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Die Erfindung betrifft eine Impulserzeugungseinrichtung zur Abgabe eines Impulses an eine Oberfläche eines Objektes sowie eine Anordnung mit einer Impulserzeugungseinrichtung.
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Bei der Schallemissionsanalyse an einem zu prüfenden Objekt werden elastische Wellen erfasst, die freigesetzt werden durch ruckartige Mikroverformungen im Inneren eines Festkörpers. Diese entstehen z. B. durch die Bildung eines Risses. Die elastischen Wellen breiten sich als Schallwelle im Festkörper aus und können auf der Oberfläche mittels piezoelektrischer Sensoren detektiert werden. Diese setzen die Schallwelle in ein elektrisches Spannungssignal um, welches für die weitere Interpretation herangezogen wird. Die Materialklasse der Faserverbundwerkstoffe zeichnet sich durch eine besonders hohe Schallemissionsaktivität aus. Bereits weit vor dem finalen Versagen des Werkstoffs werden bei Belastung zahlreiche mikroskopische Bruchvorgänge ausgelöst, welche als Schallemission aufgezeichnet werden können. Dadurch kann bereits frühzeitig die Entstehung von Schädigung im Material detektiert werden. Zur späteren Lagebestimmung eines Mikrorisses an einem zu prüfenden Objekt wird ein gleichartiges Trainingsobjekt mittels Schallemissionserfassung während der Erzeugung von Prüfimpulsen an dessen Oberfläche erfasst. Eine solche Erfassung von Prüfimpulsen über die Oberfläche des Trainingsobjektes verteilt ist aufwändig.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Impulserzeugungseinrichtung, eine Anordnung mit einer solchen und ein Verfahren vorzusehen, mit denen ein Referenzobjekt auf einfache Weise ausgemessen bzw. vermessen werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1, 7 bzw. 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß Anspruch 1 ist eine Impulserzeugungseinrichtung zur Abgabe eines Impulses an eine Oberfläche eines Objektes vorgesehen. Die Impulserzeugungseinrichtung weist auf: eine Impulsquelle zur Erzeugung eines Schall- und/oder Druckimpulses, und einen Koordinatengeber, der zumindest einen, zwei, drei, vier, 5 bis 10, 11 bis 15 oder mehr als 15 Referenzobjekte aufweist. Ein Referenzobjekt kann punktförmig (zu 'punktförmig' siehe die folgenden Anmerkungen) sein oder eine geometrische Struktur oder ein Muster (z. B. Kreis, Ring, Kreuz, Dreieck, Pyramide). Für die Positionsbestimmung wird dann eine Struktur- oder Mustererkennung angewandt. Die geometrische Struktur oder das Muster kann wiederum durch Referenzpunkte definiert sein oder durch Referenzpunkte 'mathematisch' abgebildet werden (siehe auch folgende Ausführungen).
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Die Impulsquelle kann Schall- und/oder Druckimpuls in Wechselwirkung mit einem Oberflächenpunkt des Objektes erzeugen und/oder einen Schall- und/oder Druckimpuls an einen Punkt auf der Oberfläche des Objektes abgeben. Die 'punktförmige' Abgabe des Schall- und/oder Druckimpulses ist idealisiert und aus physikalisch/technischen Gründen wird der Impuls tatsächlich über einen begrenzten Flächenbereich von der Impulsquelle an die Oberfläche des Objektes abgegeben – hierin wird jedoch zur Vereinfachung von punktförmiger Impulsübertragung oder -Anregung gesprochen. Die Impulsübertragung zum Oberflächenpunkt des Objektes erfolgt vorzugsweise unter körperlichem Kontakt zwischen der Impulserzeugungseinrichtung und dem Objekt. In Ausgestaltung kann die Impulsübertragung auch berührungsfrei bzw. kontaktlos erfolgen (z. B. als gebündelter Schallimpuls oder gepulster und/oder fokussierter Laserstrahl).
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In Ausgestaltung erzeugt die Impulsquelle den Schall- und/oder Druckimpuls derart, dass der Impuls an einer vorbestimmten Position auf der Objektoberfläche abgegeben wird. Die vorbestimmte (relative) Position bzw. die räumliche (relative) Lage der vorbestimmten Position gegenüber dem Koordinatengeber ist vorgegeben. Hier ist die relative oder vorbestimmte Position des Punktes der Abgabe des Impulses in Bezug auf die Impulserzeugungseinrichtung – genauer in Bezug auf den Koordinatengeber – gemeint, da diese Position, die mittels einer Positionserfassungseinrichtung erfassbar ist, während der Messungen mit der Position an der Oberfläche des Objektes korreliert wird. Die relative Position zwischen Koordinatengeber und der vorbestimmten Position kann fest vorgegeben sein oder veränderbar aber reproduzierbar einstellbar sein. Z. B. ist die veränderbare relative Position für einen Durchgang der Messung von Impulsen für das gesamte zu messende (Trainings-)Objekt festgelegt. Damit kann eine Positionserfassungseinrichtung (siehe unten) reproduzierbar die Lage und/oder Ausrichtung des Koordinatengebers bzw. der Referenzobjekte bestimmen und anhand dessen die Lage der Position der Impulsabgabe. Vorzugsweise ist eine Kalibrierung vorgesehen, bei der ein Referenzpunkt, dessen Lage die Positionserfassungseinrichtung exakt kennt oder erfassen kann, verwendet wird, um die Impulsabgabestelle der Impulserzeugungseinrichtung bzw. der Impulsquelle dort zu positionieren. Aus einer Bestimmung der Lage des Koordinatengebers gegenüber dem Referenzpunkt wird die relative Position der Impulsabgabestelle der Impulsquelle gegenüber dem Koordinatengeber bestimmt.
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Vorzugsweise weist die Impulsquelle ein oder mehrere der folgenden Schall- und/oder Impulselemente auf: eine Mine, die bei deren Bruch einen Schallimpuls auslöst; eine Ultraschallquelle; eine mechanische Schallquelle; eine gepulste Laserquelle; eine Druckimpulsquelle; und eine Lautsprecherquelle. Im Falle der Mine, deren Bruch den Impuls auslöst, kann die Mine aus jedem Festkörpermaterial ausgebildet sein, das bei Druckbelastung (oberhalb einer Druckgrenze) bricht. Beispiele für Minenmaterialien sind Bleistift, Graphit, Glas, Holz, Polymer, etc.
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In Ausgestaltung ist die mechanische Schallquelle eine Schlagquelle, bei der z. B. mechanische Schläge eines harten Objekts gegen ein hartes Objekt erzeugbar sind (z. B. Metall- oder Keramikteil gegen ein Metall- oder Keramikteil). Eine Druckimpulsquelle gibt einen kurzen Druckimpuls ab, vorzugsweise einen Druckimpuls eines Gases (z. B. Druckluftstoß) oder einer Flüssigkeit (z. B. wie bei Benzineinspritzung).
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Vorteilhaft sind das Referenzobjekt oder die Referenzobjekte dazu ausgelegt, eine räumliche Position und/oder räumliche Ausrichtung der Impulserzeugungseinrichtung mittels einer Positionserfassungseinrichtung zu erfassen. Die Bezeichnung 'räumliche Position und/oder Ausrichtung' umfasst vorzugsweise die Erfassung und/oder die Bestimmung des Punktes P (auch Pxyz bezeichnet), an dem der Schall- und/oder Druckimpuls an die Oberfläche abgegeben wird bzw. an dem die Impulserzeugungseinrichtung den Impuls abgibt. D. h. der Punkt P an dem unter definierten Bedingungen der Impuls auf die Oberfläche des Objektes übertragen wird, soweit der Oberflächenpunkt vorhanden ist (was z. B. bei berührungsloser Impulsübertragung nicht unbedingt gegeben sein muss).
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Gemäß einer Ausgestaltung sind ein, mehrere oder alle Referenzpunkte optische Referenzpunkte, deren räumliche Lage optisch erfassbar ist und/oder die ein optisches Reflexionssignal zur Abstandsbestimmung liefern; oder Terahertz-, Mikrowellen- oder Radiowellen-aktive oder -passive Referenzpunkte, deren räumliche Lage mittels Terahertzwellen, Mikrowellen oder Radiowellen erfassbar ist; oder akustische Referenzpunkte, deren räumliche Lage akustisch erfassbar ist und/oder die ein akustisches Reflexionssignal zur Abstandsbestimmung liefern.
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In Ausgestaltung sind der oder die Radiowellen-passiven Referenzpunkte Transponder, die auf empfangene Radiowellen reagieren, oder Radiowellen-aktive Referenzpunkte, die aktiv Radiosignale aussenden. Alternativ oder zusätzlich sind die Referenzpunkte so ausgestaltet, dass die Position und/oder Ausrichtung der Impulserzeugungseinrichtung mittels Ortung (Abstandserfassung; z. B. Sonar/Radar/Echolot/Interferometrie) und/oder mittels räumlicher Lokalisierung (z. B. Bilderkennung) erfasst wird bzw. erfassbar ist.
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Vorteilhaft weist die Impulserzeugungseinrichtung ein Ausrichtelement auf, das so gestaltet ist, dass eine Ausrichthilfe vorgesehen ist, so dass die Impulserzeugungseinrichtung unter einer vorgegebenen Ausrichtung und/oder mit einem vorgegebenen Abstand zu einem Punkt an der Oberfläche des Objektes ausgerichtet werden kann.
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Weiterhin ist eine Anordnung mit einer Impulserzeugungseinrichtung und einer Positionserfassungseinrichtung vorgesehen. Vorteilhaft ist die Impulserzeugungseinrichtung gemäß einer der oben oder nachfolgend beschriebenen Ausführungen ausgestaltet. Vorteilhaft ist die Positionserfassungseinrichtung dazu ausgelegt, die räumliche Position und/oder Ausrichtung der Impulserzeugungseinrichtung zu erfassen.
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In Ausgestaltung weist die Positionserfassungseinrichtung ein oder mehrere der folgenden Einrichtungen auf: eine Bilderfassungseinrichtung; eine stereoskopische Bilderfassungseinrichtung; eine Lasertracking-Einrichtung (z. B. eine Laser-Trackingeinrichtung); eine Interferometrie-Einrichtung; eine Radarerfassungseinrichtung; eine Ultraschallortungseinrichtung; und eine Transmitter- und/oder Receiver-Einrichtung zum Senden und/oder Empfangen von Radio-, Terahertz- oder Mikrowellen.
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Vorzugsweise weist die Positionserfassungseinrichtung eine Auswerteeinheit auf, die die Signale der Positionserfassungseinrichtung empfängt und dazu ausgelegt ist, die räumliche Position und/oder Ausrichtung der Impulserzeugungseinrichtung zu bestimmen. Die Positionserfassungseinrichtung ist dazu ausgelegt, die räumliche Position und/oder Ausrichtung des Koordinatengebers bzw. der Referenzobjekte zu erfassen. Vorteilhaft ist der Positionserfassungseinrichtung eine Auswerteeinrichtung nachgeschaltet oder in der Positionserfassungseinrichtung integriert, die dazu ausgelegt ist, durch Auswertung der Information(en) von der Positionserfassungseinrichtung die räumliche Position und/oder Ausrichtung der Impulserfassungseinrichtung zu bestimmen. Anhand der Signale oder Daten zu den Positionskoordinaten und/oder Ausrichtungskoordinaten ist die räumliche Lage des Punktes P der Berührung der Impulserzeugungseinrichtung an der Oberfläche des Objektes festgelegt. Vorzugsweise zeigen die Signale oder Daten zu den Positionskoordinaten und/oder Ausrichtungskoordinaten unmittelbar die räumlichen Koordinaten des Punktes P an.
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Vorzugsweise ist die Positionserfassungseinrichtung und/oder die Auswerteeinheit dazu ausgelegt, die Position und/oder Ausrichtung der Impulserzeugungseinrichtung synchron oder synchronisiert oder in Verbindung mit den Schallwellensignalen (oder daraus abgeleiteten Signalen – z. B. Δt) zu erfassen und aufzuzeichnen bzw. abzuspeichern. Wenn hierin 'Signale' (z. B. abgeleitete Signale) angeführt sind, so schließt dieser Begriff analoge und digitale Signale ein, wie beispielsweise Informationen und/oder Daten). Beispielsweise wird die Position und/oder Ausrichtung oder der daraus bestimmte Impulsabgabepunkt P (Pxyz) zusammen mit den synchron oder synchronisiert erfassten Schallwellenimpulsen bzw. den daraus ermittelten Laufzeiten und/oder Laufzeitdifferenzen Δtxy abgelegt (in diesem Beispiel sind xy die Indizes der Sensoren 6i, wobei Δt13 beispielsweise die Laufzeitdifferenz zwischen Sensor 1 und Sensor 3 ist). Damit wird für jeden Messpunkt Pxyz an der Oberfläche des zu vermessenden Objekts ein Datensatz angelegt, der beispielsweise für die weitere Analyse einer Berechnungseinrichtung (wie einer Einheit, die nach einem Maschinenlernverfahren arbeitet, einem Neuronalen Netzwerk, einer Mapping-Einrichtung oder einer Fuzzy-Logik) zugeführt wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung werden zur Weiterverarbeitung die Koordinaten der Position und/oder Ausrichtung von der Auswerteeinheit zur Weiterverarbeitung an eine Berechnungseinheit ausgegeben, z. B. an ein Neuronales Netzwerk.
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Vorteilhaft ist die Positionserfassungseinrichtung dazu ausgelegt, Signale oder Daten auszugeben, die die Position und/oder Koordinaten der Impulseinrichtung bei der Abgabe eines Schall- und/oder Druckimpulses angeben. In weiterer Ausgestaltung werden die Signale oder Daten von einer Berechnungseinheit (z. B. Neuronales Netzwerk) empfangen und die Berechnungseinheit ist dazu ausgelegt, eine Verknüpfung zwischen empfangenen Sensorsignalen und Oberflächenpunkten an der Oberfläche des Testobjektes zu erstellen.
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Vorzugsweise sind die Sensorsignale die Signale oder weiterverarbeitete Signale (z. B. Laufzeitdifferenzen Δt) von am zu vermessenden Objekt angeordneten Sensoren, wobei die Signale oder Daten zu den Positionskoordinaten und/oder Ausrichtungskoordinaten den empfangenen Sensorsignalen zugeordnet sind. Wie zuvor erwähnt werden die Sensorsignale oder daraus abgeleitete Größen bzw. Werte (Δt) vorzugsweise synchronisiert mit den Positionsdaten Pxyz erfasst und als Datensatz abgelegt.
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In Ausgestaltung weist die Anordnung ein zu vermessendes Objekt und zumindest einen, zwei, drei, vier, fünf, 5 bis 10, 10 bis 20 oder mehr als 10, 20 oder 30 Sensoren auf. Vorzugsweise sind der oder die Sensoren jeweils am Objekt (z. B. an dessen Oberfläche) angeordnet und sind dazu ausgelegt, eine Schallwelle an der Oberfläche des Objekts zu erfassen. Die Sensoren können an der Oberfläche des zu vermessenden Objekts angeordnet sein oder in das zu vermessende Objekt eingebettet sein. In vorteilhafter Ausgestaltung weist das zu vermessende Objekt keine Positionsmarkierungen an der Oberfläche auf.
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Weiterhin ist ein Verfahren zum Erfassen der Oberflächenposition der Erzeugung eines Schall- oder Druckimpulses bei einem zu vermessenden Objektes vorgesehen. Das Verfahren weist die Schritte auf: Abgabe eines Schall- oder Druckimpulses an einer Position Pxyz an der Oberfläche oder im Volumen (bei eingebetteten Sensoren) des zu vermessenden Objektes mit einer Impulserzeugungseinrichtung; Erfassung der räumlichen Position und/oder Ausrichtung der Impulserzeugungseinrichtung mit einer Positionserfassungseinrichtung; Erfassung von Schallwellen mit einem oder mehreren Sensoren, wobei sich die Schallwellen ausgelöst durch einen Schall- oder Druckimpuls am zu vermessenden Objekt von der Position P bis zu dem oder den Sensoren ausbreiten; und Aufzeichnen der erfassten Schallwellen oder von Daten oder Signalen Δt entsprechend der Schallwellen unter Zuordnung zu der erfassten räumlichen Position und/oder Ausrichtung.
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Beim Verfahren umfasst vorzugsweise die zeitliche Reihenfolge der Erfassung der räumlichen Position und/oder Ausrichtung und der Abgabe des Impulses: 'gleichzeitige' oder parallele Abgabe und Erfassung; oder Erfassung kurz vor Abgabe des Impulses oder Erfassung kurz nach Abgabe des Impulses. Falls eine zeitversetzte Abgabe/Erfassung erfolgt, ist der Zeitversatz so kurz bemessen, dass die Position und/oder Ausrichtung der Impulsabgabeeinrichtung zwischen Impulsabgabe und Positionserfassung unter regulären Bedingungen nicht verändert wurde. D. h. die Bewegungsgeschwindigkeit einer Person, die die Impulserzeugungseinrichtung an verschiedenen Positionen platziert ist gering im Vergleich zur Zeitspanne zwischen Impulsabgabe und Datenaufnahme oder umgekehrt.
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Die erfasste und/oder aufgezeichnete räumliche Position und/oder Ausrichtung ist vorzugsweise die (durch Weiterverarbeitung oder Auswertung) ermittelte Position Pxyz der Abgabe des Impulses.
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Vorzugsweise ist die bei der Anordnung und/oder bei dem Verfahren verwendete Impulserzeugungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorhergehenden Beschreibung, gemäß den Ansprüchen und/oder gemäß einem oder mehreren Merkmalen der detaillierten Beschreibung ausgestaltet.
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Vorzugsweise sind die beim Verfahren und/oder bei der Anordnung verwendete Positionserfassungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorhergehenden Beschreibung, gemäß den Ansprüchen und/oder gemäß einem oder mehreren Merkmalen der detaillierten Beschreibung ausgestaltet.
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Die oben offenbarten Merkmale der Erfindung sind untereinander in jeder Kombination oder Unterkombination kombinierbar, insbesondere sind Verfahrensmerkmale mit Vorrichtungsmerkmalen (oder umgekehrt) in jeder Kombination oder Unterkombination kombinierbar. Darüber hinaus sind die oben oder in den Ansprüchen offenbarten Merkmale oder Merkmalskombinationen mit jedem Merkmal der unten beschriebenen detaillierten oder grundlegenden Beschreibung einzeln oder in beliebigen Unterkombinationen kombinierbar.
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Anhand von Figuren werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Die Figuren zeigen:
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1 eine Messanordnung zur Ermittlung von Mikrorissen,
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2 eine Trainingsanordnung zur Erzeugung von Oberflächenimpulsen an vorgegebenen Positionen,
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3 eine schematische Darstellung eines Neuronalen Netzwerks mit Ein- und Ausgängen zum Trainieren,
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4a Auslösung eines Mikrorisses an einem Serienmuster in einer Messanordnung,
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4b Auswertung und Darstellung der Mikroriss-Position unter Verwendung eines Neuronalen Netzwerks,
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5 eine Trainingsanordnung zur Erzeugung von Oberflächenimpulsen an vorgegebenen Positionen an einem komplexen Testmuster unter Verwendung einer herkömmlichen Impulsquelle,
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6 eine verbesserte Impulsquelle mit Raummarkierungen, und
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7 eine Trainingsanordnung zur Erzeugung von Oberflächenimpulsen unter Verwendung der Impulsquelle von 6.
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1 veranschaulicht eine Standardvorgehensweise in der Schallemissionsanalyse, bei der eine Messanordnung zur Ermittlung von Mikrorissen zum Einsatz kommt. Bei der Messanordnung sind mehrere Sensoren 6 auf einem Messobjekt 2 (z. B. Prüfkörper oder Serienmuster) befestigt. Die Anordnung dient dazu, im Messobjekt 2 während der Prüfung entstehende Mikrorisse 4 zu erfassen. Die Mikrorisse 4 entstehen aufgrund von spontanen Materialänderungen und sind geeignet, im Material und/oder an der Oberfläche des Messobjekts 2 Schallwellen auszulösen. Als 'Mikrorisse' werden hier neben Rissen und Mikrorissen auch Materialversetzungen oder -deformationen bezeichnet.
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Die hervorgerufenen Schallwellen werden mittels der Sensoren 6 erfasst. Zur Signalerfassung kann ein Sensor eingesetzt werden, der beispielsweise eine räumliche Auflösung anhand des Zeitverlaufs der ankommenden Schallwellen und/oder anhand einer räumlichen Auflösung der Richtung, aus der die Schallwellen ankommen, und/oder anhand einer zeitlichen Auflösung von Reflektionen der Schallwellen an Grenzflächen des Messobjekts 2 aufnimmt. Vorteilhaft werden bei der Anordnung (siehe Ausführungen wie folgt beschrieben) mehrere Sensoren 6 verwendet, vorzugsweise werden 2, 3, 4, 5, 6 bis 10, 10 bis 15, 15 bis 20, 20 bis 100, 100 bis 200 oder mehr als 100 oder 200 Sensoren 6 verwendet. Insbesondere bei komplexen flächigen oder 3-dimensionalen Strukturen des Messobjekts 2 (und folglich des Testmusters 20) ist die Verwendung von mehreren Sensoren 6 bevorzugt, da an den verschiedenen Schallwellen-Messpositionen der zeitliche und/oder räumliche Schallwellenverlauf sehr komplex sein kann aufgrund von Mehrfachreflektionen und/oder aufgrund einer inhomogenen Schallausbreitung (beispielsweise in faserverstärkten Materialien).
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Der bzw. vorzugsweise die Sensoren 6 sind bei den Messanordnungen beispielsweise auf der Oberfläche des Messobjekts 2 mittels eines oder mehreren der folgenden Haltemitteln befestigt: mittels Klebstoff, mittels wiederlösbaren Haftmitteln (Tape-Plättchen), mittels Schalltransmissions-Gel (Ultraschall-Gel), mittels mechanischer Anpress-Halterungen, oder mittels Saugnäpfen. Jeder der Sensoren kann ein oder mehrere der folgenden Elemente aufweisen: ein Mikrofon, ein Piezo-Schwingungsaufnehmer, ein Laserinterferometer (insb. Laservibrometer) bzw. Laser-basierte Sensoren, EMATs (electromagnetic-acoustic transducers) und ein Mikro-Gyroskop.
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Jedenfalls kommt es auch bei einfachen Strukturen des Messobjekts 2 aufgrund der unterschiedlichen Distanz einer Schallquelle (Mikroriss 4) zu den Sensoren 6 und selbst bei gleichförmiger Ausbreitungsgeschwindigkeit zu einer Laufzeitdifferenz Δt bezüglich der Ankunftszeit des Signals an den einzelnen Sensoren. In 1 sind die verschiedenen Laufzeiten t1, t2, t3 anhand der unterschiedlichen Länge der Pfeile ausgehend vom Mikroriss 4 dargestellt.
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Für einfache Geometrien (Platten, Stäbe, Kugeln, Zylinder, Quader, ...) stehen analytische Algorithmen zur Verfügung, die auf Basis der verschiedenen M-Werte eine rekursive Berechnung des Quellortes erlauben [
Grosse C., Ohtsu M.: "Acoustic Emission Testing in Engineering – Basics and Applications", Springer (2008);
Sause M. G. R.: "In Situ Monitoring of Fiber-Reinforced Composites", Springer International Publishing, Cham (2016)]. Für bestimmte Werkstoffklassen (beispielsweise bei Faserverbundwerkstoffen) gerät die Genauigkeit dieses rekursiven Berechnungsverfahrens an seine Grenzen, zumal die Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Regel anisotrop (d. h. richtungsabhängig) ist und viele Strukturbauteile mit einfachen Geometrien nicht hinreichend genau approximiert werden können. Ein Lokalisierungsverfahren auf Basis von neuronalen Netzwerken kann hier Abhilfe schaffen [
Kalafat, S., Sause, M. G. R.: "Localization of Acoustic Emission Sources in Fiber Composites Using Artificial Neural Networks", In: 31st Conference of the European Working Group on Acoustic Emission. pp. 1–8., Dresden, Germany (2014)].
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2 veranschaulicht hierzu eine Trainingsanordnung zur Erzeugung von Oberflächenimpulsen an vorgegebenen (Impuls-)Positionen 10 (Punkt Pxy). In 2 ist zur Vereinfachung das Testmuster 20 flächig dargestellt. Auf der (vereinfacht dargestellten) Oberfläche ist ein Raster vorgesehen, an dessen Schnittstellen Pxy jeweils ein Oberflächenimpuls 10 auszulösen ist. Dargestellt ist die Auslösung eines Impulses 10 am vorgegebenen Punkt Pkl (stellvertretend für alle Pxy), von dem sich der ursprüngliche Impuls 10 als Schallwelle im Material und an der Oberfläche ausbreitet, wie durch die konzentrischen Kreise und Pfeile symbolisiert. Die auf dem Testmuster 20 angeordneten Sensoren 6 nehmen mit entsprechendem Zeitversatz zum Zeitpunkt ti das Schallwellensignal auf, das vorzugsweise in elektrischer Form einer Signalverarbeitungseinheit 30 (5) zugeführt wird.
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Zur Erzeugung des Impulses
10 wird beispielsweise eine Testquelle (z. B. Hsu-Nielsen Quelle nach
ASTM E 976, Bleistiftminenbruch [
"Standard Guide for Determining the Reproducibility of Acoustic Emission Sensor Response" ASTM Intl', Designation: E976-10]) verwendet, um auf der Oberfläche des Testmusters
20 ein Testsignal auszulösen. Diese Testwelle wird an mehreren Sensoren
6 detektiert und die zugehörigen Δt-Werte berechnet. Dieser Schritt wird jeweils an unterschiedlichen Positionen Pxy (x, y variieren) wiederholt, bis eine ausreichende Abdeckung von Stützpunkten Pxy auf der Oberfläche des Testmusters erhalten wurde. Bei diesen Messungen muss zu jeder Erfassung eines Impulses
10 die jeweilige Position Pxy erfasst werden, wobei die Positionskoordinaten x und y manuell den Messwerten hinzugefügt werden müssen. Unter Kenntnis der Zugehörigkeit der Ortsposition Pxy der Impulsquelle
34 (
5, z. B. Hsu-Nielsen Quelle) und der Δt-Werte wird ein in
3 schematisch dargestelltes neuronales Netzwerk
16 trainiert.
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3 zeigt in schematischer Darstellung das Neuronalen Netzwerk 12 mit:
- – einer Ebene 14 von Eingängen, wobei als Eingangssignal (Trainingssignal) für jede Impulsposition Pxy die Laufzeitdifferenzen Δtnm jedes Sensors 6 zu den anderen Sensoren eingegeben wird,
- – einer Ebene 18 von Ausgängen x, y, z, wobei in der Trainingsphase je ein Ausgang eine Positionskoordinate einer Impulsposition Pxyz entspricht (hier ist ein 3-dimensionales Objekt angenommen, bei dem die vorgenannte Impulsposition Pxy dann mit dem zugehörigen z-Wert als 3-D Position Pxyz angelegt wird), und
- – einer oder mehreren Ebenen 16 von Knoten, in denen beim Trainieren die Gewichtungsfaktoren bestimmt werden und beim Auswerten angewendet werden.
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4a und 4b veranschaulichen die Anwendung des zuvor am Testmuster 20 trainierten Neuronalen Netzwerks 12 bei einem Stresstest eines Messobjekts 2 (beispielsweise ein zu prüfendes Serienmuster) der Anordnung von 4a. Der Stresstest kann ein oder mehrere der folgenden Belastungen des Messobjekts 2 umfassen: eine mechanische Belastung, eine Vibrationsbelastung, eine Druckbelastung (auch Druckänderung), eine Luft-Strömungsbelastung, eine elektrostatische Belastung, und eine thermische Belastung (z. B. extreme Temperatur und/oder Temperaturänderung).
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Nach der Trainingsphase und zum Bauteiltest (z. B. Bauteile aus der Serienfertigung) wird das Bauteil 2 belastet und die Schallemission von Bruchvorgängen werden von der Signalverarbeitungseinheit 30 aufgezeichnet und (soweit ein Neuronales Netzwerk 12 zur Anwendung kommt) es werden die Laufzeitdifferenzen Δtnm berechnet (4a). Die Anwendung des trainierten neuronalen Netzwerkes 12 auf die so erhalten Δtnm-Werte ermöglicht eine präzise Ortung der Schallemissionsquelle (z. B. Mikroriss 4) mit der Möglichkeit zur Interpolation zwischen den Stützstellen der Testquellpositionen. Die Koordinaten des Mikrorisses 4 werden vom Netzwerk 12 an einen Computer als Ausgabeeinheit 32 (kann mit 30 kombiniert sein) ausgegeben, der beispielsweise ein Display aufweist, mit dem die Messanordnung von 4a als 'virtuelle' Messanordnung dargestellt werden kann (vgl. 4b).
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Durch die Ausübung des Stresstests wird, wie in
4a mittels des Punktes dargestellt, ein Mikroriss
4 ausgelöst, der sich im Messobjekt
2 ausbreitet und dessen Schallwellen mit den Sensoren
6 erfasst werden. Die Signale Δtnm der Sensoren werden in das Netzwerk
12 eingegeben (Eingangsebene
14) und als Ausgabe wird die Position x, y, z ausgegeben, bei der der Mikroriss
4 (mit hoher Wahrscheinlichkeit) aufgetreten ist.
4b veranschaulicht diese Auswertung beispielhaft mittels Darstellung der (virtuellen) Mikroriss-Position
4a unter Verwendung der mittels des Neuronalen Netzwerks
12 ermittelten Koordinaten x, y, z. Beispielsweise wird auf einem Bildschirm das Testmuster
20, an dem der Stresstest durchgeführt wurde, als virtuelles Muster
22 dargestellt und dort die Lage und/oder die Koordinaten des virtuellen Mikrorisses
4a angezeigt. Optional und zur Kontrolle kann auch die Lage der Sensoren
6 am Muster
22 als virtuelle Sensoren
6a angezeigt werden. Bei 3-dimensionalen Objekten ist es dabei auch möglich, einen Mikroriss zu lokalisieren, der nicht auf oder nahe der Oberfläche des Messobjekts
2 entstanden ist, da trotz der Oberflächen-Impulsauslösung beim Trainieren, eine räumliche Interpolation durch das trainierte Netzwerk ermöglicht wird. In [
Kalafat S., Sause M. G.: "Acoustic emission source localization by artificial neural networks", Struct. Heal. Monit. 14, 633–647 (2015)] wurde zudem gezeigt, dass die Genauigkeit der Ortung durch Neuronale Netzwerke bereits die Grenzen der erwarteten Genauigkeit einer Δt-basierten Ortung erreicht.
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5 zeigt eine Trainingsanordnung zur Erzeugung von Oberflächenimpulsen an vorgegebenen Positionen an einem komplexen Testmuster 20 unter Verwendung einer herkömmlichen Impulsquelle 34 (Hsu-Nielsen Quelle/ASTM E 976). Die herkömmliche Impulsquelle 34 ist ein Druckbleistift 36 (Minenschreiber) mit normierter Mine 38. Um vor dem Bruch der Mine 38 einen definierten Impuls auf die Oberfläche des Messobjekts 2 bzw. Trainingsobjekts 20 auszuüben, ist auf die Spitze des Druckbleistifts 36 ein normierter Aufsatz 40 aufgesetzt, der einen Winkel der Mine bei vorgegebener Länge der Mine außerhalb der Minenführung vorgibt. Der Schallwellenimpuls wird durch die schlagartige Entlastung der Oberfläche beim Bruch der Mine ausgelöst.
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Wie durch die Trainingsimpulsmarkierungen P angedeutet, ist es bei der herkömmlichen Anordnung erforderlich an der Trainingsstruktur reproduzierbar und definiert Punkte Pxyz festzulegen und diese durchzumessen. Bei der Anwendung des Verfahrens liegt daher ein kritischer Punkt in der genauen Bestimmung der Ortskoordinate Pxyz der Testquelle 34. Bisher wurden hierzu Markierungen (Kreuze in 5) auf der Bauteiloberfläche (Trainingsobjekt 20) vorgenommen und diese anschließend vermessen und zu einem (virtuellen) 3D-Objekt kombiniert. Der dadurch entstehende Fehler ist zwar akzeptabel, jedoch wird die Oberfläche kontaminiert und die Zuordnung der (nachträglich) gemessenen Ortskoordinaten mit den zugehörigen Wellen ist in der Praxis stark fehlerbehaftet. Dies liegt vor Allem an der schwierigen Systematik, eine solche Stützpunktezahl Pxyz (typischerweise einige 100 bis 1000) über eine beliebig gekrümmte Oberfläche zu verteilen.
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6 zeigt eine verbesserte Impulsquelle 50 mit Raummarkierungen bzw. Referenzpunkten 54, deren Lage an der Impulsquelle 50 bekannt ist. Im dargestellten Beispiel sind die Referenzpunkte 54 in einem Bereich der Impulsquelle 50 angeordnet, der als Koordinatengeber 52 wirkt. Die Lage der Referenzpunkte 54 zur 'Spitze' der Impulsquelle 50, mit der die Oberfläche des Objekts 20 berührt wird, ist bekannt. Beim dargestellten Beispiel, bei dem die Impulsquelle 50 einen als Druckbleistift wirkenden Bereich 56 aufweist, ist die Spitze die Spitze der Mine 38, die mit definierter Länge aus der Minenführung des Druckbleistifts 56 hervorsteht (vgl. ASTM E 976) und entspricht in 6 dem Testpunkt bzw. der Impulsposition P. Bei der Erzeugung eines Test- bzw. Trainingsimpulses entspricht die Impulsposition P vorzugsweise der Spitze bzw. dem Impulsabgabepunkt der Impulsquelle 50. In 6 ist beispielhaft der Abstand D der Spitze P zu einer Linie (strichpunktiert) dargestellt, die durch fünf auf einer Linie liegenden Referenzpunkte 54 aufgespannt ist.
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Vorzugsweise umfasst die Impulsquelle einen Druckbleistift oder stellt die Funktion eines Druckbleistifts 56 bereit. Im Falle der Integration eines Druckbleistifts oder dessen Funktion weist die Impulsquelle 50 vorzugsweise auch einen Aufsatz (vgl. z. B. einen Aufsatz 40 bzw. Konus nach ASTM E 976) auf, mittels dessen eine definierte Lage und/oder Winkelstellung der Quelle 50 relativ zur Oberfläche des Testmusters 20 einstellbar ist. Der Aufsatz 40 ist bei der Quelle 50 auch unabhängig von der Verwendung eines Druckbleistifts 56 verwendbar, beispielsweise wenn die Impulsquelle keine Mine 38 ist. In Ausgestaltung kann die Impulsquelle 50 anstelle des Druckbleistifts 56 eine oder mehrere der folgenden Schall- und/oder Impulsquellen aufweisen: eine Ultraschallquelle (Ultraschalltransmitter), eine mechanische Schallquelle (beispielsweise Massen, die z. B. unter Federvorspannung aufeinandertreffen, oder eine Masse in der Quelle 50, die gegen die Oberfläche beschleunigt wird), eine Laserquelle (die z. B. mittels Laserimpulses einen Oberflächenimpuls auslöst), eine Druckquelle (die z. B. schlagartig einen Druckimpuls abgibt, der sich auf die Oberfläche überträgt oder dort auftrifft), und eine Lautsprecherquelle (die z. B. einen Schallimpuls auf die Oberfläche konzentriert). In all diesen Fällen ist vorzugsweise die Position, unter der der Impuls auf die Oberfläche auftrifft, relativ zu den Referenzpunkten 54 bekannt.
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Vorzugsweise weist der Koordinatengeber 52 zumindest oder genau 2, 3, 4, 5, 6, 7 bis 10, 11 bis 20 oder mehr als 10 oder 20 Referenzpunkte 54 auf. Ein Referenz'punkt' 54 ist vorzugsweise ein Punkt (0-dimensional) oder hat ein definiertes 'Zentrum' (so dass er in einem Erfassungssystem als 'Punkt' definierbar ist). Wie oben bereits erwähnt, ist ein 'Punkt' nicht als mathematischer Punkt zu verstehen, sondern eher als begrenzte Fläche oder Stelle. Bei der Positionsbestimmung ist natürlich eine möglichst punktgenaue Bestimmung der Lage eines solchen 'Punktes' in Hinsicht auf eine hohe Auflösung wünschenswert.
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In Ausgestaltung kann ein Referenz'punkt' in Hinsicht auf dessen Lageerfassung ein ein-, zwei- oder dreidimensionales Objekt sein, das eine Ausdehnung in einer Richtung (Strich) oder zwei Dimensionen (flächig) oder in 3 Dimensionen (Volumen) hat. In diesen Fällen wird im Sinne der Erfindung ein solcher ausgedehnter Referenzpunkt wie folgt verstanden:
- – Eindimensional (Strich) entspricht zumindest 2 Referenzpunkten 54 (die einen Strich bzw. eine Gerade aufspannen).
- – Zweidimensional (flächig (z. B. auch Kurvenabschnitt, Kreis, Ellipse etc.) entspricht zumindest 3 Referenzpunkten (die eine Fläche aufspannen).
- – Dreidimensional (volumig, z. B. Pyramide) entspricht zumindest 4 Referenzpunkten (die ein Volumen aufspannen).
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D. h. obwohl beim Ausführungsbeispiel auf Referenzpunkte 54 Bezug genommen wird, kann der Koordinatengeber 52 anstelle oder zusätzlich zu den Referenzpunkten ein oder mehrere eindimensionale und/oder zweidimensionale und/oder dreidimensionale Referenzobjekte z. B. in Form von Muster oder geometrischen Strukturen aufweisen, die physikalisch bzw. mathematisch zum Zwecke der Koordinatenbestimmung als 2 und/oder 3 und/oder 4 Referenzpunkte behandelt werden können. Insbesondere kann die Positionsbestimmung dann eine Muster- oder Strukturerkennung mit umfassen. Ein solches 'Muster' kann die Form des Koordinatengebers 52 an sich sein.
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In weiterer Ausgestaltung sind bei einer räumlichen Erfassung der Referenzpunkte 54 (vgl. Stereokamera 60) die Referenzpunkte 54 auf einer Geraden angeordnet und/oder es sind zumindest zwei Referenzpunkte 54 am Koordinatengeber 52 angeordnet. Die Referenzpunkte 54 können aber auch zweidimensional oder dreidimensional am Koordinatengeber 52 angeordnet sein und/oder es sind zumindest drei oder vier Referenzpunkte vorgesehen. In weiterer Ausgestaltung sind bei einer zweidimensionalen Erfassung der Referenzpunkte 54 (z. B. Kamera mit nur einem Sichtfeld 64) die Referenzpunkte 54 zweidimensional angeordnet und/oder es sind mindestens 3 Referenzpunkte vorgesehen. Die Referenzpunkte können in dieser Ausgestaltung aber auch dreidimensional am Koordinatengeber 52 angeordnet sein und/oder es sind zumindest vier Referenzpunkte vorgesehen.
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Bei der in 7 dargestellten Trainingsanordnung werden die Referenzpunkte 54 optisch mit der Stereokamera 60 erfasst. Wie bereits erwähnt können die (vorzugsweise mindestens zweidimensional angeordneten – s. o.) Referenzpunkte 54 optisch auch mit einer nicht-stereoskopischen Kamera erfasst werden. Die optische Erfassung kann mittels Bilderfassung und -auswertung erfolgen oder mittels interferometrischer Abstandserfassung und/oder Abstandserfassung über die Laufzeit eines (Laser-)Signals. In weiterer Ausgestaltung kann die Lage der Referenzpunkte 54 elektromagnetisch erfasst werden (z. B. mittels Terahertz-, Mikrowellen- oder Radiowellen und/oder in Form einer Transponder/Transmitter/Receiver-Anordnung) oder mittels Ultraschallortung (Fledermaus- oder Radarortung, wobei vorzugsweise die Referenzpunkte als 'Katzenaugen' ausgebildet sind).
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7 zeigt eine Trainingsanordnung zur Erzeugung von Oberflächenimpulsen unter Verwendung der Impulsquelle von 6. Hierbei ist eine Stereokamera 60 vorgesehen, die zwei Objektive 62 und folglich zwei Sichtfelder 62 aufweist. Damit kann die Stereokamera 60 die räumliche Lage des Koordinatengebers 52 erfassen, um daraus die räumliche Lage der Spitze (vgl. P in 6) der markierten Impulsquelle 50 zu bestimmen. Die Kamera 60 liefert die erfassten Bilder zu einer Auswerteeinheit (nicht dargestellt), die aus den erfassten Bildern die räumliche Lage der Referenzpunkte 54 bzw. des Koordinatengebers 52 ermittelt und daraus wiederum die räumliche Lage der Spitze P. Die Koordinaten des Punktes (der Spitze) werden beispielsweise an das Neuronale Netzwerk 12 übermittelt. In Ausgestaltung wird die Stereokamera 60 ebenfalls dazu verwendet, die Oberfläche des Testmusters 20 und damit die Geometrie des Testmusters zu vermessen. Weiter bevorzugt wird die Stereokamera in Verbindung mit der Auswerteeinheit dazu verwendet, die Lage der am Testmuster 20 angeordneten Sensoren 6 zu erfassen und/oder bei dem zu testenden Messobjekt 2 (Prüfmuster) die korrekte Lage der Sensoren am Messobjekt zu überprüfen bzw. zu verifizieren, so dass keine Fehlmessungen auftreten können.
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Wird in der Trainingsanordnung von 7 ein Impuls ausgelöst (z. B. durch Bruch der Mine 56), so kann zu diesem Zeitpunkt und/oder kurz danach und/oder kurz davor (manuell) ein Impuls ausgelöst werden, der der Auswerteeinheit signalisiert, dass zu diesem Zeitpunkt die Lage der Spitze P zu bestimmen ist, so dass dem Netzwerk 12 zu den von der Auswerteeinheit 30 erhaltenen Laufzeitdifferenzen Δtnm eine Ortskoordinate Pxyz der Position der Impulsauslösung auf der Oberfläche des Objekts 20 übermittelt werden kann.
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Die Neuerung der Anordnung bzw. des Verfahrens besteht in der direkten (online-)Erfassung der Ortskoordinate Pxyz der Test- bzw. Impulsquelle 50 bei der Erzeugung der Testwelle und die damit verbundene zeitsynchrone Aufzeichnung der Schallemissionswellen. Vorzugsweise wird zur Erfassung der Position Pxyz ein System aus Erfassungseinheit (hier Stereokamera 60) und Auswerteeinheit (hier zur Bildauswertung und Koordinatenbestimmung P) eingesetzt, das an sich zur taktilen Vermessung von Oberflächen von Objekten Verwendung findet und die eine ausreichend hohe Genauigkeit für diese Messaufgabe besitzen. Dieses System wird erweitert durch die Kombination einer Schallemissions-Testquelle 50 (z. B. Hsu-Nielsen Quelle) mit optisch reflektierendem Markern (Koordinatengeber 52) zur Ortserfassung und -bestimmung des Punktes Pxyz. Hierbei wird vorzugsweise eine Software verwendet, die dazu ausgelegt bzw. konfiguriert ist, einerseits die gemessene Ortskoordinate P zu erfassen, und andererseits diese direkt mit den synchron oder zumindest zusammenhängend gemessenen Signalen (t1, t2 und/oder Δtnm) zu verknüpfen. Diese Daten werden dann für die Beschreibung eines symbolischen Zusammenhangs in Form eines Datensatzes z. B. durch die Signalverarbeitungseinheit 30 abgelegt.
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Der Vorteil besteht in der deutlich verringerten Fehleranfälligkeit bei der Anwendung der Trainingsmethode. In bisherigen Experimenten kam es mehrfach zu falschen Zuordnungen, was erheblichen Einfluss auf die Qualität der Trainingsdaten hat. Zudem wird bei der verbesserten Trainingsmethode die Markierung der Oberflache vermieden, was je nach Anwendungsbereich (z. B. innerhalb der Qualitätssicherung) ein Ausschlusskriterium für diese Herangehensweise sein kann. Darüber hinaus muss die vorgegebene Position nicht exakt getroffen werden, was wiederum die Qualität der Eingangsdaten erhöht. Letztendlich hat der Nutzer auch deutlich höhere Freiheit bei der Wahl der Positionen Pxyz für die Testquelle 50. Dies erlaubt die ergebnisabhängige Verdichtung von Testquellanregungen in Bereichen mit hoher akustischer Komplexität. Insbesondere der letzte Schritt kann vorteilhaft aktiv vom Messsystem durch Anwendung von ”augmented reality” Verfahren oder durch Datenbrillen vorgegeben werden und in das Sichtfeld des Nutzers projiziert werden.
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Die Verwendung der erfindungsgemäßen Lokalisierung des Orts Pxyz der Anregung 10 erhöht auch die Akzeptanz des Lokalisierungsverfahrens mittels vorzugsweise verwendeten Neuronalen Netzwerken 12, da der Trainingsschritt im Moment mit etwa 80% der Gesamtdauer des Prozesses den dominierenden Anteil darstellt. Nur eine substantielle Steigerung der Effizienz in diesem Schritt ermöglicht damit eine Anwendbarkeit des Verfahrens im Serienprozess.
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Eine wichtige Anwendung ist die optische Erfassung von Trainingsdaten für die Ortung von Schallquellen mittels Neuronalen Netzwerken. Dies kann prinzipiell an jeder Stelle eingesetzt werden, wo bereits heute Ortungsverfahren angewendet werden. Die optische Erfassung der Position der Testquelle 50 bildet dabei einen Schlüsselbaustein für die Steigerung der Effizienz. Dies ist insbesondere bei der Prüfung von Komponenten oder komplex geformten Strukturen 20 der Fall sein. Das Verfahren und die Anordnung sind dabei nicht auf die Materialklasse der Faserverbundwerkstoffe beschränkt, sondern sind auch auf Metalle und andere Materialien anwendbar. Das Verfahren und das System bieten eine grundsätzliche Herangehensweise in der Schallemissionsanalyse. Prinzipiell sind das Verfahren und das System als eigenständiges Produkt in die Systeme von optischen Messsystemen oder von Schallemissionssystemen integrierbar.
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Eine besondere Anwendbarkeit liegt im Bereich der strukturellen Prüfung von Faserverbundstrukturen. Dies betrifft einerseits die Verwendung zur serienmäßigen Qualitätssicherung, aber auch die Prüfung von hochwertigen Einzelkomponenten (z. B. vollständige Fahrzeuge, Flugzeuge, etc.).
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Messobjekt (z. B. Serienmuster)
- 4
- Mikroriss
- 4a
- virtueller Mikroriss
- 6
- Sensor
- 6a
- virtueller Sensor
- 10
- Impulsposition (Oberflächenimpuls)
- 12
- Neuronales Netzwerk
- 14
- Eingangsebene (Bruchposition xy)
- 16
- Knotenebene(n)
- 18
- Ausgabeebene (Sensornr.)
- 20
- Testmuster (Trainingsobjekt)
- 22
- virtuelles Muster
- 30
- Signalverarbeitungseinheit
- 32
- Ausgabeeinheit
- 34
- Impulsquelle (Hsu-Nielsen Quelle)
- 36
- Druckbleistift (Minenschreiber)
- 38
- (normierte) Mine
- 40
- (normierter) Aufsatz
- 50
- markierte Impulsquelle
- 52
- Koordinatengeber
- 54
- Referenzpunkt
- 56
- Druckbleistift
- 60
- Stereokamera
- 62
- Objektiv
- 64
- Sichtfeld
- D
- Abstand
- P, Pxyz
- Trainingsimpulsposition
- t1, t2, t3
- Laufzeit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Grosse C., Ohtsu M.: ”Acoustic Emission Testing in Engineering – Basics and Applications”, Springer (2008) [0041]
- Sause M. G. R.: ”In Situ Monitoring of Fiber-Reinforced Composites”, Springer International Publishing, Cham (2016) [0041]
- Kalafat, S., Sause, M. G. R.: ”Localization of Acoustic Emission Sources in Fiber Composites Using Artificial Neural Networks”, In: 31st Conference of the European Working Group on Acoustic Emission. pp. 1–8., Dresden, Germany (2014) [0041]
- ASTM E 976 [0043]
- ”Standard Guide for Determining the Reproducibility of Acoustic Emission Sensor Response” ASTM Intl', Designation: E976-10 [0043]
- Kalafat S., Sause M. G.: ”Acoustic emission source localization by artificial neural networks”, Struct. Heal. Monit. 14, 633–647 (2015) [0047]
- ASTM E 976 [0048]
- ASTM E 976 [0050]
- ASTM E 976 [0051]
