hinreichender Übereinstimmung funktionstüchtige Lautsprecher festzustellen oder bei nicht hinreichender Übereinstimmung fehlerhafte oder falsch montierte Lautsprecher zu detektieren.
Die Trennung des nichtlinearen Verzerrungsanteils von dem linearen Verzerrungsanteil kann durch nichtlineare Systemidentifikation realisiert werden. Bei Verwendung eines speziellen Testsignals, das nur relativ wenige Töne bekannter Frequenz enthält, z. B. $u (t) = U_{0} cos (ω_{0} t),$
können mit Hilfe einer Spektralanalyse entsprechend dem Stand der Technik (IEC Standard „Sound System Equipment, Part: 5 Loudspeakers“, 60268-4, 2001) die harmonischen Spektralkomponenten von den Grundschwingungen im Messsignal p(t,r₁) getrennt und zweckmäßige Verzerrungsmaße (Klirrfaktor, Intermodulationsfaktor) berechnet werden.
Das Verzerrungssignal p_dist in Gl. (4) besteht aus einem regulären Verzerrungsanteil p_reg(t) und einem exzessiven Verzerrungsanteil P_rb(t), der nur in defekten Testsystemen auftritt.
Der reguläre Verzerrungsanteil $p_{r e g} (t) = \sum_{n = 1}^{K} \int_{- \infty}^{+ \infty} \dots \int_{- \infty}^{+ \infty} h_{r e g, n} (τ_{1}, \dots, τ_{n}) u (t - τ_{1}) \dots u (t - τ_{n}) d τ_{1} \dots τ_{n}$
kann durch eine Volterra-Reihe beschrieben werden, die nach dem K-ten Glied abgebrochen wird. Die nichtlinearen Gewichtsfunktionen h_reg,n (τ₁ , ..., τ_n) n-ter Ordnung beschreiben die beabsichtigten Eigenschaften des Systems, die man bei der Entwicklung des Prototypen nicht vermeiden konnte oder zum Beispiel aus Kostengründen nicht vermeiden wollte.
Der exzessive Verzerrungsanteil $p_{r b} (t) = \sum_{n = 1}^{K} \int_{- \infty}^{+ \infty} \dots \int_{- \infty}^{+ \infty} h_{r b, n} (τ_{1}, \dots, τ_{n}) u (t - τ_{1}) \dots u (t - τ_{n}) d τ_{1} \dots τ_{n}$
wird ebenenfalls durch eine nach dem K-ten Glied abgebrochenen Volterra-Reihe beschrieben. Die nichtlinearen Gewichtsfunktionen h_reg,n (τ₁ , ..., τ_n) n-ter Ordnung beschreiben die Verzerrungen, die durch ungewollte Fehler in der Produktion entstanden sind. Exzessive deterministische Verzerrungen p_rb(t) kennzeichnen zum Beispiel das Anschlagen der Litze an der Membran und andere determinierte Lautsprecherdefekte.
In der Patentschrift DE 102 14407 „Anordnung und Verfahren zur Messung, Bewertung und Störungserkennung von Systemen“ werden die exzessiven Verzerrungen p_rb(t) von den regulären Verzerrungen p_reg(t) und dem linearen Signalanteil p_lin(t) durch adaptive Modellierung getrennt.
Stochastische Signalanteile p_stoch(t) werden durch komplizierte Vorgänge im System erzeugt, denen zum Teil über den Stimulus Energie zugeführt wird, die aber in keinem kohärenten Zusammenhang zum Stimulus u(t) stehen. Die genaue Entstehung dieses stochastischen Signalanteils p_stoch(t) wurde durch physikalische Modelle bisher nicht beschrieben.
In defekten Lautsprechern erzeugen zum Beispiel lose Fremdkörper (z. B. Metallspäne), lose mitschwingende Gehäuseteile und Strömungsgeräusche an Bassreflexöffnungen und Gehäuseleckstellen stochastische Signale p_stoch(t). All diese Defekte erzeugen ein dichtes Amplitudenspektrum, das sich über den gesamten Hörbereich erstreckt und auch im Ultraschallbereich noch erhebliche Energie enthält. Diese Eigenschaft wird zur Lecksuche in der Patentanmeldung US 4096736 mit dem Titel „Ultrasonic Leak Hole Detection Apparatus and Method“ von G. Moshier ausgenutzt. Die akustische Lecksuche hat erhebliche Vorteile gegenüber anderen Methoden, die den Druckabfall messen oder das ausströmende Medium durch Farbe, Nebel oder chemische Zusatzstoffe markieren (siehe US 6850164 „Air Leak Detection System And Method“ von C. C. Olmsted).
Die bekannten Verfahren besitzen den Nachteil, dass diese stochastischen Merkmale nicht von Umgebungslärm und Rauschen (z. B. Mikrofonrauschen) getrennt werden können. Deshalb verwendet die japanische Patentanmeldung JP 61191868 „Inspection Device“ von Nakaybu Tomoyasu zwei Mikrofone um ein Lautsprechersystem zu messen. Ein Mikrofon erfasst ausschließlich den Umgebungslärm, während das andere Mikrofon ausschließlich zur Messung des vom Lautsprecher abgestrahlten Schalls verwendet wird. Nur wenn der vom ersten Mikrofon erfasste Schalldruckpegel des Umgebungslärms einen kritischen Schwellwert nicht überschreitet, wird die Lautsprechermessung mit dem zweiten Mikrofon durchgeführt. Diese Lösung erfordert zur Separierung des Umgebungslärms eine ausreichende Dämpfung zwischen den beiden Mikrofonen, die zum Beispiel durch einen sehr großen Mikrofonabstand, hohe Richtcharakteristik der Mikrofone und durch Einhausung des Messmikrofons und des Lautsprechers realisiert werden kann.
Die Position r_s der akustischen Störquelle kann durch die gleichzeitige Messung des abgestrahlten Schallsignals p(t,r_i) an verschiedenen Messpunkten r_i mit Hilfe eines Mikrofonarrays und Korrelation der Messsignale entsprechend der Patentanmeldungen von S. H. Yonak in US 6227036 mit dem Titel „Multiple microphone photoacoustic leak detection and localization system and method“ und von D. Greene in EP 0697 586 mit dem Titel „Integrated acoustic leak detection processing system“ berechnet werden. Dieser Ansatz erfordert, dass nur das von der Leckstelle abgestrahlte Rauschsignal zur Korrelationsberechnung verwendet wird. Umgebungsgeräusche, die ebenfalls von den Mikrofonen erfasst werden, stören die Erkennung und Lokalisierung der Leckstelle.
ZIEL DER ERFINDUNG
Es ist das Ziel der Erfindung, die wesentlichen Eigenschaften eines Systems durch objektive Messungen zu erfassen, Defekte und Fehler in dem System zu erkennen und die Fehlerquelle zu lokalisieren. Für die Messung und die Lokalisierung der Fehlerquellen (z. B. Lecksuche) sollen eine minimale Anzahl von Sensoren benötigt werden. Die Informationen, die in den durch die Sensoren gemessenen Signalen p(t,r_i) enthalten sind, sollen durch eine geeignete Signalanalyse möglichst vollständig ausgenutzt und in einem Merkmalsatz zusammengefasst werden, der geringe Redundanz aufweist. Eine sichere Erkennung der Defekte soll auch bei einer sehr kurzen Messzeit T_m gewährleistet werden. Es sollen die Defekte durch Fehlerklassen beschrieben werden, die physikalisch interpretierbar sind und dem Bediener des Messgerätes Hinweise über die physikalische Ursache (z. B. Leck im Lautsprechergehäuse oder schleifende Schwingspule) geben. Das Messsystem soll auch bei Einwirkungen von externen Störungen (z. B. Umgebungslärm) defekte und funktionstüchtige Systeme sicher erkennen können. Die Anordnung soll kostengünstig und mit geringem Aufwand realisiert werden können.
ZUSAMMENFASSUNG
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine Anordnung und ein Verfahren, das den Zustand des zu messenden Systems durch periodische Zuführung von Material und/ oder Energie (z. B. elektrische Spannung am Lautsprecher oder Zuführung eines Gases in ein abgeschlossenes Volumen) verändert. Das Eingangs- und Ausgangssignal (z. B. Eingangsspannung) sowie wichtige Zustände in dem System (z. B. Membranauslenkung x(t)), und in dessen Umgebung (z. B. Schallfeld p(t,r_i)) werden mit Hilfe von Sensoren erfasst, die sich an unterschiedlichen Orten befinden. Diese Signale werden mit Hilfe von speziellen Schaltungen verarbeitet und schließlich einem Analysemodul zugeführt. Die Periodendauer T des periodischen Stimulus wird gemessen und als Information der Analyse zur Verfügung gestellt.
Entsprechend der Erfindung wird das Messsignal p(t,r_i) durch eine gezielte Vorverarbeitung in einzelne Signalkomponenten zerlegt, die dem deterministischen Signalanteil p_det(t) und einem zufälligen Signalanteil p_stoch(t) entsprechen, und primäre Merkmale extrahiert, die diese Signalanteile möglichst unabhängig beschreiben. Diese Transformation in orthogonale Merkmale erfolgt mit Hilfe von signaltheoretischen Modellen, die den Entstehungsprozess physikalisch beschreiben.
Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist die Anregung des Systems mit einem periodischen Stimulus, dessen Periodendauer T(t) sich zeitlich ändern kann. Solch ein Anregungssignal ist zum Beispiel ein Gleitsinus u(t)= U sin(2πt/T(t)) mit der zeitveränderlichen Periodendauer T(t)=αt+T₀. Der deterministische Anteil $p'_{d e t} (t, r_{1}) = \frac{1}{K} \sum_{k = 1}^{K} p (t + t_{k} + t'_{k})$

mit $t_{k} = {\begin{matrix} 0, & k = 0 \\ t_{k - 1} + T (t + t_{k - 1}), & k > 1 \end{matrix}$

und $t'_{k} = \frac{∠ H_{l i n} (j 2 π / T (t_{k})) \cdot T (t_{k})}{2 π}$

kann durch Überlagerung der periodischen Messsignale p(t,r_i) im Phasenraum der Grundschwingung geschätzt werden, wobei auch der durch die lineare Übertragungsfunktion H(jω)=F^-1 {h_lin(t)} in Gl. (3) bedingte Phasengang ∠H_lin (jω) berücksichtigt werden kann.
Wird als Stimulus ein stationärer Sinuston gewählt, dessen Periodendauer T(t)=T zeitunabhängig ist, so besitzt bei einer Gesamtmesszeit T_m=nT sowohl das Eingangsignal u(t) als auch der lineare Signalanteil p_lin(t) ein Linienspektrum mit der Grundfrequenz f₀=1/T. In diesem Fall kann der deterministische Signalanteil p'_det(t) auch durch Filterung $p'_{det} (t, r_{i}) = F^{- 1} {H_{det} (j ω)} * p (t, r_{i})$
der gemessenen Signale p(t,r_i) an den Messpunkten r_i mit i=1, 2, ... mit Hilfe eines Kammfilters mit der Übertragungsfunktion $H_{det} (j ω) = \prod_{k = L}^{K} δ (2 π k / T - ω)$
bestimmt werden, wobei für L=1 die Übertragungsfunktion H_det(jω) nur Signalanteile überträgt, die gleich der Grundfrequenz f₀=1/T und ihrer Vielfachen sind.
Die nichtlinearen Verzerrungsanteile p'_dist(t,r_i) können aus dem deterministischen Signal P'_det(t,r_i) durch eine Filterung $p'_{d i s t} (t, r_{i}) = F^{- 1} {H_{h p} (j ω)} * p'_{det} (t, r_{i})$
mit einer Hochpassfunktion H_hp(jω) geschätzt werden. Diese Hochpassfilterung kann auch direkt auf das Signal p(t,r_i) in Gl. (8) vor der Überlagerung im Phasenraum bzw. durch entsprechende Wahl von L > 1 in Gl. (10) realisiert werden.
Bei stationärer Anregung kann der stochastische Anteil p'_stoch(t,r_i) durch Filterung der gemessenen Signale p(r_i,t) an den Messpunkten r_i mit i=1, 2, ... mit Hilfe eines Kammfilters mit der Übertragungsfunktion $H_{s t o c h} (j ω) = \prod_{k = 1}^{K} (1 - δ (2 π k / T - ω))$
separiert werden, wobei H_stoch(jω) nur Signalanteile überträgt, die nicht Vielfache der Grundfrequenz f₀=1/T sind.
Im Unterschied zum Stand der Technik werden primäre Merkmale aus dem zufälligen Signalanteil p_stoch(t) gewonnen, die für Erkennung und Lokalisierung der Fehlerursachen (z. B. Lecks) verwendet werden.
Die Grundlage hierfür ist eine Zerlegung des zufälligen Signalanteils $p_{s t o c h} (t) = p_{mod} (t) + p_{l p} (t) + p_{i n d} (t)$
in einen modulierten Rauschanteil p_mod(t), einen impulsiven Signalanteil p_lp(t) und einen unabhängigen Signalanteil p_ind(t).
Ein moduliertes Rauschsignal p_mod(t) entsteht zum Beispiel durch Strömungsgeräusche an den Leckstellen eines unvollständig abgedichteten Lautsprechergehäuses. Auch das Streifen der Schwingspule an den Polplatten des Magnetspaltes erzeugt eine zufällige Komponente, die nur bei bestimmten Positionen der Schwingspule generiert wird. Das Mitschwingen von Gehäuseteilen (Blende, Gitter) und das Flattern von textilen Bespannungen an Lautsprechersystemen erzeugen ebenfalls störende Geräusche, die ein moduliertes Rauschsignal enthalten. Die Entstehung eines modulierten Rauschsignals p_mod(t) soll durch nachfolgendes Modell beschrieben werden. Das modulierte Rauschsignal am Empfangspunkt r_i $p_{mod} (t, r_{i}) = F^{- 1} {H (j ω, r_{i} | r_{s})} * q (t, r_{s})$
ergibt sich durch Faltung des Volumenflusses q(t,r_s) am Sendepunkt r_s mit der linearen Übertragungsfunktion $H (j ω, r_{i} | r_{s}) = - \frac{j ω ρ_{0}}{2 π} \frac{exp (- j ω τ_{i})}{| r_{i} - r_{s} |},$
die die Schallausbreitung vom Sendepunkt r_s zum Empfangspunkt r_i unter Freifeldbedingungen mit der Laufzeit $τ_{i} = \frac{| r_{i} - τ_{s} |}{c_{0}}$
mit der Schallgeschwindigkeit c₀ beschreibt. Der Volumenfluss $q (t, r_{s}) = n (t) \cdot x (t) = n (t) \cdot f (u (t))$
entsteht aus einem weißen Rauschsignal n(t), das durch ein Zustandssignal x(t) (z. B. Schalldruck in der Box) amplitudenmoduliert wird, wobei das Zustandssignal x(t) eine Funktion des Eingangssignals u(t) ist. Dieses Modell wird in der Erfindung messtechnisch ausgenutzt.
Lose Fremdkörper (z. B. Metallspäne) werden durch die zugeführte Energie im Eingangssignal in Bewegung versetzt und erzeugen beim Aufschlagen auf die Membran oder Schwingspule im Lautsprecher impulsive Signalanteile p_lp(t). Der genaue Zeitpunkt des Aufschlagens ist nicht vorhersagbar.
Der modulierte Signalanteil p_mod(t) und die impulsive Signalkomponente p_lp(t) verschwinden, wenn das Eingangssignal u(t) gleich Null ist oder dem System keine Energie zugeführt wird.
Dieser kausale Zusammenhang besteht nicht bei der vom Eingangssignal u(t) völlig unabhängigen Signalkomponente p_ind(t), die durch eine externe Störquelle (z. B. Umgebungslärm) oder eine im Messgerät befindliche stationäre Rauschquelle (z. B. Mikrofon) verursacht wird. Die unabhängige Signalkomponente p_ind(t) kann die Amplitude der deterministischen Komponente p_det(t) und der anderen stochastischen Signalkomponenten p_lp(t) und p_mod(t) übersteigen und somit wichtige Merkmale und Symptome für Defekte im System maskieren und die Empfindlichkeit des Messsystems erheblich vermindern.
Entsprechend der Erfindung werden Merkmale der modulierten Signalkomponente p_mod(t) durch Demodulation des stochastischen Signalanteils p'_stoch(t,r_i) bestimmt. Ein geeignetes Merkmal ist die quadrierte Hüllkurve $e {(t)}^{2} = F^{- 1} {H_{det} (j ω)} * (C \cdot p'_{s t o c h} {(r_{i}, t)}^{2})$
des modulierten Signalanteils, die im einfachsten Fall durch eine Quadrierung von p'_stoch(t,r_i) und anschließende Filterung mit der Übertragungsfunktion H_det(jω) in Gl. (10) für L=1 unter Benutzung der inversen Fouriertransformation F^-1 {}, dem Faltungsoperator * und einer Konstanten C berechnet werden kann.
Der Wechselanteil in der quadrierten Hüllkurve e(t)² bei den Frequenzen f_k=k/T mit k=1, 2, ... ist ein sicherer Indikator für den modulierten Signalbestandteil p_mod(t). Der Modulationsgrad kann durch den Spitzenwert $e_{p p} = {M a x}_{t = 0}^{T} (e {(t)}^{2}) - {M i n}_{t = 0}^{T} (e {(t)}^{2})$
der Hüllkurve beschrieben werden.
Der impulsive Signalanteil p_lp(t) und die unabhängige Signalkomponente p_ind(t) liefern nur einen geringen Beitrag zum Wechselanteil der Hüllkurve e(t)² , der durch Verlängerung der Messzeit T_m (Erhöhung der Anzahl der Perioden n) beliebig vermindert werden kann.
Durch die Verwendung von mindestens zwei Sensoren, die die Signale p(r_i,t) an verschiedenen Messpunkten r_i mit i=1, 2, ... erfassen, kann die Position der Signalquelle des modulierten Anteils p_mod(t) und des nichtlinearen Anteils p_dist(t) im Raum lokalisiert werden.
Zur Lokalisierung der nichtlinearen Signalquelle werden die beiden Signale p(r_i,t) und p(r_j,t) über jeweils ein Kammfilter mit der Übertragungsfunktion in Gl. (10) für L>1 und gegebenenfalls einem zusätzlichen Korrekturfilter geführt und die nichtlinearen Signalanteile p'_dist(r_i,t) und p'_dist(r_j,t) bestimmt. Mit Hilfe der klassischen Korrelationstechnik wird für alle möglichen Paare von Messpunkten die Laufzeitdifferenz $τ_{i, j}^{d} = arg max_{τ} E {p'_{d i s t} (r_{i}, t) p'_{d i s t} (r_{j}, t + τ)}$
unter Benutzung des Erwartungswertes E {} berechnet.
Im Unterschied zum Stand der Technik werden hierbei nicht die ursprünglichen Messsignale p(r_l,t), sondern nur die höheren harmonischen Komponenten der Grundfrequenz f₀=1/T₀ zur Korrelationsberechnung benutzt.
Zur Lokalisierung der Signalquelle des modulierten Signalanteils werden die beiden Signale p(r_i,t) und p(r_J,t) über jeweils ein Kammfilter mit der Übertragungsfunktion in Gl. (12) geführt, die deterministischen Signalanteile p_det(t) unterdrückt und die stochastischen Signalanteile p'_stoch(r_i,t) und p'_stoch(r_j,t) geschätzt. Im Unterschied zur klassischen Korrelationstechnik wird für alle möglichen Paare von Messpunkten die Laufzeitdifferenz mit Hilfe einer zweikanaligen Demodulationstechnik $τ_{i, J}^{s} = arg max_{τ} | F^{- 1} {H_{det} (j ω)} * (p'_{s t o c h} (r_{i}, t) p'_{s t o c h} (r_{j}, t + τ)) | .$
berechnet. Diese neue Demodulationstechnik in Gl. (21) unterscheidet sich von der klassischen Korrelationstechnik in Gl. (20) vor allem in dem Punkt, dass nicht der bei der Multiplikation zweier Zeitsignale p_dist(r_i,t) und p_dist(r_j,t) entstehende Gleichanteil E{}, sondern die höherfrequenten Mischprodukte auf den Frequenzen f₀=k/T₀ mit k=1, 2, ... ausgewertet werden, die durch die Multiplikation der Zeitsignale p'_stoch(r_i,t) und p'_stoch(r_J,t) gebildet werden.
Aus der Laufzeitdifferenz in den Gin. (20) und (21) kann der Einfallswinkel $α = arccos (\frac{c_{0} τ_{i, j}}{| r_{i} - r_{j} |})$
zwischen der modellierten Rauschquelle im Unendlichen und der Mikrofonebene unter Benutzung der Schallgeschwindigkeit c₀ und dem Abstand der Mikrofone berechnet werden.
Wird die gesamte Messzeit T_M=nT_o, die ein Vielfaches der Periodendauer T_o ist, genügend lang gewählt, so kann der Einfluss der unabhängigen Signalkomponente p_ind(t) und des impulsiven Signalanteils p_lp(t) auf die Merkmale, die aus der Verzerrungskomponente p_dist(t) und der modulierten Rauschkomponente p_mod(t) abgeleitet werden, durch die periodische Mittelung des demodulierten Signals beliebig unterdrückt werden. Diese Mittelung kann durch das Filter mit der Übertragungsfunktion H_der(jω) in Gl. (21) einfach realisiert werden.
Auch ohne extensive Mittelung kann durch die mehrkanalige Messung an mindestens zwei Messpunkten eine Störung der Messung durch Umgebungslärm und andere unabhängige Signalanteile p_ind(t) erkannt werden. Hierbei wird im Unterschied zum bekannten Stand der Technik in JP 61191868 nicht der Schalldruckpegel des gemessenen Störsignals p(r_l,t) mit einem Schwellwert verglichen, sondern in der vorliegenden Erfindung werden die von allen Sensoren gemessenen Signale p(r_i,t) mit i=1, 2, 3, ... zunächst einer Analyse zugeführt und abgeleitete primäre Merkmale (z. B. die Amplitude des modulierten Signalanteils) mit einem Schwellwert verglichen. Hierdurch wird die unmittelbare Störwirkung des unabhängigen Signalanteils p_ind auf die Merkmale erfasst und es kann die Gültigkeit jedes einzelnen gemessenen Merkmals getrennt und genauer untersucht werden. Im Unterschied zur japanischen Patentanmeldung 61191868 können hiermit gültige Messergebnisse in allen Merkmalen gewonnen werden, obwohl die gemessenen Signale p(r_i,t) mit i=1, 2, 3, ... durch Umgebungslärm erheblich gestört waren.
Der Einfallswinkel in Gl. (22) oder der mit Hilfe weiterer Sensoren genau bestimmte Ort der Lärmquelle kann ebenfalls zur Erkennung einer Störung genutzt werden. Signalquellen, die außerhalb des Messobjektes liegen, können externen Lärmquellen zugeordnet werden.
Gültige Merkmale, die nicht durch Umgebungslärm und andere unabhängige Signale p_ind gestört sind, werden bei jeder Messung gespeichert. Die Messung wird automatisch wiederholt, wenn für mindestens ein Merkmal noch kein störungsfreier Messwert vorliegt. Wenn alle ungültigen Merkmale der Vormessungen ersetzt wurden und ein vollständiger Merkmalsatz vorliegt, wird die Messung abgeschlossen.
Durch die lineare und nichtlineare Signalverarbeitung und die Speicherung ausschließlich gültiger Merkmale wird ein primärer Merkmalsatz erzeugt, der eine geringe Redundanz aufweist und dessen Bestandteile statistisch unabhängig sind (orthogonal). Dieser primäre Merkmalsatz wird einem Klassifikator zugeführt, der hieraus sekundäre Merkmale ableitet und das System einer Klasse (z. B. defekt oder funktionstüchtig) zuordnet. Da zwischen den primären Merkmalen und Fehlerursachen im System häufig ein direkter physikalischer Zusammenhang besteht, kann der Klassifikator durch Ausnutzung von vorhandenem a priori Wissen (eines erfahrenen Experten) entwickelt werden. Das ist insbesondere für die Erkennung von Defekten wichtig, die nur sehr selten auftreten und die mit den bekannten adaptiven Anpassverfahren (z. B. bei neuronalen Netzen) nicht gelernt werden können.
Figurenliste
Durch die folgenden Abbildungen sollen die oben genannten Ziele, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung genauer dargestellt werden:

1: Lokalisierung einer Schallquelle entsprechend dem Stand der Technik.
2: Detektion und Lokalisierung einer Fehlerursache (Beispiel: Gehäuseleck) entsprechend der Erfindung.
3: Ausführung des Analysesystems entsprechend der Erfindung.
4: Ausführung des Laufzeitschätzers entsprechend der Erfindung.
5: Alternative Ausführung des Merkmaldetektors entsprechend der Erfindung.
6: Ausführung des Klassifikators entsprechend der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNG
Stand der Technik
1 zeigt eine bekannte Technik zur Lokalisierung einer Schallquelle 1 in einem zu messenden System 3 unter Benutzung zweier Mikrofone 5 und 7 und eines Analysesystems 9. Das am Punkt r₁ gemessene Schalldrucksignal p(t,r₁) wird über den Eingang 11 dem ersten Eingang eines Multiplizierers 15 zugeführt. Das am Punkt r₂ gemessene Schalldrucksignal p(t,r₂) wird über den Eingang 13 des Analysesystems 9 dem Eingang 17 eines Verzögerungselementes 19 zugeführt, das das um die Zeit τ verzögerte Signal p(t-τ,r₂) über den Ausgang 23 dem zweiten Eingang des Multiplizierers 15 zuführt. Der Ausgang des Multiplizierers 15 wird über ein Tiefpassfilter 25 dem Eingang eines Maximalwertdetektors 27 zugeführt. Das Tiefpassfilter 25 besitzt eine sehr tiefe Eckfrequenz und schätzt den Erwartungswert E {} des Eingangssignals. Der Maximalwertdetektor 27 erzeugt am Steuerausgang 29 ein Signal, das dem Steuereingang 21 am Verzögerungselement 19 zugeführt wird und die Laufzeit τ verändert. Der Maximalwertdetektor 27 bestimmt die Laufzeitverschiebung $τ_{12} = arg max_{τ} E {p (r_{1}, t) p (r_{2}, t - τ)},$
bei der das Ausgangssignal des Tiefpasses maximal wird und die am Ausgang 33 ausgegeben wird. Ein Schallfluss q(t,r_n ) einer zweiten Störschallquelle 35 am Punkt r_n kann von dem zu messenden Schallfluss q(t,r_s) nicht getrennt werden und die Lokalisierung der Quelle am Punkt r_s beeinträchtigen.
Erfindung
2 zeigt eine Anordnung zur Messung von Systemen und gleichzeitiger Detektion und Lokalisierung der Fehlerursache am Beispiel eines Gehäuselecks 39 in einer Lautsprecherbox 37 entsprechend der Erfindung. In der Lautsprecherbox 37 befindet sich ein Wandler 41, dessen elektrischer Eingang von einem Generator 43 mit dem Stimulus u(t) über den Generatorausgang 91 gespeist wird. Der Generator erzeugt ein periodisches Signal mit der Periodendauer T₀ , das n-mal wiederholt wird, sodass eine Gesamtmesszeit T_m=nT₀ entsteht. Der Wandler 41 erzeugt in der Lautsprecherbox 37 eine periodische Schalldruckänderung, die ein Rauschsignal n(t) im Schallfluss q(t,r_s) an der Leckstelle 39 moduliert. Mit Hilfe eines ersten Sensors 45 wird das Schalldrucksignal p(t,r₁) gemessen und dem Eingang 49 des Filters 51 zugeführt. Mit Hilfe eines zweiten Sensors 47 wird das Schalldrucksignal p(t,r₂) gemessen und dem Eingang 67 eines zweiten Filters 81 und dem Eingang 73 eines dritten Filters 75 zugeführt. Alle Filter 51, 81 und 75 besitzen eine Übertragungsfunktion entsprechend Gl. (10) oder Gl. (12). Die Ausgänge 55, 61 und 77 der Filter 51, 81 bzw. 75 sind mit den Eingängen 63, 69 bzw. 79 des Analysesystems 65 verbunden. Die Periodendauer T wird am zweiten Ausgang 89 des Generators 43 erzeugt und den Steuereingängen 57, 53 und 71 der Filter 51, 81 bzw. 75 zugeführt. Eine Störquelle 90 mit dem Volumenfluss q(t,r_n) repräsentiert den Umgebungslärm, der die Messung stört. Das Analysesystem 65 erzeugt am Ausgang 85 einen Ergebnisvektor, der den Zustand des Messobjektes (z. B. Modulationsgrad) beschreibt und die Ursache (z. B. Gehäuseleck) und den Ort (z. B. obere Gehäusekante) des Problems anzeigt.
3 zeigt eine Ausführung des Analysesystems 65, das die Merkmaldetektoren 93 und 113, den Laufzeitschätzer 101 und den Klassifikator 117 enthält. Die Merkmaldetektoren 93 und 113 besitzen einen Eingang 95 bzw. 111, der mit dem Eingang 63 bzw. 79 des Analysesystems verbunden ist. An den Ausgängen 99 und 115 der Merkmaldetektoren 93 bzw. 111 wird der Modulationsgrad e_pp(r₁ ) und e_pp(r₂ ) entsprechend Gl. (19) erzeugt und den Eingängen 129 bzw. 133 des Klassifikators zugeführt.
Der Laufzeitschätzer 101 enthält die Eingänge 103 und 106, die mit den Eingängen 63 bzw. 69 des Analysesystems verbunden sind. Am Ausgang 105 wird die Laufzeitdifferenz τ^s _ij oder _τ ^d _lj und der Modulationsgrad e_pp(τ^s _ij) in einem Ergebnisvektor ausgegeben und dem Eingang 131 des Klassifikators 117 zugeführt. Die Merkmaldetektoren 93 und 113, der Laufzeitschätzer 101 und der Klassifikator 117 besitzen jeweils einen Steuereingang 97, 109, 107 bzw. 127, der mit dem Eingang 83 des Analysesystems verbunden ist, zu dem die Periodendauer T zugeführt wird. Der Klassifikator 117 besitzt die Ausgänge 125, 123, 121 und 119, die mit dem Vektorausgang 85 des Analysesystems verbunden sind.
4 zeigt eine Ausführung des Laufzeitschätzers 101 entsprechend der zweikanaligen Demodulationstechnik in Gl. (21). Durch Filterung der gemessenen Signale p(t,r_i) mit i=1, 2 mit den Filtern 51 und 81 mit der Übertragungsfunktion H_stoch(jω) entsprechend Gl. (12) ergeben sich die gefilterten Signale $\begin{array}{l} p'_{s t o c h} (t, r_{1}) = F^{- 1} {H_{s t o c h} (j ω)} * p (t, r_{1}) \\ p'_{s t o c h} (t, r_{2}) = F^{- 1} {H_{s t o c h} (j ω)} * p (t, r_{2}) \end{array}$
an den Eingängen 103 und 106. Das Signal p'_stoch(t,r_i) am Eingang 103 wird dem ersten Eingang 143 eines Multiplizierers 147 zugeführt. Das Signal p'_stoch(t,r₂) am Eingang 106 wird über das steuerbare Verzögerungselement 137 in den zweiten Eingang 141 des Multiplizierers 147 gespeist. Am Ausgang 145 entsteht das Signal $\begin{matrix} C \cdot p'_{s} (t, r_{1}) p'_{s} (t + τ, r_{2}) = x (t) n (t) x (t + τ + τ_{1} - τ_{2}) n (t + τ + τ_{1} - τ_{2}) + \dots \\ = x (t) n (t) x (t + τ - τ_{0}) n (t + τ - τ_{0}) + \dots \\ = e (t) e (t + τ) + \dots \end{matrix}$
mit der Laufzeitverzögerung τ₀=τ₂-τ₁, dessen erster Term in eine Fourierreihe $e (t) e (t + τ) = \sum_{i = 1}^{N} A_{1} (τ) cos (i ω_{0} t) + j B_{i} (τ) sin (i ω_{0} t)$
bei der Grundfrequenz ω₀=2π/T entwickelt wird. Die i-ten Koeffizienten $\begin{matrix} A_{i} (τ) = \frac{2}{T_{m}} \int_{0}^{T_{m}} cos (i ω_{0} t) p' (t, r_{1}) p' (t + τ, r_{1}) d t \\ = \frac{2}{T_{m}} \int_{0}^{T_{m}} cos (i ω_{0} t) x (t) x (t + τ - τ_{0}) d t \frac{1}{T_{m}} \int_{0}^{T_{m}} n (t) n (t + τ - τ_{0}) d t \\ + \frac{2}{T_{m}} \int_{0}^{T_{m}} cos (i ω_{0} t) n (t) n (t + τ - τ_{0}) d t \frac{1}{T_{m}} \int_{0}^{T_{m}} x (t) x (t + τ - τ_{0}) d t + \dots \end{matrix}$
und $\begin{matrix} B_{i} (τ) = \frac{2}{T_{m}} \int_{0}^{T_{m}} sin (i ω_{0} t) p' (t, r_{1}) p' (t + τ, r_{1}) d t \\ = \frac{2}{T_{m}} \int_{0}^{T_{m}} sin (i ω_{0} t) x (t) x (t + τ - τ_{0}) d t \frac{1}{T_{m}} \int_{0}^{T_{m}} n (t) n (t + τ - τ_{0}) d t \\ + \frac{2}{T_{m}} \int_{0}^{T_{m}} sin (i ω_{0} t) n (t) n (t + τ - τ_{0}) d t \frac{1}{T_{m}} \int_{0}^{T_{m}} x (t) x (t + τ - τ_{0}) d t + \dots \end{matrix}$
können unter Berücksichtigung des Theorems für die Mittelung von Produkten von Zeitfunktionen (by M. Schetzen, Appendix „Average of Product of Gaussian Variables“, in „The Volterra and Wiener Theories of Nonlinear Systems“, Robert E. Krieger Publishing Company, Malabar, 1989) in eine Summe von Produkten aufgespalten werden.
Diese Koeffizienten werden durch Minimierung der Kostenfunktion $C (τ) = \int_{0}^{T_{m}} {(e (t) e (t + τ) - p'_{s} (t, r_{1}) p'_{s} (t + τ, r_{2}))}^{2} d t \to minimum$
über die gesamte Messzeit $T_{m} = k \frac{2 π}{ω_{0}} = k T, k = 1, 2, \dots$
und Lösung des Gleichungssystems $\begin{array}{l} \frac{\partial C (τ)}{\partial A_{i} (τ)} \overset{!}{=} 0 i = 1, \dots, N \\ \frac{\partial C (τ)}{\partial B_{i} (τ)} \overset{!}{=} 0 \end{array}$
geschätzt.
Die Entwicklung der quadrierten Hüllkurve e(t)e(t+τ) in eine Fourierreihe entspricht einer Filterung. Hierzu wird der Ausgang 145 des Multiplizierers mit dem Eingang 149 eines Postfilters 151 mit der Übertragungsfunktion H_post(jω)=H_det(jω) entsprechend Gl. (10) verbunden.
Der Ausgang 153 des Postfilters 151 ist mit dem Eingang 159 eines Maximalwertdetektors 157 verbunden. Der Maximalwertdetektor erzeugt am Steuerausgang 155 eine Zeitverschiebung τ, die dem Steuereingang 133 des Verzögerungselementes 137 zugeführt wird. Einen optimalen Schätzwert τ_ij ^s für die Laufzeitdifferenz τ₀=τ₂-τ₁ erhält man für die Zeitverschiebung τ, bei der die Amplitude des Wechselanteiles in Gl. (26) maximal wird.
Somit gilt $τ_{12}^{s} = arg {M a x}_{τ = - τ_{m a x}}^{τ_{m a x}} \sum_{i = 1}^{N} (A_{i}^{2} (τ) + B_{i}^{2} (τ))$
mit $τ_{max} = \frac{| r_{1} - r_{2} |}{c_{0}}$
bzw. die äquivalente Formulierung mit Hilfe des Filters H_det(jω) in Gl. (21).
Durch Einsetzen der optimalen Laufzeitverschiebung τ=τ^s ₁₂ in Gl. (26) ergibt sich Gl. (18) für die einkanalige Demodulationstechnik. Der zweite Term in den Koeffizienten $\begin{matrix} A_{i} (τ) = \frac{2}{T_{m}} \int_{0}^{T_{m}} cos (i ω_{0} t) x {(t)}^{2} d t \frac{1}{T_{m}} \int_{0}^{T_{m}} n {(t)}^{2} d t \\ + \frac{2}{T_{m}} \int_{0}^{T_{m}} cos (i ω_{0} t) n {(t)}^{2} d t \frac{1}{T_{m}} \int_{0}^{T_{m}} x {(t)}^{2} d t + \dots \end{matrix}$
$\begin{matrix} B_{i} (τ) = \frac{2}{T_{m}} \int_{0}^{T_{m}} sin (i ω_{0} t) x {(t)}^{2} d t \frac{1}{T_{m}} \int_{0}^{T_{m}} n {(t)}^{2} d t \\ + \frac{2}{T_{m}} \int_{0}^{T_{m}} sin (i ω_{0} t) n {(t)}^{2} d t \frac{1}{T_{m}} \int_{0}^{T_{m}} x {(t)}^{2} d t + \dots \end{matrix}$
verschwindet mit zunehmender Messzeit T_m , sodass sich der geschätzte Wert e(t)² dem wahren Wert der quadrierten Hüllkurve x(t)² annähert.
Der Modulationsgrad entsprechend Gl. (19) und die optimale Laufzeitverschiebung τ^s ₁₂ werden als Ergebnisvektor am Ausgang 161 erzeugt und dem Merkmalvektor am Ausgang 105 des Laufzeitschätzers übergeben.
Die Struktur des Laufzeitschätzers 101 kann auch zur Lokalisierung einer deterministischen Signalquelle benutzt werden. Hierfür wird entsprechend Gl. (20) das Postfilter 151 nicht als Filter mit der Übertragungsfunktion H_det(jω) entsprechend Gl. (10) realisiert, sondern als Tiefpass ausgeführt und der Erwartungswert E {} berechnet. Durch die Verwendung eines Filters 51, 81 bzw. 75 mit L >>1 in Gl. (10) können hiermit auch die Quellen von regulären nichtlinearen Verzerrungen p_reg(t) und exzessiven Verzerrungen p_rb(t) lokalisiert werden.
5 zeigt die Ausführung eines Merkmaldetektors 93 entsprechend der einkanaligen Demodulationstechnik in Gl. (18). Der Eingang 95 ist mit dem Eingang 165 eines Quadrierers 163 verbunden. Der Ausgang 169 ist mit dem Eingang 171 des Postfilters 173 mit der Übertragungsfunktion H_det(jω) entsprechend Gl. (10) verbunden. Die berechnete Hüllkurve e(t)² am Ausgang 177 wird dem Eingang 183 eines Spitzenwertdetektors 179 zugeführt, der entsprechend Gl. (19) den Modulationsgrad am Ausgang 181 berechnet und dem Ausgang 99 des Merkmaldetektors zuführt.
6 zeigt eine Ausführung des Klassifikators 117, der mehrere Schwellwertkomparatoren 235, 215 und 211, zwei Halteelemente 223, 195, einen Umschalter 189 und ein Verknüpfungselement 205 enthält. Der Klassifikator 117 erkennt automatisch Messungen, die durch Umgebungsgeräusche 90 gestört werden. Hierzu wird der Sensor 47 im Fernfeld und der Sensor 45 im Nahfeld des Lautsprechers 37 positioniert. Die Ausgangssignale p(t,r₂) und p(t,r₁) beider Sensoren 47 bzw. 45 werden in den Filtern 51 bzw. 75 mit der gleichen Übertragungsfunktion gefiltert und mit Hilfe von gleichartigen Merkmaldetektoren 93 bzw. 113 ein gleichartiges Merkmal x₃(r₂ ) und x₃(r₁ ) (z. B. Modulationsgrad) für die beiden Messpunkte r₂ bzw. r₁ berechnet und an den Eingängen 129 bzw. 133 dem Klassifikator zugeführt. Das Merkmal x₃(r₂ ) am Eingang 133 wird dem Eingang 231 eines Schwellwertkomparators 235 zugeführt. Liegt das analysierte Merkmal x₃(r₂ ) unterhalb eines Schwellwertes L₃ , wurde das Merkmal x₃(r₂ ) am Messpunkt r₂ im Fernfeld durch das Umgebungsgeräusch nicht gestört, und am Ausgang 233 des Schwellwertkomparators 235 wird ein Schaltsignal erzeugt, das dem Steuereingang 227 des Halteelementes 223 zugeführt wird. Unter der Annahme, dass sich die Störquelle 90 im größeren Abstand |r_h-r_l| > |r_s-r_l| als das System 3 vom Sensor 7 am Messpunkt r_l befindet, ist somit auch das Signal x₃(r_l ) am Messpunkt r_l ungestört und das Messsignal x₃(r₁ ) am Eingang 129 wird über den Eingang 229 dem Speicher des Halteelementes 223 zugeführt und am Ausgang 225 das Signal x₂(r_l ) ausgegeben. Der Ausgang 225 ist mit dem Eingang 217 eines weiteren Komparators 215 verbunden, der das ungestörte Merkmal x₂(r_l ) mit einem Schwellwert L₂ vergleicht und das Messobjekt 37 einer Klasse zuordnet (z. B. Gehäuseleck vorhanden oder nicht). Das Merkmal x₃(r_l ) am Eingang 129 wird dem Eingang 187 eines Umschalters 189 zugeführt. Der Umschalter besitzt einen Steuereingang 185, der mit der Periodenlänge T über die Eingänge 127 und 83 vom Generatorausgang 89 gespeist wird. Durch dieses Steuersignal wird das Merkmal x₃(r₁ ) entsprechend der Periodenlänge T bzw. der Grundfrequenz f₀ über die Ausgänge 191 und 192 den verschiedenen Eingängen 193 bzw. 194 des Halteelementes 195 zugeführt. Der Merkmalvektor am Eingang 131, der zum Beispiel die Laufzeitverzögerung enthält, wird dem Halteelement ebenfalls zugeführt. Nur wenn der Schwellwertkomparator 235 über den Ausgang 233 dem Steuereingang 199 ein Schaltsignal zuführt und somit keine Störung durch Umgebungsgeräusche 90 vorliegt, werden die Merkmale an den Eingängen 193, 194, 197 im Halteelement 195 abgespeichert und an den Ausgängen 201 ausgegeben. Der Ausgang 201 ist mit dem Eingang 213 eines Schwellwertkomparators 211 verbunden, der am Ausgang 221 das Messobjekt 37 einer Klasse zuordnet, wenn das störungsfreie Merkmal x_l einen Schwellwert L_l überschreitet. Der Klassifikator 117 enthält ein Verknüpfungselement 205, das mehrere Eingänge 203, 209 besitzt, die mit den Ausgängen 201 bzw. 225 der Halteelemente 195 und 223 verbunden sind. Das Verknüpfungselement 205 kann zum Beispiel als neuronales Netz ausgeführt werden, in dem mehrere gespeicherte Merkmale über nichtlineare Funktionen verknüpft und in Ergebnisse (z. B. Klassen, Maße) transformiert werden, die über die Ausgänge 207 und 125 ausgegeben werden. Die Schwellwerte L_l mit i= 1,2, ... in den Schwellwertkomparatoren 211, 215 und 235 sowie die Parameter des Verknüpfungselementes werden aus vorhandenem Expertenwissen abgeleitet oder durch Lernverfahren bestimmt.

Claims

Anordnung zur messtechnischen Bewertung und Klassifikation der Eigenschaften eines Systems 37, dadurch charakterisiert, dass die Anordnung einen Generator 43 enthält, der einen ersten Ausgang 91 besitzt, an dem ein periodisches Anregungssignal u(t) mit der Periodenlänge T erzeugt wird und der erste Ausgang 91 mit dem Eingang des Systems 37 verbunden ist, mindestens einen Sensor 47 enthält, wobei jeder Sensor am Messpunkt r_l mit i=1, 2, ... einen Sensorausgang besitzt, der ein Signal p(t,r_l)= p_det(t,r_l) + p_stoch(t,r_i) erzeugt, das aus einem stochastischen Signal p_stoch(t,r_i) und einem deterministischen Signal p_det(t,r_l) besteht, mindestens ein Filter 81 enthält, das einen Filtereingang 67 und einen Filterausgang 61 besitzt, der Sensorausgang des Sensors 47 mit dem Filtereingang 67 des Filters 81 verbunden ist, das Filter 81 eine Übertragungsfunktion H_det besitzt, die das deterministische Signal p_det(t,r_l) vom Filtereingang 49 zum Filterausgang überträgt und das stochastische Signal p_stoch(t,r_l) bedämpft, mindestens ein Filter 75 enthält, das einen Filtereingang 73 und einen Filterausgang 77 besitzt, der Sensorausgang des Sensors 47 mit dem Filtereingang 73 des Filters 75 verbunden ist, das Filter 75 eine Übertragungsfunktion H_stoch besitzt, die das stochastische Signal p_stoch(t,r_l) vom Filtereingang 73 zum Filterausgang 77 überträgt, ein Analysesystem 65 enthält, das einen Eingang 69 besitzt, der mit dem Ausgang 61 des Filters 81 verbunden ist und einen zweiten Eingang 79 besitzt, der mit dem Eingang Ausgang 77 des Filters 75 verbunden ist, das Analysesystem 65 mindestens einen Ausgang 85 besitzt, an dem die Messergebnisse ausgegeben werden, der Generator 43 einen zweiten Ausgang 89 besitzt, an dem die Periodenlänge T(t) des periodischen Anregungssignals als zeitlich veränderliches Signal ausgegeben wird, das Filter 81 veränderliche Übertragungseigenschaften aufweist und einen zusätzlichen Steuereingang 53 besitzt, der mit dem zweiten Ausgang 89 des Generators verbunden ist und an dem die Periodendauer T(t) übergeben wird, das Filter 75 veränderliche Übertragungseigenschaften aufweist und einen zusätzlichen Steuereingang 71 besitzt, der mit dem zweiten Ausgang 89 des Generators verbunden ist und an dem die Periodendauer T(t) übergeben wird, das Analysesystem 65 veränderliche Eigenschaften aufweist und einen zusätzlichen Steuereingang 83 besitzt, der mit dem zweiten Ausgang 89 des Generators 43 verbunden ist und an dem die Periodendauer T übergeben wird, das Analysesystem 65 einen Merkmaldetektor 93 enthält, der einen Eingang 95 und einen Ausgang 99 besitzt, der Eingang 95 mit dem Eingang 63 des Analysesystems 65 verbunden ist, das Analysesystem 65 einen Klassifikator 117 enthält, der mindestens einen Eingang 129 und mindestens einen Ausgang 125 besitzt, der Ausgang 125 des Klassifikators mit dem Ausgang 85 des Analysesystems verbunden ist, der Eingang 129 des Klassifikators mit dem Ausgang 99 des Merkmaldetektors verbunden ist, der Merkmaldetektor 93 einen Quadrierer 163 enthält, der einen Eingang 165 und einen Ausgang 169 besitzt, der Eingang 165 des Quadrierers mit einem Eingang 95 des Merkmaldetektors verbunden ist, der Merkmaldetektor 93 ein Hüllkurvenfilter 173 enthält, das einen Eingang 171 und einen Ausgang 177 besitzt, der Ausgang 169 des Quadrierers mit dem Eingang 171 des Hüllkurvenfilters verbunden ist, das Hüllkurvenfilter 173 zwischen seinem Eingang 171 und Ausgang 177 die Übertragungsfunktion $H (j ω) = \prod_{k = 1}^{K} δ (2 π k / T - ω)$
besitzt und nur Signalanteile bei den Frequenzen f_k=k/T mit k≥1 überträgt und alle anderen Frequenzen dämpft, der Merkmaldetektor 93 einen Spitzenwertdetektor 179 enthält, der einen Eingang 183 und einen Ausgang 181 besitzt, wobei der Ausgang 177 des Hüllkurvenfilters 173 mit dem Eingang 183 und der Ausgang 181 mit dem Ausgang 99 des Merkmaldetektors 93 verbunden ist und das Filter 75 eine Übertragungsfunktion $H_{s t o c h} (j ω) = \prod_{k = 1}^{K} (1 - δ (2 π k / T - ω))$
besitzt, wobei die Signalanteile an den diskreten Frequenzen f_k=k/T 1<k<K bedämpft und alle anderen Frequenzen f ≠ f_k übertragen werden.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch charakterisiert, dass das Filter 81 ein Mittelungselement besitzt, das einen Eingang und einen Ausgang besitzt, das Mittelungselement eine Übertragungsfunktion $p_{det} (t, r_{1}) = \frac{1}{K} \sum_{k = 1}^{K} p (t + t_{k})$
mit $t_{k} = {\begin{matrix} 0, & k = 0 \\ t_{k - 1} + T (t + t_{k - 1}) & k > 1 \end{matrix}$
zwischen dem Signal p(t,r_l) am Eingang und am Ausgang des Mittelungselementes besitzt, und ein Hochpassfilter enthält, das einen Eingang und einen Ausgang besitzt, der Eingang 67 des Filters 81 über die Kettenschaltung von Hochpassfilter und Mittelungselement mit dem Ausgang 61 verbunden ist.
Anordnung zur messtechnischen Bewertung und Klassifikation der Eigenschaften und/ oder zur Ortung von Signalquellen eines Systems 37, dadurch charakterisiert, dass die Anordnung einen Generator 43 enthält, der einen ersten Ausgang 91 besitzt, an dem ein periodisches Anregungssignal u(t) mit der Periodenlänge T erzeugt wird und der erste Ausgang 91 mit dem Eingang des zu messenden Systems 37 verbunden ist, mindestens zwei Sensoren 45 und 47 enthält, wobei jeder Sensor einen Sensorausgang O_i mit i=1, 2, ... besitzt, die Sensoren 45 und 47 an unterschiedlichen Punkten r_i im Raum positioniert und unterschiedliche Signale p(t,r_i)= p_det(t,r_l) + p_stoch(t,r_l) am Sensorausgang ausgegeben werden, wobei jedes Signal p(t,r₁) aus einem stochastischen Signal p_stoch(t,r_i) und einem deterministischen Signal p_det(t,r_i) besteht, mindestens zwei Filter 51, 81 enthält, wobei jedes Filter K_j mit 1 ≤ j ≤ J einen Filtereingang und einen Filterausgang besitzt, der Sensorausgang O_i mit dem Filtereingang mindestens eines Filters verbunden ist, das Filter K_J eine Hochpasscharakteristik besitzt, die die Grundschwingung bei der Frequenz f=1/T(f) bedämpft und Signalanteile bei höheren Frequenzen f>1/(f) überträgt, ein Analysesystem 65 enthält, das mindestens zwei Eingänge besitzt, wobei der Ausgang jedes Filters K_j mit einem Eingang der Analysesystems verbunden ist, das Analysesystem mindestens einen Ausgang 85 besitzt, an dem die Messergebnisse ausgegeben werden, das Analysesystem 65 einen Laufzeitschätzer 101 enthält, der zwei Eingänge 103 und 106 und einen Ausgang 105 besitzt, der erste Eingang 103 mit einem Eingang 63 des Analysesystems 65 verbunden und der zweite Eingang 106 mit einem zweiten Eingang 69 des Analysesystems verbunden ist, das Analysesystem 65 einen Klassifikator 117 enthält, der mindestens einen Eingang 131 und mindestens einen Ausgang 123 besitzt, der Ausgang des Laufzeitschätzers 101 mit dem Eingang 131 des Klassifikators verbunden ist, der Ausgang des Klassifikators 117 mit dem Ausgang des Analysesystems 85 verbunden ist, der Laufzeitschätzer 101 ein steuerbares Verzögerungselement 137 enthält, das einen Eingang 135, einen Ausgang 139 und einen Steuereingang 133 besitzt, der eine Eingang 106 des Laufzeitschätzers mit dem Eingang 135 des Verzögerungselementes verbunden ist, das Signal am Eingang um eine Zeit τ verzögert am Ausgang 139 ausgeben wird, der Laufzeitschätzer 101 einen Multiplizierer 147 enthält, der zwei Eingänge 141, 143 und einen Multiplizierausgang 145 enthält, der Ausgang 139 des Verzögerungselementes mit dem ersten Eingang 141 des Multiplizierers 147 verbunden ist, ein zweiter Eingang 103 des Laufzeitschätzers mit dem zweiten Eingang 143 des Multiplizierers verbunden ist, der Laufzeitschätzer 101 ein Postfilter 151 enthält, das einen Eingang 149 und einen Ausgang 153 besitzt, wobei der Eingang 149 des Postfilters mit dem Ausgang 145 des Multiplizierers verbunden ist, der Laufzeitschätzer 101 einen Maximalwertdetektor 157 enthält, der einen Signaleingang 159, einen Steuerausgang 155 und mindestens einen Ausgang 161 besitzt, der Maximalwertdetektor am Steuerausgang 155 eine variable Zeiverzögerung τ erzeugt und dieser Steuerausgang 155 mit dem Steuereingang 133 des Verzögerungselementes 137 verbunden ist, der Maximalwertdetektor 157 am Ausgang 161 die Zeitverzögung τ_max erzeugt, die derjenigen Zeitverzögerung τ entspricht, bei der die Amplitude des Signals am Ausgang 153 des Postfilters maximal ist, der Ausgang 161 des Maximalwertdetektors mit dem Ausgang 105 des Laufzeitschätzers verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch charakterisiert, dass das Postfilter 151 zwischen Eingang 149 und Ausgang 153 eine Übertragungsfunktion $H (j ω) = \prod_{k = 1}^{K} δ (2 π k / T - ω)$
besitzt, die nur Signalanteile bei den Frequenzen f_k=k/T mit k≥1 zwischen dem Eingang und Ausgang überträgt und alle anderen Frequenzen dämpft, die Filter 51 und 81, deren Ausgänge 55 und 61 mit den Eingängen 63 und 69 des Analysesystems 65 verbunden sind, eine Übertragungsfunktion $H_{s t o c h} (j ω) = \prod_{k = 1}^{K} (1 - δ (2 π k / T - ω))$
besitzen, wobei die Signalanteile an den diskreten Frequenzen f_k=k/T mit 1<k<K bedämpft und alle anderen Frequenzen f ≠ f_k übertragen werden.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch charakterisiert, dass das Postfilter 151 veränderliche Übertragungseigenschaften und einen zusätzlichen Steuereingang 152 besitzt, der mit dem zweiten Ausgang des Generators verbunden ist und an dem die Periodendauer T übergeben wird und die Frequenzen f_k=k/T mit k≥1 verändert werden können.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch charakterisiert, dass das Postfilter 151 eine Tiefpasscharakteristik besitzt und ein gemitteltes Signal $\bar{x} (t) = \frac{1}{t_{2} - t_{1}} \int_{t_{1}}^{t_{2}} x (t) d t$
aus dem Eingangssignal x(t) am Postfiltereingang 149 berechnet und am Ausgang 153 des Postfilters ausgibt.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch charakterisiert, dass der Generator 43 einen zweiten Ausgang 89 besitzt, an dem die Periodenlänge T des periodischen Anregungssignals ausgegeben wird, das Filter K_J (51, 81 oder 75) veränderliche Übertragungseigenschaften aufweist und einen zusätzlichen Steuereingang 57, 53 bzw. 71 besitzt, der mit dem zweiten Ausgang 89 des Generators verbunden ist und an dem die Periodendauer T übergeben wird, das Analysesystem 65 veränderliche Eigenschaften aufweist und einen zusätzlichen Steuereingang 83 besitzt, der mit dem zweiten Ausgang 89 des Generators 43 verbunden ist und an dem die Periodendauer T übergeben wird.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch charakterisiert, dass der Klassifikator 117 mindestens einen Schwellwertkomparator 235 enthält, der einen Eingang 231 und einen Ausgang 233 besitzt, wobei der Eingang 231 mit dem einen Eingang 133 des Klassifikators verbunden ist und am Ausgang 233 ein Schaltsignal erzeugt wird, wenn das Merkmal x_i am Eingang 231 größer ist als ein vorgegebener Schwellwert L_l, mindestens ein Halteelement 223 besitzt, das mindestens einen Signaleingang 229, mindestens einen zugeordneten Signalausgang 225 und einen Steuereingang 227 besitzt, der Ausgang 233 des Schwellwertkomparators 235 mit dem Steuereingang 227 verbunden ist, ein weiterer Eingang 129 des Klassifikators 117 mit dem Signaleingang 229 verbunden ist, beim Auftreten eines Steuersignals am Steuereingang 227 der Momentanwert des Signals am Signaleingang 229 in einem Speicher M gespeichert und der Inhalt des Speichers am Signalausgang 225 ausgegeben wird.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch charakterisiert, dass der Klassifikator 117 einen Umschalter 189 besitzt, der einen Eingang 187, einen Steuereingang 185 und mindestens zwei Ausgänge 191, 192 besitzt, ein Eingang 129 des Klassifikators mit dem Eingang 187 des Umschalters verbunden ist, der zweite Ausgang des Generators mit dem Steuereingang 185 des Umschalters verbunden ist und die Periodenlänge T als Steuersignal für den Umschalter verwendet wird, das Signal am Eingang 187 des Umschalters entsprechend der Periodenlänge T mit einem der Ausgänge verbunden wird, ein Halteelement 195 enthält, das mindestens einen Eingang 193 besitzt, der mit dem Ausgang 191 des Umschalters 189 verbunden ist, einen Schalteingang 199 besitzt, der einen Schalter in dem Halteelement aktiviert, das das Merkmal am Eingang 193 beim Anliegen eines Schaltsignals am Schalteingang 199 in einem Speicher M abspeichert und am Ausgang 201 bereitstellt.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch charakterisiert, dass der Klassifikator 117 ein Verknüpfungselement 205 enthält, das mehrere Eingänge 203, 209 und einen Ausgang 207 besitzt, der Signalausgang 201 des Halteelementes 195 mit dem Eingang 203 des Verknüpfungselementes verbunden ist, der Ausgang 225 des Halteelementes 223 mit dem Eingang 209 verbunden ist, der Ausgang 207 des Verknüpfungselementes mit dem Ausgang 125 des Klassifikators verbunden ist, das Verknüpfungselement 205 Speicher enthält, in denen Wichtungsparameter abgelegt werden, die den Zusammenhang zwischen den Eingängen und dem Ausgang 207 bestimmen.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch charakterisiert, dass das Filter K_j (51, 81 oder 75) jeweils ein Mittelungselement besitzt, das einen Eingang und einen Ausgang besitzt, das Mittelungselement eine Übertragungsfunktion $p_{det} (t, r_{1}) = \frac{1}{K} \sum_{k = 1}^{K} p (t + t_{k}, r_{i})$
mit $t_{k} = {\begin{matrix} 0, & k = 0 \\ t_{k - 1} + T (t + t_{k - 1}), & k > 1 \end{matrix}$
zwischen dem Signal p(t,r_i) am Eingang und am Ausgang des Mittelungselementes aufweist, ein Hochpassfilter enthält, der Eingang des Filters K_l über die Kettenschaltung von Hochpassfilter und Mittelungselement mit dem Ausgang des Filters K_i verbunden ist.
Ein Verfahren zur messtechnischen Bewertung und Klassifikation der Eigenschaften eines Systems 37, dadurch charakterisiert, dass das System mit einem Stimulus zu periodischen Schwingungen mit der Periodendauer T angeregt wird, der Zustand des Systems an mindestens einem Messpunkt r_i gemessen und durch ein Signal p(t,r_i) beschrieben wird, das gemessene Signal p(t,r_l)= p_det(t,r_l) + p_stoch(t,r_i) in einen deterministischen Anteil p_det(t,r_l) und einen stochastischen Anteil p_stoch(t,r_l) zerlegt wird, der deterministische Signalanteil p_det(t,r_i) einer Hochpassfilterung unterworfen und der deterministische Verzerrungsanteil p'_dist(t,r_i) gebildet wird, der stochastische Signalanteil p_stoch(t,r_i) einer Hochpassfilterung unterworfen und der hochpassgefilterte stochastische Verzerrungsanteil p'_stoch(t,r_i) gebildet wird, Merkmale berechnet werden, die mit der Periodendauer T periodisch auftreten, wobei durch Demodulation des hochpassgefilterten, stochastischen Signalanteils p'_stoch(t,r_i) ein Merkmal bestimmt wird, das die zeitliche Variation der Hüllkurve des Signals p(t,r_i) mit der Periodendauer T(t) beschreibt.
Ein Verfahren nach Anspruch 12, dadurch charakterisiert, dass der deterministische Signalanteil $p_{det} (t, r_{1}) = \frac{1}{K} \sum_{k = 1}^{K} p (t + t_{k}, r_{i})$
mit $t_{k} = {\begin{matrix} 0, & k = 0 \\ t_{k - 1} + T (t + t_{k - 1}), & k > 1 \end{matrix}$
durch periodische Mittelung des Messsignals p(t,r_l) bestimmt wird, wobei eine zeitliche Veränderung der Periodendauer T(t) berücksichtigt wird.
Ein Verfahren zur messtechnischen Bewertung und Klassifikation der Eigenschaften, der Erkennung von Defekten und/ oder zur Ortung von Signalquellen eines Systems 37, dadurch charakterisiert, dass das System mit einem Stimulus zu periodischen Schwingungen mit der Periode T angeregt wird, der Zustand des Systems an mindestens zwei Messpunkten r_i mit i=1, ..., I mit I≥2 gleichzeitig gemessen und durch Signale p(t,r_i)= p_det(t,r_i) + p_stoch(t,r_i) beschrieben wird, wobei jedes Signal p(t,r_i) aus einem stochastischen Signal p_stoch(t,r_l) und einem deterministischen Signal p_det(t,r_l) besteht, jedes gemessene Signal p(t,r_i) mit i=1, ..., I und I≥2 einer Hochpassfilterung unterworfen und ein hochpassgefiltertes Signal p'(t,r_i) gebildet wird, wobei die Grundschwingung bei der Frequenz f=1/T(t) bedämpft und Signalanteile bei höheren Frequenzen f>1/T(t) übertragen werden, Merkmale M_S des Systems aus den gefilterten Signalanteilen durch eine Transformation A bestimmt werden, der Zustand des Systems an einem Messpunkt rk bestimmt wird, der von externen Störsignalen p_ind(t,r_k) gestört ist, Merkmale M_N der Störung aus dem Signal p'(t,r_k) mit Hilfe der gleichen Transformation A berechnet werden, die für die Berechnung der Merkmale Ms des Systems aus dem hochpassgefilterten Signal p'(t,r_i) verwendet wurden, die Merkmale M_N der Störung mit den Merkmalen M_S des Systems verglichen werden, die Merkmale M_S des Systems als gültige Merkmale M_valid und ungültige Merkmale M_invalid klassifiziert werden, die gültigen Merkmale M_valid des Systems in einem Merkmalsatz M_tot gespeichert werden, die Messung so lange wiederholt wird, bis der Merkmalsatz M_tot vollständig ist.
Ein Verfahren nach Anspruch 14, dadurch charakterisiert, dass das hochpassgefilterte Signal p'(t,r_i) von dem Messpunkt r_l gespeichert und ein um τ verzögertes Signal p'(t-τ,r_l) erzeugt wird, der zeitlich verzögerte Signalanteil p'_stoch(t-τ,r_i) mit dem hochpassgefilterten Signal p'(t,r_J) eines anderen Messpunktes r_j multipliziert wird, das Produkt p'(t-τ,r_i)p'(t,r_j) anschließend gefiltert und ein Hüllkurvensignal bestimmt wird, das ausschließlich die Grundfrequenz ω_o=1/T und ihre harmonischen Komponenten enthält, die Zeitverzögerung τ^s _l,j=τ bestimmt wird, bei der die Amplitude der Hüllkurve maximal wird.
Ein Verfahren nach Anspruch 14, dadurch charakterisiert, dass das hochpassgefilterte Signal p'(t,r_l) von dem Messpunkt r_i gespeichert und ein um τ verzögertes Signal p'(t-τ,r_i) erzeugt wird, der zeitlich verzögerte Signalanteil p'_stoch(t-τ,r_i) mit dem hochpassgefilterten Signal p'(t,r_j) eines anderen Messpunktes r_j multipliziert wird, das Produkt p'(t-τ,r_i)p'(t,r_j) anschließend mit einem Tiefpass gefiltert und ein Erwartungswert bestimmt wird, die Zeitverzögerung τ^d _i,J=τ bestimmt wird, bei der der Erwartungswert maximal wird.