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2. Beschrei' nl
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Titel: Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Analyse von transienten
Schallimpulsen Anwendung: Die Erfindung betrifft das Verfahren und die Vorrichtung
zur automatischen Analyse transienter Schallsignale mit Registrierung des Frequenzspektrums.
Ihr Anwendungsgebiet liegt unter anderem in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung
der Maschinen-, Anlagen- und Bauteilüberwachung, sowie der medizinischen Diagnostik
zum Zwecke der Prüfung, der Uberwachung und der Frühwarnung.
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Zweck: Bei der Beanspruchung von Werkstoffen sowie dem Betrieb von
Maschinen und Anlagen können Geräusche auftreten, die mit Vorgängen im Innern der
Teile bzw. Aggregate verbunden sind und zur Beurteilung der Funktionsfähigkeit,
der Eigenschaften sowie der Einsatzgrenzen analysiert werden sollen. Derartige Nutzgeräusche
werden von zahlreichen Störgeräuschen bzw. anderen Geräuschquellen überlagert.
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Da die emittierten Signale (Schallemissionen) z.B. von sich ausbreitenden
Rissen in Strukturen einen Aufschluß über die Tragfähigkeit und die Festigkeitsreserven
von Bauteilen ermöglichen und somit hervorragend zur Uberwachung und zur rechtzeitigen
Alarmgebung geeignet sind, ist es dringend erforderlich, diese Nutzsignale aus dem
Störgeräuschhintergrund herauszufiltern. Weiterhin müssen die Signale so analysiert
werden, daß Veränderungen, denen sie bei der Ausbreitung z.B.
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durch Festkörperstrukturen unterliegen, berücksichtigt werden.
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stand der Technik Es ist aus der Fourier-Analyse her bekannt, daß
,«1 undstellen zeitlich unterschiedliche Impulse verschiedene und Kritik: Frequenzspektren
erzeugen. Somit setzen verschiedene Schallursachen auch Schallimpulse verschiedener
Frequenz frei. (Das gleiche gilt für angeschallte Fehlstellen, die - je nach Größe
und Geometrie - frequenzabhängig reflektieren.) Besondere Schwierigkeiten erbringen
hierbei drei Faktoren: 1) Die Signale treten zufällig auf und sind von nur sehr
kurzer zeitlicher Dauer ( 10 ms), so daß eine Frequenzanalyse mit den heute erhältlichen
Systemen nicht bis in den hohen MHz-Bereich hinein für Prozesse mit mehreren Signalen
innerhalb kurzer Zeit (Real-Zeit-Analyse) möglich ist.
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Diese Real-Zeit-Auswertung ist aber für die meisten Uberwachungsaufgaben
unbedingt erforderlich Z 1-3~ 7. So konnten bisher Analysen entweder nur an einzelnen
Signalen L 4-5 7 vorgenommen werden oder aber über zahlreiche Signale mit einer
Mittelwertbildung des Gesamtschallbildes ohne Aufschluß
übr die
eialzelne Schallursache C6 7.
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Hierdurch werden in der Regel gefährliche Signale, die nur vereinzelt
gegenüber den Störgeräuschen auftreten, versehen.
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Diese Art der Analyse erbringt weiterhin keine wesentlichen Aussagen,
da Veränborungen der Impulsform, die durch die Ubertragung entstehen, sich ungünstig
auswirken.
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2. Der von einer Schallquelle ausgesandte Impuls erfährt auf seinem
Weg durch einen Körper Veränderungen infolge von Dämpfung, Reflexionen, Dispersion
u.ä. Erscheinungen, die seine Charakteristik stark verändern 7 ~ 7 und damit die
ursprüngliche Information verfälschen. Nur ganz bestimmte Teile des Signales enthalten
noch die nahezu unverfälschte Information, so daß die Analysierzeit hierauf angepaßt
werden muß / 8, 9~7.
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3. Eine weitere Verfälschung erfährt der Impuls bei seiner Registrierung
durch Schallwandler (Piezo-Materialien, elektrodynamische, magnetostriktive u.ä.).
Die Verfälschung der Frequenzinformation ist dabei um so größer, je empfindlicher
der Empfänger ist L 7.
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Bestimmte Geräuschquellen, wie z.B. die plastische Verformung vieler
Materialien, konnten deshalb bisher nicht frequenzanalysiert werden.
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Mit den bisherigen Verfahren (5. Pkt. 3) konnte lediglich festgestellt
werden, daß die Amplitude einzelner Schallereignisse bei gleicher Ursache sehr stark
schwankt, der Frequenzgehalt jedoch weniger /-10 7.
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Fundstellen: 1. Crostack, H.-A. "Weld quality control measurements
of EB-Weldments by means of Acoustic Emission" Proceedings of the 3rd Meeting of
the European Working Group on Acoustic Emission, Ispra 1974.
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2. Hutton, P.H. Acoustic Emission allows Detection of Crack Development
before failure occurs Automative Engineering 79, No. 8, 1971, S. 33/37 11 (1971),
S. 25/29.
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3. Stcffenz, W.-D., Zum Einfluß der Stromquellen-Grützner, H. u.
charakteristik auf Aufbau und Crostack, H.-A. Eigenschaften lichtbogengespritzter
Schichten Schweißen u. Schneiden 29 (1977), S. 85/88.
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4. Graham, L.J. u. Spectrum Analysis of Acoustic G.A. Alers Emission
in A 533-B Steel Materials evaluation 2 (1974), S. 31/37.
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5. Pollok, A.A. Acoustic Emission from solids undergoing Deformation
Thesis, University of London, 1970.
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6. Curtis, G. Spectral Analysis of Acoustic Emission Non-Destructive
Testing 7 (1974), S. 82/91.
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7. Steffens, H.-D., Einflußgrößen bei der Analyse H.-A. Crostack
von Schallemissionen Zeitschrift für Werkstofftech nik 4 (1973), S. 442/447.
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8. Crostack, H.-A. Untersuchungen zum Festigkeitsverhalten von Punktschweißverbindungen
mittels Schallemissionsanalysen Dissertation Universität Dortmund 1976.
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9. Crostack, H.-A. Basis aspects of the application of frequency
analysis 15th Meeting of the Acoustic Emission Working Group, Jan. 1976, Ft. Lauderdale,
Florida, erscheint in Ultrasonics 1977.
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Aufgabe: Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, verschiedene Schallimpulse
in Realzeit zu analysieren, automatisch voneinander zu trennen und in ihrer Gesamtheit
zu ermitteln. Hierdurch wird es möglich, die Schallursachen z.B. in Materialien
zu ermitteln und beim Einsatz eines Bauteils kritische Werkstoffveränderungen von
unkritischen zu trennen. Die Überwachung sowie eine damit verbundene Frühwarnung
und Lebensdauervorhersage gefährdeter Strukturen wird ebenfalls möglich.
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Lösung: Der ausgesandte Schallimpuls wird mit verschiedenen Empfängern
in unterschiedlichen Frequenzbereichen hoher Empfindlichkeit registriert und das
Signal in seiner Impedanz gewandelt und verstärkt.
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Es durchläuft verschiedene Bandfilter (Frequenzselektierung) innerhalb
einer bestimmten Analysier zeit, die wählbar ist und je nach den äußeren Gegebenheiten
vorgegeben wird. (Zeitfenster - Form) Von diesen gefilterten Signalen wird jeweils
eine Impulsfläche gebildet (siehe Ausführungsbeispiel).
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Diese Impulsflächen der einzelnen Frequenzen werden nunmehr durch
Division miteinander in Beziehung gesetzt, wodurch ein dimensionsloses Maß der Umhüllenden
des Frequenzspektrums erhalten wird.
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Die ermittelten Werte für die Umhüllende des Spektrums innerhalb
der charakteristischen Analysierzeit werden nun verschieden ausgewertet: 1. Die
Werte werden gespeichert und sind ständig abrufbereit.
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2. Sie stehen als analoge Signale in Real-Zeit zur Verfügung.
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3. Die Werte werden hinsichtlich der Umhüllenden des Spektrums unterteilt
und die jeweilige Anzahl ermittelt.
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4. Sie werden in einem "Fenster" mit variabler Einstellung bewertet
und stehen zur Steuerung von Geräten und Maschinen zur Verfügung.
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Weitere Ausge- Die Werte werden zur Charakterisierung einer Entstaltung
der scheidungsschaltung zugeführt. Hierzu wird zu-Erfindung: sätzlich die Gesamtimpulsfläche
der einzelnen Schallsignale ermittelt, um einen Aufschluß über die Größe des Schallereignisses
zu erhalten. Durch den automatischen Frequenzvergleich wird dann die Schallursache
charakterisiert. In der Entscheidungsschaltung wird nun die Größe des Ereignisses
der anhand der Frequenzanalyse erkannten Ursache zugeordnet und gleichzeitig die
Anzahl ermittelt.
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In der gleichen Weise wird eine derartige Entscheidung für die Ortung
bzw. Lokalisierung der Schallquelle herangezogen. Die Zeitsignale werden dabei parallel
zur Analyse während der Gesamtzeit ihres Auftretens überwacht, so daß gewährleistet
ist, daß nur der zur Analyse erforderliche Signalteil ausgewertet wird und beliebig
andere Analysen nach der Impulscharakterisierung der Entscheidung unterworfen werden
können.
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Erzielbare Die n. L der Etfinung erzielten Vorteile bestehen Vorteile:
darin, daß - die Nutzsignale von transienten Schallemissionen aus einem Untergrund
von Störgeräuschen herausgefiltert werden - die Filterung amplitudenunabhängig ist
- die Veränderung des Signales bei der Ausbreitung in einem Körper berücksichtigt
und weitgehend eliminiert wird - die Auswertung in Real-Zeit erfolgt - die ermittelten
Kennwerte direkt zur Bewertung herangezogen werden und damit anderen Analysen (Amplitudenverteilung,
Schallsumme, Ortung u.ä.) zu einer Entscheidung vorgeschaltet werden können - das
Ergebnis vom Prüfer unabhängig ist - gezielt Kenntnisse über Art, Größe, Kritikalität
und Ort von Schallquellen möglich werden und - bei der Ultraschallspektroskopie
direkte Aufschlüsse über die Frequenzkomponenten der Fehler-Schallfelder möglich
sind.
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Beschreibung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in dem eines
Ausfüh- Blockschaltbild dargestellt und wird im folgenden rungsbeispiels: näher
beschrieben: Die Signale werden über mehrere Empfänger (1) verschiedener Frequenzen
und Modenselektivität aufgenommen dann verstärkt und angepaßt (Verstärkung 2).
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Durch Bandfilter (3) wird der jeweilige Impuls in verschiedene Spektralkomponenten
zerlegt. Durch eine Reflexionsüberwachung (4) wird die ständige Kontrolle des Impulses
gewährleistet und der Beginn der Analyse bestimmt. Innerhalb einer vorwählbaren,
von den gegebenen Verhältnisse abhängigen Analysierzeit (Analysierzeit 5), wird
die Fläche des Amplitudenbetrages für die einzelnen Frequenzen ermittelt (Impulsflächenanalyse
für einzelne Frequenzen 6).
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Die nachfolgende Division (7) ergibt dann die von der Größe der Schallquelle
unabhängige Analyse, die nur noch den Schallquellentyp charakterisiert.
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Über die folgende Logik-Impulsformung (8) ist dann 1. die direkte
Abnahme der Werte möglich, 2. die Ermittlung einer Verteilungsfunktion der Spektren,
3. die Aussteuerung einer Entscheidungsschaltung (9).
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Zusätzlich ist es parallel möglich, die Impulsfläche als Absolutbetrag
(10) zu ermitteln und direkt auszuwerten oder der Entscheidungssclaltung zuzuführen.
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Dje S:balQuslg ordx.et dann dem Schallquellentyp die jeweilige Analyse
zu, wie z.B. die parallel im Gerät ermittelte Impulsfläche. So können die von Schallquelle
1 (z.B. Rißbildung) ausgesandten Schallimpulse mit ihren Flächen, Energien, Amplituden,
Schallsummen oder ihrem Entstehungsort getrennt von denen der Schallquelle 2 (z.B.
Reibung an Auflagern) betrachtet werden.
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Mit einem 50 MHz Real-Zeit-Frequenzanalysensystem, das in den vorausgehenden
Untersuchungen zur Ermittlung der Kenndaten für das angemeldete Verfahren zusammengestellt
wurde, ließen sich für verschiedene Schallursachen Frequenzen bis in den hohen MHz-Bereich
hinein nachweisen. Bild 1 gibt eine Auswahl für die Frequenzspektren verschiedener
Geräusche bei der Uberwachung von Punktschweiß prozessen wieder. Für die im Werkstoff
auftretende Martensitbildung konnten z.B. Frequenzen bis 10 MHz nachgewiesen werden.
Gegenüber diesem relativ breitbandigen Spektrum der Martensitbildung und dem des
Magnetfeldzündimpulses der Schweißmaschine besitzen im Werkstück auftretende Kaltrisse
vorwiegend niederfrequente Anteile. Da derartig charakteristische Unterschiede für
viele Schall signale gelten, hat sich als auswertbarer Bereich zunächst ein Frequenzband
von etwa 50 kHz bis 2 MHz als günstig herausgestellt. Entsprechend der Aufgabe müssen
diese Grenzen jedoch verschoben werden und der Bereich dazwischen muß frei wählbar
sein.
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Je nach Frequenz führt dieses zu einem hohen Dynamikbereich in den
Zeitamplituden, so daß ohne eine Frequenzvorselektierung eine Übersteuerung der
Geräte auftreten würde.
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Bei diesen Untersuchungen wurden Frequenz spektren mit dem Auge ausgewertet
und miteinander verglichen. Dies hat den Nachteil, daß die Bewertung subjektiv vom
Betrachter abhängig ist und nur im nachhinein mit großer Zeitverzögerung erfolgen
kann. Die Ergebnisse also zur direkten Steuerung von Schweißanlagen oder zur Früherkennung
nicht mehr verwertbar sind. Mit der automatischen Auswertung wird die sofort nutzbare
Unterscheidung verschiedener Emissionsquellen möglich. Die Funktionsweise des Gerätes
ist im Bild 2 anhand erster Vorversuche zu erkennen, die zur Trennung verschiedener
Geräuschquellen an glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) durchgeführt wurden.
Für den richtigen Einsatz dieser Werkstoffe ist die Trennung zwischen Harz- und
Faserrissen von entscheidender Bedeutung.
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Bei der Verarbeitung der Impulse wird in dem Verfahren eine Impulsfläche
gebildet, deren Werte auch als Absolutwerte zur Beurteilung eines Signales herangezogen
werden können.
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Das Signal, das hinter dem Empfänger bzw. Verstärker abgenommen wird,
besteht vorwiegend aus einer Oszillation mit positiven und nagativen Amplituden.
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Durch eine Gleichrichtung und nachfolgende Integration des Signales
wird die Impulsfläche erzielt, die mathematisch dem Integral über dem Betrag der
Amplitude und der Zeit entspricht. Eine Logikschwelle überwacht dabei die Integration
für die Dauer des Signales, so daß hier nicht mit fest eingestellter Zeit, sondern
mit variabler Zeit, dit abhängig von der Länge des Impulses ist, gearbeitet und
auf diese Weise das tatsächliche absolute Integral gebildet wird. Hierdurch wird
eine einfache Trennung zwischen den in der Schallemissionsanalys< zu unterscheidenden
sogenannten Burst-Signalen und der kontinuierlichen Emission möglich, wie z.B. bei
der Werkstoffprüfung die deutliche Unterscheidung zwischen diskontinuierlichen Rißfortschrittssignalen
und plastischer Verformung.
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Zur weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Entscheidungsschaltung
vorgesehen, die bei dem angeführten Beispiel der Trennung von Rißimpulsen in glasfaserverstärkten
Kunststoffen z.B. nur dann einen Steuerimpuls oder Registrierimpuls gibt, wenn die
für die Weiterverwendung eines Bauteils 1< ritischen Faserrisse auftreten. Zusätzlich
können über eine Torschaltung die Werte anderer Analysen wie z.B. der Ortung nur
dann akzeptiert werden, wenn sie von dem gleichen registrierten Impuls stammen.