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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung von strukturdynamischen Eigenschaften einer Struktur mittels einer Übertragungsfunktion in einem Frequenzbereich mittels eines Messsystems gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Messsystem.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits sogenannte Transferpfad- oder Modalanalysen bekannt, bei welchen ein zeitabhängiges Anregungssignal vorgegeben und das resultierende Antwortsignal einer Struktur gemessen und dessen strukturdynamische Eigenschaft mittels einer Übertragungsfunktion im Frequenzbereich zu charakterisieren bekannt. Jedes dieser Signale ist auch immer mit einem Signal-Rauschen behaftet. Um eine qualitativ hochwertige Messung zu erzielen, gilt es, den Abstand zwischen der Größenordnung des Signals und der Größenordnung des Rauschens zu maximieren. In der Regel wird das Maximum des Messbereichs der Datenerfassung auf die maximal zu erwartende Größenordnung des Signals eingestellt, das Rauschen hat einen festen Abstand hierzu. Bei einem typischen Anregungsspektrum über mehrere Frequenzdekaden wird das Maximum des Antwortspektrums jedoch nur in einem gewissen Frequenzbereich erreicht. In den anderen Frequenzbereichen liegen die Strukturantworten um mehrere Zehner-Potenzen darunter und können so je nach Messsystem im Rauschen untergehen.
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Die
DE 10 2005 048 956 A1 betrifft einen Schwingungserreger oder Shaker zur dynamischen Anregung eines Prüflings. Bei bekannten derartigen Schwingungserregern ist die Länge einer Tauchspule größer ausgebildet als eine Länge eines Magnetfelds im Bereich der Tauchspule. Vorliegend ist die Länge des Magnetfelds größer als die Länge der Tauchspule. Weiterhin wird vorgeschlagen, den Stößel in Luftlagern zu lagern. Vorzugsweise erfolgt der Einsatz eines Keramikmaterials oder von Aluminium für Stößel, Flansch, Verbindungselement.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie ein Messsystem zu schaffen, mittels welchem ein sich über mehrere Dekaden erstreckender Frequenzbereich einen vergrößerten Signal-Rausch-Abstand erreicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie durch ein Messsystem gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung von strukturdynamischen Eigenschaften einer Struktur mittels einer Übertragungsfunktion in einem Frequenzbereich mittels eines Messsystems, bei welchem ein zeitabhängiges Anregungssignal zum Anregen der Struktur in die Struktur mittels einer Injektionseinrichtung des Messsystems injiziert wird und ein resultierendes Antwortsignal der Struktur mittels einer Erfassungseinrichtung des Messsystems erfasst wird.
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Es ist vorgesehen, dass das Anregungssignal an ein Maximum eines Messbereichs der Erfassungseinrichtung herangeführt wird, wobei ein prozentualer Optimierungszielwert in Abhängigkeit von dem Maximum des Messbereichs bestimmt wird, wobei das Anregungssignal iterativ angepasst wird, bis eine vorbestimmte Qualität des Antwortsignals erreicht wird.
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Insbesondere ist somit ein Verfahren vorgestellt, bei welchem die Größenordnung des Signals an das Maximum des Messbereichs der Datenerfassung herangeführt wird. Dadurch wird der Abstand zwischen dem gemessenen Signal und dem Rauschen maximiert, um eine möglichst hohe Datenqualität zu erzeugen. Zunächst wird festgelegt, ob der Signal-Rausch-Abstand des Anregungs- oder des Antwortsignals optimiert werden soll. Anschließend werden der Messbereich sowie der prozentuale Optimierungszielwert vom Maximum des Messbereichs festgelegt. Eine Anregung, unabhängig von der Art des Signals, findet immer im Zeitbereich statt. Hiervon lässt sich mittels einer Fast-Fourier-Transformation ein Spektrum im Frequenzbereich ableiten. In den Frequenzbereichen, in denen das zu optimierende Signal von dem Optimierungszielwert entfernt ist, wird das Anregungsspektrum iterativ angepasst. Es kann von einem näherungsweise linearen und proportionalen Zusammenhang zwischen Anregung und Antwort der Struktur ausgegangen werden, die Voraussetzung für eine Modal- beziehungsweise Transferpfadanalyse ist. Wird der Optimierungszielwert unterschritten, wird daher die Anregung um den proportionalen Wert der Abweichung erhöht. Wird der Optimierungszielwert überschritten, wird die Anregung entsprechend reduziert. Dies wird so oft wiederholt, bis die vom Nutzer gewünschte Qualität erreicht ist.
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Da schlussendlich Übertragungsfunktionen ausgewertet werden, sind diese vor und nach der Optimierung identisch, vorausgesetzt, die charakterisierte Struktur verhält sich tatsächlich näherungsweise linear. Jedoch ist die Qualität der Funktion über einen mehrere Dekaden umfassenden Frequenzbereich besser und weist einen glatteren Kurvenverlauf auf. Insbesondere kann zum Auswerten des Anregungssignals, des Antwortsignals sowie zum Erstellen und Auswerten der Übertragungsfunktion eine elektronische Recheneinrichtung des Messsystems genutzt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform wird ein Signal-Rausch-Abstand maximiert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform wird ein Signal-Rausch-Abstand des Anregungssignals oder des Antwortsignals optimiert.
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Weiterhin vorteilhaft ist, wenn in Abhängigkeit von dem Anregungssignal basierend auf einer Fast-Fourier-Transformation ein Spektrum in einem Frequenzbereich bestimmt wird, wobei ein Anregungsspektrum des Anregungssignals in denjenigen Frequenzbereichen, in denen das zu optimierende Signal vom Zielwert abweicht, iterativ angepasst wird.
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Ebenfalls vorteilhaft ist, wenn das Anregungssignal ein sinusförmiges Signal in die Struktur injiziert wird. Alternativ oder ergänzend kann auch ein Periodic Chirp oder ein Pseudo-Random-Signal injiziert werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Messsystem zur Charakterisierung von strukturdynamischen Eigenschaften einer Struktur mittels einer Übertragungsfunktion in einem Frequenzbereich, mit zumindest einer Injektionseinrichtung und mit einer Erfassungseinrichtung, wobei das Messsystem zum Durchführen eines Verfahrens nach dem vorhergehenden Aspekt ausgebildet ist. Insbesondere wird das Verfahren mittels des Messsystems durchgeführt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Messsystems anzusehen. Das Messsystem weist dazu gegenständliche Merkmale auf, welche eine Durchführung des Verfahrens oder eine vorteilhafte Ausgestaltungsform davon ermöglichen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
- 1 ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 2 eine schematische Übersicht über Anregungssignale, Antwortsignale sowie Übertragungsfunktionen; und
- 3 ein schematisches Blockdiagramm gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens. In einem ersten Schritt S1 beginnt das Verfahren. In einem zweiten Schritt S2 erfolgt die Auswahl des Signals zur Optimierung. In einem dritten Schritt S3 werden ein Messbereich sowie ein Optimierungszielwert ausgewählt. In einem vierten Schritt S4 erfolgt die Auswahl eines Anregungssignals 10 (2). In einem vierten Schritt S5 wird die entsprechende Struktur angeregt. Es erfolgt in einem sechsten Schritt S6 eine Fast-Fourier-Transformation. In einem siebten Schritt S7 wird überprüft, ob das Signal auf dem Zielwert ist. Sollte dies der Fall sein, so wird in einem achten Schritt S8 das Verfahren beendet. Sollte dies nicht der Fall sein, so wird in einem neunten Schritt S9 die Bestimmung des Frequenzbereichs 20 (2) außerhalb des Zielwerts durchgeführt. Es erfolgt im Anschluss daran in einem zehnten Schritt S10 eine Berechnung von einer proportional korrigierten Anregung. In einem elften Schritt S11 erfolgt dann wiederum die Übertragung an einen Signalgenerator, wobei vom elften Schritt S11 wiederum in den fünften Schritt S5 übergegangen wird.
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2 zeigt eine schematische Übersicht bezüglich eines Anregungssignals 10, eines Antwortsignals 12 sowie einer resultierenden Übertragungsfunktion 14. Auf der linken Seite der 2 sind insbesondere das Anregungssignal 10 sowie das Antwortsignal 12 zeitabhängig dargestellt. Im mittleren Bereich der 2 sind die jeweiligen Anregungssignale 10 und die Antwortsignale 12 frequenzabhängig dargestellt. Insbesondere im Antwortsignal 12 sind vorliegend eine Rauschgrenze 16 sowie ein maximaler Messbereich 18 gezeigt. Die 2 zeigt insbesondere, dass zur Charakterisierung von strukturdynamischen Eigenschaften einer Struktur 24 mittels der Übertragungsfunktion 14 in dem Frequenzbereich 20 ein zeitabhängiges Anregungssignal, welches beispielsweise sinusförmig ausgebildet sein kann, vorgegeben wird und ein resultierendes Antwortsignal 16 gemessen wird. Es wird hierbei insbesondere ein Signal-Rausch-Abstand maximiert, indem eine Größenordnung des Signals an ein Maximum des Messbereichs 18 der Datenerfassung herangeführt wird, wobei entweder ein Signal-Rausch-Abstand des Anregungssignals 10 oder des Antwortsignals 12 optimiert wird, und wobei ein Messbereich sowie ein prozentualer Optimierungszielwert ausgehend vom Maximum des Messbereichs 18 festgelegt wird. Anhand des Anregungssignals 10 wird basierend auf der Fast-Fourier-Transformation ein Spektrum im Frequenzbereich 20 abgeleitet, wobei ein Anregungsspektrum in denjenigen Frequenzbereichen 20, in denen das zu optimierende Signal vom Zielwert entfernt ist, so lange iterativ angepasst wird, bis eine vorbestimmte Qualität erreicht ist.
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3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens. Es erfolgt eine Kraftanregung über einen elektromagnetischen Shaker des Messsystems 36, wobei der Shaker auch als Injektionseinrichtung 22 bezeichnet werden kann. Es wird die Struktur 24 angeregt und eine entsprechende Auswertung durchgeführt, wobei die Schwingungsamplitude der Oberfläche entsprechend als Output mittels einer Erfassungseinrichtung 26 des Messsystems 36 erfasst wird. Es erfolgt dann im Block 28 die Bestimmung des Verlaufs der Schwingungsamplitude über die Frequenz und Zeit. In einem Entscheidungsblock 30 wird überprüft, ob das Signal dem Abbruchkriterium entspricht beziehungsweise den gewünschten Abstand zum Rauschen aufweist. Sollte dies nicht der Fall sein, so wird im Block 34 die Anpassung des Anregungssignals 10 durchgeführt. Dies kann beispielsweise durch Anpassung des Spannungssignals durch Absinken oder Erhöhen durchgeführt werden. Ausgehend vom Block 34 kann dann wiederum die Injektionseinrichtung 22 angesteuert werden. Entspricht das Signal dem Abbruchkriterium, so kann die Messung im Block 32 fortgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005048956 A1 [0003]
