DE10214407C1

DE10214407C1 - Anordnung und Verfahren zur Messung, Bewertung und Störungserkennung von Systemen

Info

Publication number: DE10214407C1
Application number: DE10214407A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Klippel; Ulf Seidel
Original assignee: Klippel GmbH
Current assignee: Klippel GmbH
Priority date: 2002-03-30
Filing date: 2002-03-30
Publication date: 2003-06-18
Anticipated expiration: 2022-03-31
Also published as: US20030187636A1; CN1449136A; US7221167B2; CN1288861C

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Messung, Bewertung und Störungsanalyse von Systemen, die ein elektrisches, akustisches, mechanisches Signal übertragen, speichern oder in ein anderes beliebiges Signal wandeln, wobei das System mindestens einen Signaleingang und mindestens einen Signalausgang besitzt. DOLLAR A Das Ziel der Erfindung ist die genaue Messung der Signalverzerrungen, um bessere Aussagen über die Qualität und die Störungen des Systems ableiten zu können und den Zusammenhang zwischen den Verzerrungen und den Eigenschaften des Signals aufzeigen zu können. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch konsequente Auswertung des Zeitverlaufes des gemessenen Ausgangssignals des Systems. Es wird ein Fehlersignal e(t) gebildet, das die Signalverzerrungen in ihrer zeitlichen Feinstruktur zeigt. Dadurch können auch Verzerrungen, die nur sehr kurzzeitig auftreten und bei Anwendung eines längeren Analyseintervalls kaum signifikante Energie aufweisen, erkannt werden. Das Fehlersignal wird mit Hilfe eines Modellsystems bestimmt, dessen Parameter mit Hilfe eines Schätzers bestimmt werden. Das Fehlersignal wird einem Auswertesystem zugeführt, um das Fehlersignal als Funktion von Eigenschaften des Anregungssignals (Frequenz, Amplitude) darzustellen und ein zweckmäßiges Verzerrungsmaß V(f) zu bestimmen. Das Auswertesystem besitzt einen Bewertungsausgang, an dem die Qualität des Systems und eventuelle Probleme identifiziert werden. Sollte das Auswertesystem keine ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Messung, Bewertung und Störungsanalyse von Systemen, die ein elektrisches, akustisches, mechanisches Signal übertragen, speichern oder in ein anderes beliebiges Signal wandeln, wobei das System mindestens einen Signaleingang und mindestens einen Signalausgang besitzt. Solche Systeme sind zum Beispiel elektroakustische oder elektromechanische Wandler (Lautsprecher, Aktuatoren, Kopfhörer), Analog-Digital-Wandler, Speicher für Audiodaten (CD, Minidisk), drahtgebundene Kommunikationssysteme als auch Übertragungssysteme, die andere Medien benutzen (Lichtleiter- und Hochfrequenztechnik).

STAND DER TECHNIK

Bei der Wandlung, Übertragung und Speicherung von Signalen treten Signalverzerrungen auf, die durch Eigenschaften des Systems (z. B. Nichtlinearitäten) und der Interaktion mit dem übertragenen Signal verursacht werden. Zusätzlich können stochastische Störungen auftreten, die in keinem direktem Zusammenhang zu dem übertragenen Signal stehen. Verschiedene Verfahren für die Messung dieser Signalverzerrungen wurden entwickelt (z. B. Groll Groll, "Mikrowellen Messtechnik", Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig). Hierbei wird das Eingangssignal mit dem Ausgangssignal verglichen und die Signalverzerrung mit einem Verzerrungsmaß beschrieben. Für die Messung der nichtlinearen Signalverzerrungen wird das System zweckmäßigerweise mit einem synthetischen Signal (Einzelton, Tonkomplexe) angeregt und das Spektrum des Ausgangssignals mit Hilfe einer FT-Analyse untersucht. Besitzt das System Nichtlinearitäten werden im Spektrum des Ausgangssignals neue, zusätzliche Töne erzeugt, die als harmonische Komponenten oder Intermodulationen bezeichnet werden. Die Messung der Amplitude dieser Verzerrungskomponenten führt zu bekannten Maßen, die standardisiert und allgemein verwendet werden. Diese Methoden sind in vielen Fällen völlig ausreichend. Zum Beispiel können hiermit die Effekte der systembedingten Nichtlinearitäten des Lautsprechers (Motor B1, Induktivität, Doppler-Effekt, mechanische Aufhängung) genau erfasst werden. In der Regel ist es ausreichend, die Verzerrungen niedriger Ordnung zu messen, da die Amplitude der Verzerrungskomponenten höherer Ordnung sehr schnell abfällt.

Allerdings gibt es andere Signalverzerrungen, die zwar sehr gut vom menschlichen Ohr wahrgenommen werden können, jedoch schlecht durch harmonische Verzerrungen und Intermodulationen beschrieben werden können. Besonders wichtig ist das für die Qualitätssicherung in der Lautsprecherfertigung. Das Anschlagen der Zuführungslitze, das mechanische Reiben der Schwingspule am Spalt, eine lockere Klebstelle in der mechanischen Aufhängung und viele andere Lautsprecherdefekte führen zu deutlich hörbaren Signalverzerrungen, die bisher nur unzureichend durch physikalische Messwerte wiedergegeben werden können. All diesen Verzerrungen ist gemein, dass sie durch das Eingangssignal ausgelöst und determiniert sind. Allerdings treten sie nicht stationär, sondern unter ganz bestimmten Bedingungen (z. B. Frequenz und Amplitude) auf. Sie besitzen sehr oft wenig Energie, können jedoch für einen sehr kurzes Zeitintervall eine sehr hohe Spitzenwert aufweisen. Da bei einer spektralen Analyse (FT) die mittlere Amplitude (Effektivwert) der harmonischen Verzerrungskomponenten im betrachteten Analyseintervall bestimmt wird, ergeben sich sehr kleine Werte der harmonische Verzerrungen. Auch ist die Energie nicht auf die zweite und dritter Ordnung konzentriert, sondern erstreckt sich auf die Verzerrungskomponenten höherer Ordnung. Leider sind diese Komponenten im allgemeinen relativ schwer auswertbar, da sie durch Rauschen, Umweltgeräusche gestört sind.

Die Erfindung im Patent US 5.884,260 versucht dieses Problem durch Messung der Hüllkurve des Zeitsignals zu lösen. Es benutzt eine Filterbank, die aus einer Reihenschaltung von einem Bandpassfilter, einem Gleichrichter und ein Tiefpassfilter besteht (Abb. 8). Der Durchlaßbereich des Bandpaßfilters und die Zeitkonstante des Tiefpassfilters entspricht den Eigenschaften des menschlichen Hörens. Diese Methode liefert ein Muster, eine Art "Fingerabdruck", für diese Verzerrungen, die zwar psychoakustisch bedeutsam sind aber leider objektiv schwer zu interpretieren sind. Auch ist der Vergleich dieser Verzerrungen mit anderen Messungen kaum möglich.

Die Offenlegungsschrift DE 37 09 556 A1 beschreibt ein Messverfahren, dass die linearen Verzerrungen eines Lautsprechers mit Hilfe eines harmonischen Messsignals bestimmt, das aus Grundwelle, aus quadratischen und auch aus kubischen Harmonischen besteht. Die Auswertung des vom Lautsprecher abgestrahlten Signals liefert den sogenannten Formfaktor, der die sowohl die linearen Verzerrungen in Amplitude und Phase widerspiegelt. Dieses Verfahren ist jedoch auf die Erfassung von linearen Verzerrungen beschränkt und kann die Verzerrungen von Nichtlinearitäten des Systems und andere Störungen nicht erkennen.

ZIELE DER ERFINDUNG

Somit ist es das Ziel der Erfindung, eine Anordnung und ein Verfahren zu entwickeln, die die Signalverzerrungen eines Übertragungssystems genauer erfaßt, als es mit bekannten Methoden derzeit möglich ist. Es soll ebenfalls der Zusammenhang zwischen den Signalverzerrungen und den Eigenschaften des übertragenen Signals dargestellt werden. Gleichzeitig, soll die Lösung mit einfachen Mittel realisierbar sein und soll sich gegenüber äußeren Einflüssen robust und zuverlässig erweisen. Die Ergebnisse sollen ebenfalls quantifizierbar, objektiv interpretierbar und mit bekannten Verfahren vergleichbar sein. Die Messwerte sollen eine Grundlage für die automatische Erkennung von Problemen, Ausfällen und Defekten sein. Auch sollen stochastische Störungen (Wackelkontakt + Umgebungsgeräusche) erkannt und von deterministischen Signalverzerrungen separiert werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine Anordnung mit den im Patentanspruch 1 angegeben Merkmalen. Dabei geschieht eine konsequente Auswertung des Zeitverlaufes des gemessenen Ausgangssignals des Systems. Entsprechend dem Ziel der Erfindung sollen die Signalverzerrungen und alle Störungen im Ausgangssignal des System in ihrer vollen zeitlichen Feinstruktur gemessen und ausgewertet werden. Hierfür ist zunächst eine Signalquelle erforderlich, die ein determiniertes Testsignal oder ein anderes beliebiges Anregungssignal (Musik) erzeugt. Dieses Signal x(t) wird dem Signaleingang des Systems zugeführt. Das Ausgangsignal y(t) des Systems wird direkt oder mit geeigneten Sensoren erfasst und mit Hilfe eines Fehlersystems analysiert. Das Fehlersystem besitzt zwei Eingänge, die jeweils mit dem Signaleingang und Signalausgang des Systems verbunden sind. Am Ausgang des Fehlersystems entsteht ein Fehlersignal e(t), das die Störungen und/oder Verzerrungen im Ausgangssignal y(t) in ihrer vollen zeitlichen Signalform und Auflösung beschreibt. Anschließend wird das Fehlersignal einem Auswertesystem zugeführt, um das Fehlersignal in ein Verzerrungsmaß mit einem zweckmäßigen numerischen Format umzuformen und die Verzerrungen als Funktion der Eigenschaften des Anregungssignals (Frequenz, Amplitude) darzustellen. Hierbei kann ein zusätzlicher Signalanalysator diese Eigenschaften aus dem momentanen Anregungssignal bestimmen oder ein determiniertes Anregungssignal in der Signalquelle benutzt werden. Das Auswertesystem soll auch ein Bewertungsausgang besitzen, an dem die Qualität des System und eventuelle Probleme identifiziert werden. Sollte das Auswertesystem keine eindeutigen Entscheidungen treffen können, kann das Auswertesystem die Signalquelle veranlassen, die Eigenschaften des Anregungssignals zu verändern.

Die Erzeugung des Fehlersignals e(t) im Fehlersystem erfolgt durch Modellierung des Übertragungssystems mit Hilfe eines linearen oder nichtlinearen Modellsystems und eines Schätzers, der die Parameter für das jeweilige System bestimmt und sie dem Modell über einen Parametereingang übergibt. Das Modellsystem kann in zwei grundsätzlich verschiedenen Formen realisiert werden. Im ersten Fall beschreibt das Modellsystem ungewünschten und störenden Eigenschaften des Übertragungssystems und erzeugt direkt das Fehlersignal e(t). Im anderen Fall beschreibt das Modellsystem die gewünschten Eigenschaften des Übertragungssystems und erzeugt ein Sollsignal y(t)' an seinem Ausgang. Mit Hilfe eines Vergleichers wird das Fehlersignal e(t) als Differenz zwischen dem gemessenen Ausgangssignal y(t) und dem Sollsignal y(t)' gebildet.

Im Unterschied zu dem bekannten Stand der Technik wird das gemessene Ausgangssignal des Übertragungssystems durch keinerlei Verarbeitung (FFT, Filterung, Transformationen) modifiziert oder verändert. Alle Amplituden und Phaseninformationen über die Störungen und Verzerrungen bleiben im Fehlersignal erhalten und können für die Erkennung von kurzen aber hohen Signalspitzen genutzt werden. Im Unterschied zu der von Leonard vorgeschlagenen Lösung wird hier die Feinstruktur des Zeitsignals ausgewertet und nicht die Hüllkurve, die diese umschließt. Dadurch können auch Verzerrungen, die nur sehr kurzzeitig auftreten und bei Anwendung eines längeren Analyseintervalls kaum signifikante Energie aufweisen, erkannt werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN

Durch die folgende Abbildungen sollen die oben genannten Ziele, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung genauer dargestellt werden:

Abb. 1 Messung der Signalverzerrungen mit Hilfe einer spektralen Analyse

Abb. 2 Messung der Signalverzerrungen durch spektrale Filterung und Berechnung der Hüllkurve

Abb. 3 Meßsystem entsprechend der Erfindung

Abb. 4 Bildung des Fehlersignals durch Vergleich des Ausgangssignals mit einem Sollsignal

Abb. 5 Auswertesystem entsprechend der Erfindung

Abb. 6 Anregungssignal

Abb. 7 Ausgangssignal des Übertragungssystems

Abb. 8 Schätzung der Eigenschaften des Systems

Abb. 9 Sollsignal des linearen Modellsystems

Abb. 10 Momentane Verzerrungen V(f) und gesamte harmonische Verzerrungen dt(f) als Funktion der Frequenz f

Abb. 11 Verzerrungsmaß V(y) als Funktion der momentanen Amplitude

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNG Stand der Technik

Abb. 1 zeigt schematisch die Messung der harmonischen Verzerrungen eines Übertragungssystems 1 mit Hilfe einer spektralen Analyse (FFT). Diese Technik kann nur angewendet werden, wenn das Anregungssignal aus einer begrenzten Anzahl von Tönen besteht und die einzelnen Verzerrungskomponenten von der Grundwelle und den anderen Komponenten getrennt und einzeln identifiziert werden können. Das System besteht typischerweise aus einem Signalgenerator 2, der einzelnen Ton generiert, einem Sensor oder Messeingang 4, einem Analog/Digitalwandler 6, einer FFT-Transformation 8 und einem Block 10 zur Berechnung der Amplitude der harmonischen Verzerrungen d_t.

Abb. 2 zeigt die alternative Methode, die von Leonard zur Messung der Signalverzerrungen vorgeschlagen wurde (Stand der Technik). Dieses System benutzt ebenfalls einen Signalgenerator 12, das zu messende Übertragungssystem 14, einem Sensor oder Messeingang 16 und einer Filterbank 18. Die Filterbank 18 enthält verschiedene parallele Zweige, die jeweils einen Bandpass 20, einen Gleichrichter 22 und einen Tiefpass 24 enthalten. Die Mittenfrequenzen und Durchlassbereiche der Bandpässe sind derart abgestimmt, dass sie den Hörbereich abdecken. Die Bandpässe müssen eine genügend hohe Dämpfung außerhalb des Durchlassbereichs aufweisen, um die Grundkomponente von den harmonischen Verzerrungen trennen zu können. Der Amplituden und Phasenfrequenzgang der benutzten Filter verändert die Zeitfunktion des analysierten Signals und begrenzt die Messung von sehr kurven und hohen Signalverzerrungen.

Erfindung

Abb. 3 zeigt den Gegenstand der Erfindung in einem allgemeinen Blockschaltbild. Das System enthält eine Signalquelle 26, die ein Anregungssignal x(t) erzeugt, das dem zu messenden Übertragungssystem 28 zugeführt wird. Die Signalquelle kann ein stochastisches oder ein determiniertes Anregungssignal erzeugen. Rauschen aber auch eine normale Audioquelle (Musik, Sprache) ist ein Beispiel für ein stochastisches Signal. Determinierte Signale sind zum Beispiel Testsignale, die von einem Generator erzeugt werden.

Das Ausgangssignal y(t) des System wird mit Hilfe eines Sensors gemessen und dem ersten Eingang des Fehlersystem 29 zugeführt. Das Fehlersystem 29 besitzt einen zweiten Eingang, der mit dem Anregungssignal x(t) der Signalquelle 26 gespeist wird. Das Fehlersystem besitzt einen Ausgang 29 an dem das Fehlersignal e(t) erzeugt wird.

Das Meßsystem enthält ein zusätzliches Auswertesystem 44 das mit dem Ausgang des Fehlersystems 29 verbunden ist. Das Auswertesystem transformiert das Fehlersignal e(t) am Eingang 48 in das Verzerrungsmaß V(f) am Ausgang 45 oder andere Maße, die die Verzerrungen als Funktion der Eigenschaften des Ausgangssignals oder die Qualität des Systems beschreiben.

Das Auswertesystem 44 erzeugt ein Steuersignal S am Steuerausgang 42, das über den Steuereingang 46 dem Generator 26 zugeführt wird. Hiermit können die Eigenschaften des Anregungssignals (Amplitude und Frequenz) verändert werden und die Messbedingungen an die konkreten Eigenschaften des Systems angepasst werden.

Abb. 4 zeigt eine mögliche Realisierungsform des Fehlersystems als eine Verkörperung der Erfindung. Das Fehlersystem enthält ein Modellsystem 30, einen Vergleicher 32 und einen Schätzer 34. Das Modellsystem 30 besitzt einen Modelleingang und einen Modellausgang. Der Modelleingang ist mit der Signalquelle verbunden und wird mit dem Anregungssignal x(t) gespeist. Am Modellausgang entsteht das Sollsignal y(t)', das dem ersten Eingang des Vergleichers 32 zugeführt wird. Der zweite Eingang des Vergleichers 32 erhält das gemessene Ausgangsignal y(t) des Übertragungssystems. Der Vergleicher 32 kann vorzugsweise ein einfaches Subtraktionsglied sein, dass die Differenz

e(t) = y(t) - y'(t)

zwischen den beiden Eingangssignalen bildet und ein Fehlersignal e(t) am Ausgang erzeugt. Das Fehlersignal e(t) zeigt die momentanen Signalverzerrungen, die nicht nur den Eigenschaften des Übertragungssystems 28, sondern ebenfalls von den momentanen Eigenschaften des Anregungssignal x(t) und der Definition des Modellsystems 30 abhängen. Ist das Modellsystem 30 ein lineares System, dann werden alle nichtlinearen Effekte des Übertragungssystems als Verzerrungen erfaßt. Das Modellsystem besitzt einen Parametereingang über den ein Parametervektor P zugeführt wird. Der Parametervektor verändert die komplexe Übertragungsfunktion H(f), die Impulsantwort h(t) oder nichtlineare Eigenschaften des Modellsystems 30. Das Modellsystem 30 muss an das konkrete Übertragungssystem 28 angepasst werden. Hierfür enthält das Meßsystem einen Schätzer 34, dem sowohl das Anregungssignal x(t) also auch das Ausgangssignal y(t) zugeführt wird. Um systematische Fehlschätzungen (bias) zu vermeiden, sollte der Schätzer ein nichtlineares System enthalten, in dem das gesamte (lineare und nichtlineare) Verhalten, des Übertragungssystems modelliert wird. Der Schätzer sollte dann die Parameter, die für die Generierung des gewünschten Sollsignals erforderlich sind, als Parameter P dem Parametereingang des Modellsystems 30 zufügen.

Abb. 5 zeigt das Auswertesystems 44 in einer schematischen Darstellung entsprechend der Erfindung.

Das Fehlersignal e(t) am Eingang 48 des Auswertesystems 44 wird mindestens einem Speicherelement 50 zugeführt, das das Signal um die Zeit T verzögert am Ausgang bereitstellt. Das momentane Fehlersignal e(t) am Eingang 48 und das verzögerte Signal e(t - T) wird einem Verzerrungsschätzer 52 zugeführt, der das momentane Verzerrungsmaß V(t) berechnet.

Ist das Anregungssignal nicht periodisch oder ist die Periodendauer nicht bekannt, so wird das Verzerrungsmaß V(t) direkt aus dem momentanen Fehlersignal gebildet. Hierbei ist es zweckmäßig, den Betrag von e(t) zu bilden und auf die momentane Amplitude der Hüllkurve des Sollsignals y(t)' zu beziehen

Das analytisch ergänzte Signal y_k(t) kann mit Hilfe der Hilberttransformation aus dem Sollsignal y(t)' gebildet werden. Dadurch ergibt sich ein relatives Verzerrungsmaß, das einfach interpretiert werden kann.

Erzeugt der Generator ein deterministisches Signal x(t) mit der bekannten Periode T, dann können einzelne Realisierungen des Ausgangssignals miteinander verglichen und weitere Verzerrungsmaße gebildet werden:
Der Minimalwert des Fehlersignals bestimmt über N Realisierungen

ergeben Verzerrungsmaße, die eine Unterdrückung von stochastische Störungen bewirken. Die maximale Abweichung des Fehlers vom Fehlermittelwert

kann zur Erkennung von stochastischen Störungen (zum Beispiel lockere Schaltungsverbindung) benutzt werden.

Das momentane Verzerrungsmaß V(t) ist eine Funktion der Zeit und hängt von den momentanen Signaleigenschaften y(t) ab. Um die Auswertung des Verzerrungsmaßes zu erleichtern, ist es zweckmäßig dieses Maß als Funktion bestimmter Signaleigenschaften (Frequenz, Amplitude) darzustellen

Dazu wird das Signal am Eingang 40 dem Eingang des Signalanalysators 54 zugeführt. Ist das Anregungssignal nicht determiniert, dann bestimmt der Signalanalysator 54 solche Eigenschaften wie zum Beispiel die Momentanamplitude, Hüllkurve, Momentanfrequenz, spektrale Verteilung, Periodendauer. Erkennt der Signalanalysator 54 ein periodisches Anregungssignal dann kann die geschätzte Periodendauer T dem Speicherelement 50 zugeführt werden.

Es können auch a priori Informationen über das Übertragungssystem, wie zum Beispiel die physikalische Struktur (nichtlineare Differentialgleichung des Lautsprechers) und die Nichtlinearitäten (Steifigkeit der Membranaufhängung) berücksichtigt werden und die Zustandsvariablen im Übertragungssystem (momentane Schwingspulenauslenkung, Schnelle, Schalldruck, Antriebskraft, Eingangsstrom) geschätzt werden.

Die Informationen über das momentane Signal oder die Zustandsvariablen und das Verzerrungsmaß V(t) werden dem Bewerter 56 zugeführt. Das System 56 ordnet die momentanen Verzerrungen den einzelnen Signaleigenschaften zu. Das System 56 kann zum Beispiel am Ausgang 58 das Verzerrungsmaß V(y) als Funktion der momentanen Signalamplitude y und am Ausgang 45 das Verzerrungsmaß V(f) als Funktion der Frequenz eines Einzeltones darstellen.

Der Bewerter 56 kann auch ein Steuersignal S am Ausgang 42 erzeugen, das dem Steuereingang der Signalquelle 26 zugeführt wird, um das Übertragungssignal mit einem optimalen Testsignal anzuregen. Somit kann zum Beispiel die Amplitude des Anregungssignals oder die spektrale Zusammensetzung verändert werden, um einen ausreichenden Signal-Rauschabstand zu erhalten oder das Übertragungssystem vor Zerstörung zu schützen.

Das Signal am Ausgang 60 beschreibt die Qualität des Übertragungssystems als quantitative Zahl (z. B. 0 < C < 1) oder als logischer Wert wie zum Beispiel: C = 0 (funktionstüchtig) oder C = 1 (defekt). Hierfür können einfache Schwellwerte oder bekannte Algorithmen für Erkennungssysteme benutzt werden.

Die folgenden Abbildungen zeigen die Anwendung der Erfindung an einem konkreten Beispiel:

Abb. 6 zeigt ein determiniertes Anregungssignal, das häufig für die Messung von Lautsprechern verwendet wird. Es ist ein Gleitsinuston (sweep) definiert durch

x(t) = U₀sin(2πf(t)t),

dessen Frequenz f(t) sich kontinuierlich mit der Zeit t verändert. Es besteht ein exponentieller Zusammenhang zwischen Momentanfrequenz des Tones

f(t) = f_starta^t

und der Meßzeit t, wobei f_start die Startfrequenz und der Parameter a die Geschwindigkeit der kontinuierlichen Frequenzveränderung beschreibt.

Abb. 7 zeigt das Schalldruckzeitsignal, das von diesem Lautsprecher als Ausgangssignal y(t) als Antwort auf das Anregungssignal x(t) abgestrahlt wurde.

Abb. 8 zeigt die durch den Schätzer 34 identifizierten Eigenschaften P des Übertragungssystems 28. Es ist die Impulsantwort

d. h. die Rücktransformierte der komplexen Übertragungsfunktion zwischen Anregungssignal und Ausgangssignal. Aufgrund des logarithmischen Gleitsinustones ist in der Impulsantwort der Anteil der angeregten Grundschwingung von der Antwort der harmonischen Verzerrungen zeitlich separiert. Mit Hilfe eines zeitlichen Fensters zum Beispiel eines Rechteckfensters

kann der für das Modellsystem gewünschte Anteil der Impulsantwort h_mod(t) ausgeschnitten werden:

h_mod(t) = w(t).h(t)

Will man alle nichtlinearen Verzerrungen des Übertragungssystems 28 als Störungen erfassen, dann werden die Grenzen t₁ und t₂ des Fensters w(t) so gewählt, dass nur der lineare Anteil der Impulsantwort als Übertragungsfunktion für das Modellsystem ausgewählt wird. Dadurch modelliert das Modellsystem nur die angeregte Grundschwingung.

Es ist aber auch möglich, neben der Grundschwingung auch Teile der harmonischen Antwort dem gewünschten Modellsystem zuzuweisen. So können zum Beispiel Nichtlinearitäten des Systems, die unvermeidbar und typisch für das System sind, als normale Eigenschaften in dem Modellsystem berücksichtigt werden.

Abb. 9 zeigt das Sollsignal y(t)', das durch Faltung

y'(t) = h_mod(t).x(t)

der Impulsantwort h_mod(t) mit dem Anregungssignal x(t) erzeugt wurde.

Die Differenz zwischen gemessenem und geschätztem Ausgangssignal liefert das Fehlersignal

e(t) = y(t) - y'(t).

Unter Benutzung der oben definierten Impulsantwort h(t) und der Fensterfunktion w(t) läßt sich das Fehlersignal

e(t) = (h(t) - w(t).h(t)).x(t) = ((1 - w(t)).h(t)).x(t) = (w'(t).h(t)).x(t)

auch direkt durch Fensterung der Impulsantwort h(t) mit Hilfe des Störungsfensters

und anschließende Faltung mit dem Anregungssignal x(t) bilden.

Die dünne Kurve in Abb. 10 zeigt das Verzerrungsmaß V(f) als Funktion der Momentanfrequenz f. Die dicke Kurve in Abb. 10 zeigt die gesamten harmonischen Verzerrungen in Prozent entsprechend IEC 60268

unter Benutzung der Fouriertransformation

Y(f) = FT{y(t)}

die den mittleren energetischen Energieinhalt der harmonischen Verzerrungen im Ausgangssignal beschreiben. Das bekannte Verzerrungsmaß d_t berücksichtigt nicht die Phase der einzelnen harmonischen Verzerrungskomponenten, die für Ausbildung der Zeitfunktion wichtig ist. Besitzt das System vorrangig Nichtlinearitäten niedriger Ordnung (z. B. eine quadratische oder kubische Kennlinie), dann sind die gesamten harmonischen Verzerrungen d_t(f) vergleichbar mit den momentanen Verzerrungen V(f). Das hier vorgestellte Übertragungssystem besitzt diese Eigenschaften für Anregungsfrequenzen oberhalb von 200 Hz in Abb. 10. Die Spitzenwerte der momentanen Verzerrungen V(t) liegen ungefähr 6- 10 dB oberhalb der harmonischen Verzerrungen d_t. Unterhalb von 100 Hz verursacht das System jedoch sehr kurze Störungen mit hohen momentanen Spitzenwerten in V(f), die bis zu 30 dB oberhalb der harmonischen Verzerrungen liegen. Der hohe Scheitelfaktor der Verzerrungen ist ein typisches Kennzeichen für eine lockere Klebeverbindung bei dem betrachteten Lautsprecher. Der Bewerter 56 vergleicht die Momentanverzerrungen V(f) mit einem Schwellwert V_S(f) = -20 dB und kann den Defekt am Bewertungsausgang 60 anzeigen. Abb. 11 zeigt das Verzerrungssignal V(y) als Funktion der momentanen Signalamplitude y(t).

Claims

1. Eine Anordnung zur Messung, Bewertung und Störungserkennung von Systemen (28), die ein elektrisches, akustisches, mechanisches Signal übertragen, speichern oder in ein anderes beliebiges Signal wandeln, wobei das System (28) mindestens einen Signaleingang und mindestens einen Signalausgang besitzt, die Anordnung dadurch charakterisiert ist, dass sie
eine Signalquelle (26) enthält, die ein Anregungssignal x(t) erzeugt, das dem Signaleingang des Systems zugeführt wird,
ein Fehlersystem (29) enthält, dessen erster Eingang mit dem Signaleingang verbunden ist, dessen zweiter Eingang mit dem Signalausgang verbunden ist und das Fehlersystem ein Fehlersignal e(t) am Fehlerausgang erzeugt, das die momentanen Störungen und Verzerrungen im übertragenen Signal am Signalausgang für jeden Zeitpunkt t beschreibt,
ein Auswertesystem (44) enthält, das mindestens einen Eingang (48) besitzt, der mit dem Fehlerausgang verbunden ist und mindestens einen Bewertungsausgang (45) besitzt, an dem ein Bewertungssignal V(f) erzeugt wird, das die Qualität und Eigenschaften des Systems (28) beschreibt und/oder Störungen anzeigt,
wobei das Fehlersystem (29)
ein Modellsystem (30) enthält, das einen Modelleingang, einen Modellausgang und einen Parametereingang besitzt, und das Anregungssignal x(t) der Signalquelle (26) dem Modelleingang zugeführt wird und dass die Übertragungseigenschaften des Modellsystems über die Parameter P am Parametereingang verändert werden können,
einen Schätzer (34) enthält, dem sowohl das Anregungssignal x(t) der Signalquelle (26) am Signaleingang des Systems (28) als auch das Signal y(t) am Signalausgang des Systems (28) zugeführt wird und der die Parameter P des Modellsystems (30) schätzt und sie über den Parametereingang dem Modellsystems (30) zuführt.

2. Anordnung entsprechend Anspruch 1, dadurch charakterisiert, dass das Fehlersystem (29) ein Subtrahierglied (32) besitzt, dessen erster Eingang mit dem Signalausgang des Systems und dessen zweiter Eingang mit dem Modellausgang verbunden ist und der Ausgang des Subtrahiergliedes (32) die Differenz e(t) = y(t) - y(t)' zwischen den beiden momentanen Zeitsignalen an den zwei Eingängen bildet und als Fehlersignal dem Fehlerausgang zuführt.

3. Anordnung entsprechend Anspruch 1, dadurch charakterisiert, dass das Modellysystem (30) ein lineares oder ein nichtlineares System ist, das lineare und/oder nichtlineare Übertragungseigenschaften des Systems modelliert und das den gewünschten Signalanteil oder den verzerrten Signalanteil am Signalausgang schätzt und als Zeitsignal y(t)' am Modellausgang bereitstellt.

4. Anordnung entsprechend Anspruch 1, dadurch charakterisiert, dass das Auswertesystem (44) einen Signalanalysator (54) enthält, der einen Eingang besitzt, der mit dem Signaleingang oder Signalausgang oder dem Modellausgang verbunden ist und einen Analysierausgang besitzt, an dem ein Merkmalvektor P bereitgestellt wird, der die momentanen Eigenschaften des Signals beschreibt.

5. Anordnung entsprechend Anspruch 4 dadurch charakterisiert, dass das Auswertesystem (44) mindestens einen Speicher (50) enthält, der einen Speichereingang und einen Speicherausgang besitzt, der Speichereingang mit dem Fehlerausgang verbunden ist und das gespeicherte Fehlersignal e(t - T) mit dem unverzögerten Fehlersignal e(t) verglichen wird, um stochastische Störungen und determinierte Störungen erkennen und unterscheiden zu können.

6. Anordnung entsprechend Anspruch 4, dadurch charakterisiert, dass das Auswertesystem (40) einen Bewerter (56) enthält, der mit dem Analysierausgang verbunden ist und das Fehlersignal als Funktion der Elemente des Merkmalvektors beschreibt.

7. Anordnung entsprechend Anspruch 1, dadurch charakterisiert, dass die Signalquelle (26) einen Sinuston generiert, dessen Frequenz sich in definierter Weise mit der Zeit ändert.

8. Anordnung entsprechend Anspruch 1, dadurch charakterisiert, dass die Signalquelle (26) ein zusätzlichen Steuereingang (46) besitzt, der mit dem Bewertungsausgang des Auswertesystems (44) verbunden ist und das Signal am Steuereingang die Eigenschaften des Anregungssignals verändern kann.

9. Ein Verfahren zur Messung, Bewertung und Störungserkennung von Systemen die ein elektrisches, akustisches, mechanisches Signal übertragen, speichern oder in ein anderes beliebiges Signal wandeln, wobei das System (28) mindestens einen Signaleingang und mindestens einen Signalausgang besitzt, das Verfahren ist dadurch charakterisiert, dass
ein Anregungssignal x(t) erzeugt wird, das dem Signaleingang des Systems (28) zugeführt wird,
das Übertragungsverhalten des Systems (28) modelliert wird und Parameter P geschätzt werden, die das System beschreiben,
die Parameter einem Modellsystem (30) übergeben werden,
mit Hilfe des Modellsystems (30) ein Modellsignal y(t)' erzeugt, dass das Zeitsignal am Signalausgang teilweise nachbildet,
mit Hilfe des Modellsignals y(t)' ein Fehlersignal e(t) erzeugt wird, das die momentane Störung oder Verzerrung im übertragenen Signal für jeden Zeitpunkt beschreibt.

10. Verfahren entsprechend Anspruch 9, dadurch charakterisiert, dass das Fehlersignal e(t) gespeichert wird, die Messung mit identischem Anregungssignal wiederholt wird und durch Vergleich von mehreren Fehlersignalen stochastische und determinierte Störungen erkannt werden.

11. Verfahren entsprechend Anspruch 9, dadurch charakterisiert, dass das Fehlersignal e(t) ausgewertet wird und ein Bewertungssignal V gebildet wird, das die Qualität des Systems beschreibt oder Störungen anzeigt oder das Fehlersignal als Funktion V(f) der Eigenschaften des Signals abbildet.

12. Verfahren entsprechend Anspruch 9, dadurch charakterisiert, dass das Modellsystem (30) die gewünschten linearen und/oder nichtlinearen Übertragungseigenschaften des Systems modelliert und dass das Fehlersignal e(t) = y(t) - y(t)' durch Subtraktion des gemessenen Signals am Signalausgang und dem geschätzten Modellsignals gebildet wird.

13. Verfahren entsprechend Anspruch 9, dadurch charakterisiert, dass das Modellsystem (30) die Störungen und Signalverzerrungen mit Hilfe linearer und/oder nichtlinearer Modelle nachbildet und dass Modellsignal zur Berechnung des momentanen Fehlersignals e(t) verwendet wird.

14. Verfahren entsprechend Anspruch 9, dadurch charakterisiert, dass durch Auswertung des Fehlersignals e(t) Informationen für die Veränderung des Anregungssignals gewonnen werden und somit das Anregungssignal an das zu messende System optimal angepasst werden kann.