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Die Erfindung betrifft, gemäß Patentanspruch 1, eine Vorrichtung zur akustischen Prüfung von Bauteilen oder Materialien. Weiterhin betrifft die Erfindung, gemäß Patentanspruch 4, ein Verfahren zur akustischen Prüfung von Objekten für eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1.
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Das technische Gebiet der „Akustischen Materialprüfung“ ist als zerstörungsfreies Prüfverfahren sehr vielschichtig und reicht von Werkstoffprüfung, Rissprüfung, Gefügeprüfung, Verwechslungsprüfung, Resonanzanalyse, Klanganalyse, Klangauswertung, Klangprobe, Klangprüfung bis hin zur automatisierten Aufzeichnung von Schallsignalen im industriellen Umfeld und Getriebe- und Maschinenüberwachung mit Eigenfrequenzanalyse, Eigenfrequenzmessung, Eigenfrequenzprüfung für magnetische und nichtmagnetische Metalle, Stahl, Keramik, Sinterprodukte, Glas. Es ist bekannt, zum Prüfen eines Gegenstands auf mechanische Beschädigungen, wie zum Beispiel Haarrisse, diesen in Schwingungen zu versetzen und den dabei von ihm abgegebenen Schall (meist Luftschall) zu erfassen und einer Analyse zu unterziehen. Mechanische Schwingungen in einem Körper (Körperschall) bewirken, dass die umgebende Luft in Schwingungen versetzt wird (Luftschall). Mit entsprechenden Sensoren lassen sich diese Schwingungen messen; in der Luft mit einem Mikrofon, auf einem Körper mit einem Beschleunigungssensor oder einem Laservibrometer. Im Körper breiten sich zum selben Zeitpunkt viele Schwingungsmodi aus, die durch die Elastizität, die Form, den Werkstoff und die Struktur geprägt sind. Sie repräsentieren die mechanischen Eigenschaften des Körpers. Einflüsse wie z. B. ein Riss, eine andere Geometrie oder eine Werkstoffänderung beeinflussen die Resonanzfrequenzen, welche bei einer Analyse ausgewertet werden.
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Aus der
DE 10 2011 112 641 A1 ist ein Verfahren zum akustischen Prüfen einer Lithium-Ionen-Batteriezelle auf Funktionsfähigkeit um mechanische Defekte, zum Beispiel in Form von Dellen, Schrammen, Kratzern oder Haarrissen an den (Aluminium-) Gehäusen, d.h. eine Beschädigung zum Diagnostizieren. Im Einzelnen wird im Rahmen eines Messvorgangs mit einem Schlagwerkzeug (zum Beispiel einem Klöppel) genau einmal auf eine Stelle auf der Oberfläche der Lithium-Ionen-Batteriezelle geschlagen und es wird der dadurch induzierte (hervorgerufene) Schall erfasst. Ferner wird der, insbesondere mit einem freistehenden Mikrofon und/oder einen Körperschallmikrofon erfasste Schall einer Analyse unterzogen, welche sich auch noch in den Ultraschallbereich hinein erstrecken kann. Weiterhin können mehrere Messvorgänge durchgeführt werden, indem mit dem Schlagwerkzeug auf mehrere Stellen auf der Lithium-Ionen-Batteriezelle jeweils ein Schlag gegeben wird. Der dadurch induzierte Schall wird jeweils erfasst und einer Analyse unterzogen. Durch das Anregen der Lithium-Ionen-Batteriezelle zu Schwingungen ausgehend von verschiedenen Stellen lässt sich ein besonders exaktes Diagnosebild von den Eigenschaften der Lithium-Ionen-Batteriezellen machen. Die genannte Analyse kann eine Fast Fourier-Transformation und alternativ oder zusätzlich eine Wavelet-Transformation einsetzen bzw. verwenden. Im Rahmen der Analyse kann der Lithium-Ionen-Batteriezelle ein Amplitudenbild zugeordnet werden, das einer Bildanalyse unterzogen wird. Man erzeugt somit zunächst einmal ein Bild, in welchem dargestellt ist, welche Bereiche der Lithium-Ionen-Batteriezellen zu Schwingungen mit besonders hoher Amplitude und besonders geringer Amplitude angeregt werden; beispielsweise kann ein solches Bild mehrfarbig sein. Es kann auch eine dreidimensionale Darstellung anstelle eines zweidimensionalen Bilds bereitgestellt werden. Durch die Bildanalyse kann dann ein Sollzustand mit einem Istzustand verglichen werden. Beispielsweise wird bei Erkennen eines Gebiets, das im SollZustand eine hohe Amplitude hat und im Istzustand eine niedrige Amplitude (Schwellwertkriterium), auf einen mechanischen Defekt zurückgeschlossen werden können. Andere Analysemethoden sind möglich. Zur Erfassung des induzierten Schalls können auch Dehnungsmessstreifen und/oder Beschleunigungssensoren eingesetzt werden.
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In Weiterbildung hierzu ist aus
DE 10 2011 112 534 B4 ein Verfahren zum Prüfen eines aus zwei Halbschalen unter Verwendung einer Dichtung zusammengefügten Gegenstands auf Dichtigkeit bekannt, wobei der Gegenstand in Schwingungen versetzt wird und der dabei von ihm abgegebene Schall erfasst und einer Analyse unterzogen wird. Hierzu ist eine Mehrzahl von Messeinrichtungen zum Erfassen des Schalls an unterschiedlichen Orten zugeordnet und mit Hilfe einer Kamera wird der Ort der Messeinrichtung erfasst, ein die lokale Schallabgabe Auskunft gebendes Bild erzeugt und dieses einer Analyse unterzogen („akustische Kamera“). Dabei wird von der Erkenntnis ausgegangen, dass Techniken, die von der akustischen Prüfung einstückiger Gegenstände her bekannt sind, auf einen zwei stückig ausgebildeten Gegenstand mit der Dichtung gleichermaßen anwendbar sind. Ist der Gegenstand durch die Dichtung ausreichend abgedichtet, so erhält man ein bestimmtes Schwingungsmuster, das sich von demjenigen Schwingungsmuster unterscheidet, das man erhält, wenn der Gegenstand nicht ausreichend dicht ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird in einem Messvorgang auf eine Stelle des Gegenstands mit einem Schlagwerkzeug (Klöppel) geschlagen, bevorzugt genau einmal, und der hierdurch erzeugte Schall wird erfasst. Auch ist das Schlagen mit einem Schlagwerkzeug besonders einfach umsetzbar, im Unterschied etwa zur Verwendung eines Ultraschallgenerators. Werden mehrere solcher Messvorgänge durchgeführt, wobei jeweils auf eine andere Stelle des Gegenstands geschlagen wird, entstehen unterschiedliche Schwingungsmuster, die jeweils für sich detektierbar sind. Die Aussage über Dichtigkeit wird dann besonders zuverlässig, wenn man mehrere solche Analysen vornimmt. Bei der Frequenzanalyse wird bevorzugt eine Schnelle Fourier-Transformation und/oder eine Wavelet-Transformation eingesetzt, welche sich als besonders effizient erwiesen haben.
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Um eine Vorrichtung zum Erkennen von Rissen in gebrannten keramischen Produkten, insbesondere Dachziegeln, zu schaffen, die ohne Bedienungsperson auskommt und einen zügigen und beim Erkennen von Rissen absolut genauen Arbeitsablauf ermöglicht, werden bei der Vorrichtung gemäß der
DE 82 35 949.0 die Produkte zwecks Tonschwingungsabgabe angeschlagen. Die von den Produkten ausgehenden Tonschwingungen werden dann von einem Mikrofon aufgenommen und anschließend analysiert. Das Ergebnis der Analyse wird mit einem vorher ermittelten und eingespeicherten Mustertonergebnis verglichen. Dieses Vergleichsergebnis wird dann zu einem Aussortiervorgang herangezogen. Vorzugsweise ist im Bereich einer die Produkte heranführenden Förderbahn ein Anschläger angeordnet. In Förderrichtung nach dem Anschläger ist in einem Abstand ein optischer Sensor angeordnet, der bei Belegung durch die Vorderkante der Produkte den Anschläger in Betrieb setzt. Im Bereich des Anschlägers befinden sich ein oder mehrere Mikrofone, welche die vom Anschläger an den Produkten erzeugten Tonschwingungen aufnehmen und an einen Analysator (mechanisch, elektromagnetisch, pneumatisch oder hydraulisch betätigt) und Rechner zur Auswertung weiterleitet. Hierzu vergleicht der Rechner die Schwingungen des geprüften Dachziegels mit den vorher eingespeicherten Schwingungen eines rissfreien Musterdachziegels. Dieser Musterdachziegel ist vor Beginn des Prüfvorganges mindestens einmal durch die Vorrichtung hindurchgeführt worden, wobei der abgegebene Ton analysiert und als Mustertonergebnis im Rechner gespeichert wird. Nach Vergleich der Schwingungen des geprüften Dachziegels mit den Schwingungen des Musterdachziegels wird ein entsprechendes Signal ausgegeben.
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Weiterhin ist aus der
DE 11 2012 002 405 T5 eine Schweißprüfvorrichtung zur Prüfung des aus pressgeformten Gegenständen geschweißten Chassis von Autos bekannt. Mittels einer Prüfeinheit wird dabei der Schweißzustand unter Verwendung von vom pressgeformten Gegenstand erzeugten Schallwellen geprüft: Hierzu enthält die Prüfeinheit eine Schlagvorrichtung mit einem Schlagelement, das auf den pressgeformten Gegenstand eine Impulskraft ausübt, einen Antriebsmechanismus, der eine Antriebskraft auf das Schlagelement ausübt, so dass das Schlagelement auf den pressgeformten Gegenstand schlägt, und ein Spannelement, das das Schlagelement in Richtung entgegengesetzt einer Ausübungsrichtung der Antriebskraft durch den Antriebsmechanismus spannt. Weiterhin ist ein Mikrofon vorgesehen, welches den Schall, erzeugt von dem pressgeformten Gegenstand aufgrund des vom Schlagelement ausgeübten Schlags, empfängt und welches mit einer Erfassungsvorrichtung verbunden ist. Dabei vergleicht die Erfassungsvorrichtung das Wellenspektralmuster, das von dem Mikrofon erhaltene Signal mit einem Referenzwellenspektralmuster, das vorab in einem Speicher gespeichert ist, um den Koinzidenzgrad wie etwa eines Spitzenwerts davon oder durch Frequenzanalyse des elektrischen Signal, dieses zu bewerten und hierdurch den Schweißzustand des Schweißabschnitts des pressgeformten Gegenstands zu detektieren. Wenn der pressgeformte Gegenstand verschiedene Spezifikationen hat, wird das vorab im Speicher gespeicherte vorbestimmte Referenzwellenspektralmuster entsprechend den verschiedenen Spezifikationen eingestellt. Weiterhin ist eine Kühleinheit vorgesehen, welche den pressgeformten Gegenstand kühlt. Der Grund dafür, warum die Kühleinheit vorgesehen ist, um die Temperatur der pressgeformten Gegenstände bis zu etwa einigen 10°C zu reduzieren, ist, dass die Frequenzcharakteristiken von Schallwellen, von der Temperatur abhängig ist. Ferner wird das vorbestimmte Referenzwellenspektralmuster, das vorab im Speicher der Schallwellenerfassungsvorrichtung gespeichert ist, entsprechend dem Temperaturniveau eingestellt.
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Weiterhin ist aus der
DE-A 20 05 038 ein Münzprüfer mit akustischer Prüfung, ob Falschgeld eingeworfen wurde, bekannt. Bei der daraus bekannten Münzprüfeinrichtung werden die durch Auftreffen einer durch den Münzeinwurfkanal auf einen Amboss fallenden Münze erzeugten mechanischen Schwingungen innerhalb der Münze über ein Mikrofon abgehört und elektronisch geprüft. Über Schaltelemente aktiviert das bei einer echten Münze erzeugte Klangbild einen Mikroschalter, der die Münze in den Auslösekanal fallen lässt, in welchem die Münze auf mechanischem Wege einen zweiten Schaltvorgang auslöst und somit den durch eine echte Münze bezweckten Vorgang - sei es die Warenausgabe oder das Ingangsetzen der Automatik bei einem Plattenspieler oder dergleichen - durchführt. Werden durch Einwurf einer falschen Münze Schwingungen auf das Mikrofon übertragen, dann ist das Klangbild dieser Schwingungen ein anderes als bei einer echten Münze, so dass der Schacht für das Hindurchfallen einer echten Münze bis zum Mikroschalter durch einen Elektromagneten gesperrt bleibt und die Münze durch den Rückgabekanal ausgeworfen wird. Fälschungen könnten beispielsweise dadurch versucht werden, dass durch Erzeugung eines der echten Münze entsprechenden Klangbilds auf Grund eines Anschlagens einer echten Münze außerhalb des Münzprüfers das Mikrofon angesprochen wird und über die Elektronik die Aktivierung des Mikroschalters erfolgt, wobei gleichzeitig die für den notwendigen mechanischen Auslösevorgang falsche Münze durch den Einwurfkanal geworfen wird. Dies würde ein sehr geschicktes Manipulieren voraussetzen und lässt sich dadurch ausschalten, dass das Mikrofon schallisolierten in den Münzprüfer eingebaut wird. Weiterhin kann nicht das gesamte Klangbild für die elektronische Steuerung, sondern die mechanische Grundfrequenz des Klangbildes benutzt werden. Auch kann ein Mehrfachmünzprüfer Münzen benutzt werden, bei dem der elektronische Prüfteil derart erweitert ist, dass er auf mehrere gewünschte Münzen positiv reagiert und den Mikroschalter aktiviert. Es kann aber auch sinnvoll sein für die Münzprüfung nicht nur die Grundfrequenz, sondern eine oder mehrere Oberfrequenzen heranzuziehen, um auf diese Weise eine erhöhte Sicherheit gegen falsche Münzen zu haben, da es denkbar ist, dass die falsche Münze zwar mit einer der Frequenzen der echten Münze, nicht aber mit sämtlichen für die Prüfung herangezogenen Frequenzen übereinstimmt. Dies ermöglicht eine Vereinfachung des akustischen und elektronischen Aufbaues der Einrichtung bei einer Mehrfach-Münzprüfung insofern, als bestimmte Frequenzkombinationen ausgewählt werden, die der jeweiligen Münzsorte eigen sind, und die dann bei der elektronischen Prüfung die Freigabe auslösen. Beispielsweise kann die Schaltung so gewählt werden, dass ein hindurchfallen des, durch Auftreffen zum Ertönen gebrachtes Fünfmarkstück nur bestimmte Schwingungskreise anregt, während ein hindurchfallendes ertönendes Zweimarkstück andere bestimmte Schwingungskreise zum Anregen bringt. Dadurch ist bereits eindeutig die Identifizierung der beiden Münzen durchgeführt und es besteht die Möglichkeit einer erhöhten Sicherheit gegenüber Falschmünzen, die zufälligerweise innerhalb bestimmter Frequenzbereiche mit denjenigen der echten Münze übereinstimmen.
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Weiterhin ist aus der
DE 696 05 559 T2 ein Glasbruchdetektor bekannt, bei dem dieser einen Schallwandler, der ein breitbandiges elektrisches Signal als Reaktion auf den Empfang von Schallenergie eines Glasbruchereignisses erzeugt und eine Verarbeitungsanordnung zur Analyse des elektrischen Signals des Schallwandlers zur möglichen Erfassung eines Glasbruchereignisses enthält. Die Verarbeitungsanordnung weist eine Einrichtung zum Erfassen eines plötzlichen Anstiegs der Signalstärke auf, der für ein mögliches Glasbruchereignis kennzeichnend ist, und erzeugt ein Aktivierungssignal. Hierzu sind eine Anordnung, die das elektrische Signal in eine niederfrequente Komponente und eine hochfrequente Komponente aufteilt, und eine Abtasteinrichtung für die hochfrequente Komponente und die niederfrequente Komponente, die durch das Aktivierungssignal aktiviert werden, vorgesehen. Jede Abtastanordnung unterteilt die betreffende Komponente in mehrere Abtastperioden. Eine Einrichtung analysiert kollektiv diese Perioden jeder Komponente und ermittelt, ob die betreffende Komponente als zufällig zu betrachten ist. Eine Signalgestalt-Erfassungseinrichtung ist ebenfalls vorgesehen, die das elektrische Signal auf eine Hüllkurvengestalt analysiert, die zu einem Glasbruchereignis passt. Die Vorrichtung enthält weiterhin einen Alarmsignalgenerator, der ein Alarmsignal erzeugt, wenn die Analyse des elektrischen Signals ergibt, dass jede Komponente als zufällig zu betrachten ist und die Hüllkurve zu einem Glasbruchereignis passt. Die Analysiereinrichtung ermittelt auch, ob die Komponenten gleichzeitig Zufälligkeit bei wenigstens einigen der Abtastperioden zeigen, und dieses Kriterium muss erfüllt sein, um ein Alarmsignal zu erzeugen. Hierbei wird das Signal über eine Zeitdauer von wenigstens etwa 200ms analysiert, um jede der niederfrequenten und hochfrequenten Komponenten mit zur Ausführung der Analyse ausreichenden Abtastperioden zu liefern. Eine Gestalterfassungsanordnung und die Einrichtung zum Analysieren der Komponenten werden nur aktiviert, nachdem zuvor eine Einschätzung der Hüllkurvengestalt und der Zufälligkeit der Komponenten ausgeführt wurde. Dieses ist eine sehr grobe Annäherung, die einen schnellen Ausstieg in der Signalstärke und eine gewisse Zufälligkeit der Komponenten erfordert. Vorzugsweise wird dieses nur an einem sehr kleinen Segment des Signals ganz am Anfang ausgeführt, und die volle Analyse beginnt dann mit dem übrigen Abschnitt des Signals.
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Weiterhin ist aus der
EP 0 889 322 A2 ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Eisenbahnrads, insbesondere von dessen Lauffläche, mittels in dem Rad selber erzeugten mechanischen Wellen bekannt. Um zu erreichen, dass ein Ultraschallimpuls im Rad sicher erzeugt wird, auch wenn viele kleine Risse einen elektrischen Stromfluss im Material des Prüflings behindern, wird im Material des Rades eine die mechanische Welle hervorrufende Längenänderung unmittelbar durch eine nichtmechanische, insbesondere thermische oder magnetische, Einwirkung von außerhalb des Rades erzeugt, d.h. nicht eine Prüfung durch mechanische Einwirkung, z.B. durch das Schlagen mit einem Hammer (wie dies durch Bahnbedienstete beim Halt eines Zuges auf dem Bahnhof gemacht wird), sondern eine Prüfung unter Einsatz eines Laserverfahrens durchgeführt, von außerhalb des Rades hervorgerufen wird. Vorzugsweise wird hierzu ein sich ändernder und damit dadurch eine Längenänderung thermisch verursachender Laserstrahl auf das Rad, insbesondere auf dessen Lauffläche oder auf einer Kante der Lauffläche, gerichtet. Alternativ können die mechanischen Wellen im Rad erzeugt werden, indem ein sich änderndes und dadurch eine Längenänderung in Folge von Magnetostriktion hervorrufendes Magnetfeld auf das Rad gerichtet wird. Bei dem Laserverfahren werden zwar relativ große Laserenergien benötigt, es können aber sehr hohe Frequenzen und sehr kurze Impulse, insbesondere stoßartige Einwirkungen, annähernd wie ein Einzelimpuls, problemlos erzeugt werden. Demgegenüber hat das Magnetostriktionsverfahren den Vorteil, dass es genauso kontaktlos wie das Laserverfahren - mit Hilfe eines Elektromagneten auf einfachste Weise zu realisieren ist. Bei Einsatz des Laserverfahrens wird ein Laserstrahl ausreichender Energie auf einen als Quellbereich der zu erzeugenden mechanischen Wellen bezeichneten Teil des Eisenbahnrads gerichtet. Der Laserstrahl kann in Form eines Einzelimpulses oder in Form eines Impulszugs Wärmeimpulse und unmittelbar dadurch Längenänderungen - ausgehend vom Quellbereich - hervorrufen. Die Längenänderungen schwingen dann mit der in den Laser eingeprägten Impulsfrequenz. Hierbei kann es sich um eine Grundfrequenz mit einigen Oberwellen und möglicherweise einigen (meist eine geringe Amplitude aufweisenden) Störungen handeln. Es ist aber auch möglich, - speziell bei einem Einzelimpuls, der einem Dirac-Stoß angenähert ist - Längenänderungen mit einer Vielzahl von Frequenzen in dem Quellbereich zu erzeugen. Die jeweils dadurch erzeugten Schwingungen können sich nicht nur als Oberflächenwellen längs der Lauffläche, sondern auch als Körperwellen - ähnlich seismischen Wellen - quer durch den Körper, reflektiert oder gebeugt, bewegen. Wichtig für die vorgesehene Messung ist es, dass die Wellen auf ihrem normalen Ausbreitungsweg an irgendwelchen Fehlern, z.B. Rissen, des Rades wenigstens zum Teil reflektiert oder abgelenkt werden. Man braucht dann nur noch an einer oder mehreren Stellen des Rades Empfänger zu positionieren, die die Laufzeit und gegebenenfalls die Bewegungsrichtung der reflektierten Signale bzw. Echosignale anzeigen, messen bzw. aufzeichnen. Für eine solche Messung kann es günstig sein, wenn eine sich in dem Rad fortpflanzende mechanische Welle durch Erfassen der durch sie bewirkten Oberflächenveränderung mit Hilfe eines Laserstrahls abgetastet wird. Gegebenenfalls kann also sowohl zum Erzeugen der mechanischen Welle als auch zum Registrieren einer vorher erzeugten Welle ein Laser herangezogen werden. Grundsätzlich kann aber jedes andere einschlägige Messgerät eingesetzt werden, das in der Lage ist, die erzeugten Frequenzen zu erfassen, zu trennen bzw. aufzuzeichnen. In diesem Sinne können elektrodynamische Methoden, das vorgenannte Magnetostriktionsverfahren, aber auch, insbesondere wenn es um Schall- oder niederfrequente Ultraschallwellen geht, hierfür ausgebildete Mikrofone eingesetzt werden.
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Schließlich ist aus der
DE 10 2014 012 184 A1 der Anmelderin eine Vorrichtung zur automatischen Erkennung und Klassifizierung von hörbaren_akustischen Signalen mit mindestens einem im Überwachungsbereich angeordneten Signalempfänger und einem Modul zur Klassifizierung des akustischen Signals und Ausgabe einer Klassifikationsinformation, bekannt. Zur Vorverarbeitung der akustischen Signale ist ein einen Mikrocomputer aufweisendes akustisches Sensorsystem vorgesehen, welches mit dem Signalempfänger in Verbindung steht, dessen Ausgangssignale parallel einem im akustischen Sensorsystem angeordneten Modul für deren Aufzeichnung und einem Modul zur Klassifizierung zugeführt sind. Mit dem Aufzeichnungs-Modul ist eine Aufzeichnungsdatenbank des akustischen Sensorsystems verbunden, in welcher das Signal im Format einer Audiodatei gespeichert ist. Zum Datenaustausch und zur Steuerung mit dem eine Schnittstelle aufweisenden akustischen Sensorsystem steht ein Modul zur Modellbildung in Verbindung, welches über die Schnittstelle die Aufzeichnungen importiert, aus ihnen entsprechende Modelle erzeugt und welches über die Schnittstelle mit einer Modellbibliothek des entsprechenden Sensorsystems in Verbindung steht. In der Modellbibliothek ist das von einem Anwender in einer Trainingsphase ausgewählte Modell abgespeichert. Das Klassifizierungs-Modul ist mit der Modellbibliothek verbunden, steht über eine weitere Schnittstelle mit einer Auswertungs-Applikation in Verbindung und sendet für den Fall der Erkennung eines Signals, das Klassifizierungsergebnis an die Auswertungs-Applikation. Das akustische Sensorsystem dient gleichermaßen als Aufzeichnungssystem für beliebige akustische Signale während einer Trainingsphase, als auch als Klassifikator bekannter Signalmuster während einer Klassifizierungsphase. Die dafür notwendigen Erkennungsmodelle werden aus den von dem Sensorsystem vorher aufgezeichneten Signalen erzeugt und diese Modelle danach auch nur von diesem Sensorsystem zur Klassifizierung eingesetzt.
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Wie die vorstehende Würdigung des Standes der Technik aufzeigt, sind Geräte für die akustische Materialprüfung seit langem bekannt, wobei diese für den jeweiligen speziellen Anwendungsfall ausgestaltet sind. Es fehlt jedoch seit langem ein einfaches auch von Laien bedienbares Gerät, welches eine akustische Prüfung von verschiedenen Objekten ermöglicht und ohne dass ein umfangreicher Aufbau der Prüfeinrichtung erforderlich ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einem trainierbaren System mit selbstlernendem Effekt auf Basis der
DE 10 2014 012 184 A1 der Anmelderin, ein universell einsetzbares, flexibel anpassbares und robustes Prüfgerät derart auszugestalten, dass dieses von einem Laien bedienbar ist und das Ergebnis der Prüfung automatisch diesem angezeigt wird.
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Diese Aufgabe wird, gemäß kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1, dadurch gelöst, dass die Vorrichtung als ein Gerät ausgestaltet ist, welches außerhalb des Gerätegehäuses eine an diesem gelagerte Erregungsvorrichtung und einen benachbart hierzu angeordnete akustischen Sensor aufweist, dass innerhalb des Gerätegehäuses mittels eines handbetätigten Betriebsarten-Umschalters der Ausgang des akustischen Sensors entweder mit einem Analysemodul oder einem Trainingsmodul verbunden ist, dass der Ausgang des Trainingsmoduls mit einer Modellbibliothek verbunden ist, welche mit dem Analysemodul in Verbindung steht und dass mit dem Analysemodul ein Anzeigemodul in Verbindung steht.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung/das Prüfgerät ist universell einsetzbar, insbesondere zur akustischen Prüfung von verschiedenen Objekten. Die Merkmalsgrenzwerte/Parameter der verschiedenen Prüfobjekte sind schnell parametrierbar/analysierbar, wobei erfindungsgemäß ein trainierbares System mit selbstlernendem Effekt unter automatischer Ermittlung von Merkmalsgrenzwerten der verschiedenen Materialien auf Basis der
DE 10 2014 012 184 A1 der Anmelderin benutzt wird. Damit kann das Prüfgerät im Analysemodus auch von einem Laien bedient werden, da dieser lediglich gegen das Prüfobjekt schlagen oder einen Schall induzieren muss und das Ergebnis der Prüfung wird ihm automatisch am in der Hand gehaltenen Prüfgerät angezeigt.
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In Ausgestaltung der Erfindung weist, gemäß Patentanspruch 2, das Gerät einen manuell betätigbaren Erregungsauslöser aufweist, welcher ein innerhalb des Gerätegehäuses angeordneten Erregungsmodul aktiviert.
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Diese Ausgestaltung der Erfindung weist den Vorteil auf, dass neben der Luftschall-Prüfung auch eine Körperschall-Prüfung ermöglicht wird. Das Prüfgerät wird dabei von dem Anwender auf die Oberfläche des Prüfobjekts aufgelegt und im Analysemodus können auch hochfrequente Komponenten und niederfrequente Komponenten des Schalls, einschließlich einer Zeitanalyse (Abklingverhalten), ausgewertet werden. Das Erregungsmodul kann auch ein federbelasteter Stößel oder eine Hülse mit einem Dorn sein, welcher nach dem Auflegen des Prüfgeräts und manueller Aktivierung gegen das Prüfobjekt stößt. Die Federkraft ist dabei einstellbar und die Form des Stößels an der Schlagseite ist anpassbar (insbesondere lösbares (abschrauben) Kopfteil).
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In Weiterbildung der Erfindung leitet, gemäß Patentanspruch 3, das Anzeigemodul das Ergebnis der Prüfung drahtlos an ein Auswertungsgerät in Form einer App eines PCs oder eines Smartphones weiter.
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Diese Weiterbildung der Erfindung weist die Vorteile auf, dass das Ergebnis der Prüfung protokollierbar ist und zentral registriert (Fernüberwachung) werden kann.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten lassen sich der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmen. In der Zeichnung zeigt:
- 1 ein Blockschaltbild des Aufbaus mit allen Komponenten ,
- 2 eine Darstellung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
- 3 eine schematische Darstellung für eine Ausgestaltung zur akustischen Prüfung eines Eisenbahnrads.
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Gegenstand der Erfindung ist ein universelles Gerät zur akustischen Prüfung von Bauteilen oder Materialien. Das Prüfgerät PG besteht dabei aus einer Erregungsvorrichtung 1, welche impulsartig mechanisch, elektromechanisch oder akustisch (insbesondere Ultraschall nach einem Echo-Impuls-Verfahren) ein Prüfobjekt 11 erregt und den dabei induzierten Schall analysiert und statistisch auswertet.
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Das Gerät
PG baut auf der aus der
DE 10 2014 012 184 A1 bekannten Vorrichtung der Anmelderin auf und besitzt zwei Betriebsarten:
- a) den Trainingsmodus und
- b) den Analysemodus.
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Im Trainingsmodus lernt das Gerät PG spezielle Geräuschmuster, welche zu einer Klasse einer Prüfung gehören. Dabei wird dem Gerät PG eine Anzahl von Vorgängen angeboten, in dem die Erregungsvorrichtung 1 das Prüfobjekt 11 erregt und die Ergebnisse in ein statistisches Modell einfließen lässt. Je mehr Trainingsvorgänge durchgeführt werden, desto besser kann das Gerät PG diese dann später bewerten. Die Anzahl ist weitestgehend von der Streuung der Geräusche einer Klasse abhängig. Sind genügend Trainingsdaten erfasst worden, kann in den Analysemodus gewechselt werden (mittels eines handbetätigten Betriebsarten-Umschalter 7).
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Im Analysemodus arbeitet das System jetzt als Prüfgerät PG und bewertet alle Aktivitäten, in dem es einen statistischen Vergleich mit den intern gespeicherten akustischen Modellen durchführt. Nach jeder Aktivität liegt ein Ergebnis vor. Das Ergebnis wird dabei einem bekanntes, intern in einer Modellbibliothek 6 des Prüfgeräts PG gespeicherten Modell (Geräusch) zugeordnet oder als eine Abweichung von den bekannten Soll-Modellen signalisiert. Weiterhin wird dabei ein Maß der Treffergenauigkeit in Form einer Wahrscheinlichkeit errechnet. Je besser das Geräusch einem bekannten Referenzmodell zugeordnet werden konnte, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit des Ergebnisses.
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Ein Anzeigemodul 8 signalisiert dem Anwender das jeweilige Ergebnis.
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Das akustische Prüfgerät PG besteht aus mehreren Komponenten. Diese Komponenten werden nachfolgend beschrieben.
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Die Erregungsvorrichtung 1 ist außerhalb eines Gerätegehäuses 10 an diesem gelagert und kann verschiedenartig ausgelegt sein. So ist es möglich die Erregung des Prüfobjektes 11 mechanisch, elektromechanisch oder akustisch zu realisieren. Für die elektromechanische und akustische Erregung ist eine zusätzliche Komponente, nämlich im Gerätegehäuse 10 ein Erregungsmodul 5 notwendig. Dieses Erregungsmodul 5 wird durch einen externen, manuell betätigbaren Erregungsauslöser 9 aktiviert und das Prüfobjekt 11 beispielsweise mittels Ultraschall-Generator erregt und die Auswertung des Ultraschalls erfolgt nach einem Echo-Impuls-Verfahren. Weiterhin kann als Sensor 2 auch ein Körperschall-Aufnehmer (Laservibrometer) eingesetzt werden.
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Mit der Erregungsvorrichtung 1 wird ein Prüfobjekt 11 zur Abstrahlung von induzierten Schallsignalen angeregt, welche dann vom Akustischen Sensor 2 aufgenommen werden und in elektrische, digitale Signale umgewandelt werden. Diese Signale werden dann entweder dem Analysemodul 3 oder dem Trainingsmodul 4 zugeführt. Welches der beiden Module für die Signale ausgewählt wird, ist von der eingestellten Betriebsart abhängig. Die Betriebsarten „Analyse“ oder „Training“ sind durch den Betriebsarten-Umschalter 7 selektierbar.
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In der Betriebsart „Training“ werden die Signale klassifiziert und einem statistischen Modell hinzugefügt. Das statistische Modell wird bei jedem neuen Geräusch weiter verbessert und nach Beendigung der Trainingsphase in einer Modellbibliothek 6 abgelegt.
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Während der Betriebsart „Analyse“ werden die akustischen Signale statistisch mit bekannten Modellen aus der Modellbibliothek 6 verglichen und daraus, bei jedem Geräusch, ein Ergebnis gebildet. Das Ergebnis wird dann durch ein Anzeigemodul 8 dem Anwender angezeigt. Das Anzeigemodul 8 kann unterschiedliche Ausprägungen besitzen. Im einfachsten Fall handelt es sich um eine Anzeige direkt am Gerät, welche durch z.B. ein LED-Display oder einen Lautsprecher realisiert ist. Es ist aber auch möglich, dass das Anzeigemodul 8 das Ergebnis drahtlos an ein Auswertungsgerät z.B. einer App eines PCs oder Smartphones weiterleitet.
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Die Funktion des Akustischen Prüfgerätes PG bei mechanischer Erregung wird nachfolgend ausführlich erläutert:
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Die Erregungsvorrichtung 1 wird mechanisch beschleunigt und stößt impulsartig auf das Prüfobjekt 11. Dabei wird der Prüfling 11 in Schwingung versetzt. Die dadurch abgestrahlte induzierte, akustische Schallenergie 12 wird dem Akustischen Sensor 2 zugeführt. Der Sensor 2 ist mit dem Prüfgerät PG fest verbunden/eingebaut und gibt die in elektrische Signale umgewandelte Eingabe an das Analysemodul 3 oder das Trainingsmodul 4 im Gerät PG weiter. In Abhängigkeit der eingestellten Betriebsart (Betriebsarten-Umschalter 7) dient die Eingabe als neues Trainingssignal oder wird analysiert und mit bekannten Modellen verglichen. In der Analyse-Betriebsart wird das Ergebnis durch das Anzeigemodul 8 ausgegeben.
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Eine schematische Darstellung für eine Ausgestaltung des Prüfgeräts PG zur akustischen Prüfung eines Eisenbahnrads ist in 3 dargestellt. Erfindungsgemäß hängt das Erkennen von Rissen im Eisenbahnrad nicht mehr von der Zuverlässigkeit der Arbeitsperson im Unterscheiden der vom Eisenbahnrad abgegebenen Tonlage ab. Wie seit Jahrzehnten bekannt, erfolgt die akustische Materialprüfung durch das Schlagen mit einem Hammer als Prüfgerät PG, wie dies durch Bahnbedienstete beim Halt eines Zuges auf dem Bahnhof gemacht wird. Beim erfindungsgemäßen Prüfgerät ist das Ergebnis der Prüfung jedoch nicht von der Erfahrung des Bahnbediensteten und dessen Gehörsinn (welches durch Umgebungsgeräusche beeinträchtigt werden kann) abhängig, sondern wird nach Erregung des Prüfobjekts 11 automatisch am Anzeigemodul 8 signalisiert.
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Durch die konstruktiven Maßnahmen in Verbindung mit der Elektronik (welche von einer in der Zeichnung nicht dargestellten Batterie oder Akkumulator mit Energie versorgt wird) wird auf überraschend einfache Art und Weise ein mobiles Prüfgerät PG mit einer einfachen Aufbau- und Montagetechnik realisiert, welche ein wirtschaftlich effizientes und robustes Produkt gewährleisten.
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Das Prüfgerät PG kann ebenso zur Materialprüfung eingesetzt werden. Ein Beispiel dafür ist die Riss-/ Gefüge-Prüfung von Druckbehältern oder Kesselanlagen. Des Weiteren sind Resonanzprüfungen an Massivstahlkonstruktionen zur Schwachstellenerkennung möglich. Weitere Beispiele sind die Füllstandüberwachung von Pufferspeichern- oder Lagertankbehältern oder die akustische Überwachung von Wellenlagern an Antriebsmotoren oder Generatoren. In Weiterbildung der Erfindung kann das Gerätebeispiel in 3 auch als Zwei-Komponenten-System ausgelegt sein. In diesem Fall würde sich die Elektronik (siehe Modul Analyzer in 3) in einem statischen (unbewegten) Geräteteil befinden und nur der Erregungsteil (Erregungsvorrichtung 1) des Gerätes PG in einem bewegbaren Teil untergebracht sein.
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Ferner ist die Erfindung bislang auch nicht auf die in den Patentansprüchen 1 und 4 definierten Merkmalskombinationen beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmalen definiert sein. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal der Patentansprüche 1 und 4 weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- (1)
- Erregungsvorrichtung
- (2)
- Akustischer Sensor
- (3)
- Analysemodul
- (4)
- Trainingsmodul
- (5)
- Erregungsmodul
- (6)
- Modellbibliothek
- (7)
- Betriebsarten-Umschalter
- (8)
- Anzeigemodul
- (9)
- Optionaler Erregungsauslöser
- (10)
- Gerätegehäuse
- (11)
- Prüfobjekt
- (12)
- akustische Schallenergie
- PG
- Prüfgerät
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011112641 A1 [0003]
- DE 102011112534 B4 [0004]
- DE 8235949 [0005]
- DE 112012002405 T5 [0006]
- DE 2005038 A [0007]
- DE 69605559 T2 [0008]
- EP 0889322 A2 [0009]
- DE 102014012184 A1 [0010, 0012, 0014, 0021]
