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Messungen an einem Kammwalzenstuhl


Bericht vom 4.2.1998


Auftraggeber: n.n.

Auftragnehmer:

Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e.V. (GFaI)
Rudower Chaussee 5/Geb. 13.7
D-12484 Berlin

Tel. +49 30 6392-1600
Fax. +49 30 6392-1602
e-Mail: info@gheinz.de
URL: http://www.gheinz.de/index.html

Bearbeiter:
Dr. Gerd Heinz
Than Tan Nguyen

Aufnahmen vom 27. und 28.1.1998


Aufgabenstellung

An einem 148" Kammwalzenstuhl mit einer maximalen Antriebsleistung von 12 Megawatt (4 Motoren a 3 MW) treten sporadisch beim ersten Anwalzen eines 50 cm dicken Alublocks klirrende Geräusche auf, deren Herkunft zu finden ist. Beim ersten Anwalzen wird der Block stark erhitzt und um ca. 10 bis 20 cm dünner, hierbei treten sehr große Kräfte auf.

Mit Hilfe der 'Akustischen Kamera' sind akustische Karten sowie Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zu machen mit dem Ziel, die Herkunft der Erregung zu ermitteln.

Hintergrund der Aufnahmen war das Problem, daß beim Anwalzen die Walzen mit Wasser besprüht werden. Damit ist eine enorme Lautstärke verbunden, die zum Versagen klassischer Mikrophonaufnahmen führten. Mehrere Akustikbüros waren an diesem Problem gescheitert. Auch traten die Geräusche nur bei jedem sechsten bis achten Anwalzvorgang auf.

Der Walzenstuhl war nach zwanzigjähriger Betriebszeit generalüberholt worden. Im Rahmen einer Verhandlung vor dem Allianz-Zentrum für Technik in Ismaning sollten Messungen präsentiert werden, die eine Lokalisation der Klirrgeräusche ermöglichen.

Ein besonderer Aspekt lag in der sehr schnellen Ausbreitung des Körperschalls im Vergleich zum zehnfach langsameren Luftschall. So konnte es nur die Hoffnung geben, daß eine Aufnahme gelingen könnte, die einen vermuteten Abriß der Verbindung zwischen Welle und Zahnrad auf der der akustischen Kamera zugewandten Seite zeigt.

Letztlich gelang es in einer Aufnahme (W1_2all), das Klirren einer solchen Emission einzufangen und zu kartieren. Sie zeigte, daß die Verbindung zwischen einem Zahnrad und der Welle minimal abriß. Damit wurde klar, daß das Aufschrumpfen der Zahnräder auf die Welle mangelhaft ausgeführt wurde. Die Schadenssumme belief sich auf etwa 20 Millionen DM.

Unterlagen und Hilfsmittel

Meßausrüstung

Meßdurchführung

Ein an die Maschinen projizierter Laserstrahl dient als Eichmarke für die Zuordnung des akustischen Bildes zum Foto. Die Bildgröße der zu entwickelnden akustischen Bilder wird durch Vermessung typischer, in den Fotos wiederzufindender Kanten ermittelt. Der Laser wird vor Meßbeginn und nach Meßabschluß kontrolliert. Die Abweichung des Laser-Leitstrahls von der idealen Mittelachse ist jeweils kleiner als 10 cm auf eine Entfernung von 4 m. Zwischen Referenz-Fotographie und Schallbild ist mit Maßabweichungen in der Größenordnung der Rasterauflösung des akustischen Bildes zu rechnen.
Aus technischen Gründen werden für die Interferenztransformation optimierte Meßabstände gewählt. Diese entsprechen u.U. nicht den Empfehlungen nach DIN45635 [1]. Als Abtastrate wurden 50 kSps (Kilosamples per Second) gewählt, bei höheren Abtastraten ergaben sich unerwartete Probleme mit der Hardware.
Sofern nicht anders ausgewiesen, wird zur Entwicklung der Bilder über eine Meßzeit entsprechend der Kanaldatenlänge integriert.
Die Bilder sind zum Teil automatisch belichtet, dabei wird die Farbtabelle zwischen minimalen und maximalen Interferenzwert des Bildes gelegt, die Teilung der Farbskala ist in diesem Fall nicht ganzzahlig. Zum andern Teil sind die Bilder manuell belichtet, dabei werden obere und untere Grenze des Schallpegels manuell als dB-Wert vorgegeben.
Das Mikrofonarray wird mittels eines zentrisch angeordneten Laserstrahls positioniert. Dieser markiert die Position (x,y) =(0,0). Davon ausgehend wird die jeweilig zu bestimmende Fläche mittels Bandmaß eingemessen.

Abb.1: 16-Kanal Mikrofonarray mit zentral liegendem Laser

Auf eine Kompensation des Druckstaus am Array (ca. 6dB) wurde verzichtet, alle Aufnahmen zeigen geringfügig zu hohe Absolutpegel.

Abb.2: Meßpositionen G, W, Z. Abstände von Vorderkante Maschine: G 2.20m, W und Z 1.50m. Die Abdeckhaube der rechts liegenden Räder blieb bei den Messungen geschlossen. Die Bildfelder sind einheitlich auf die Flächen a oder a+b ausgerichtet.

Abb.3: Messaufbau in Position W (Beispiel)

Von der in Abb. 2 und 3 gezeigten Seite wurde an den drei Orten gemessen. Der Justierungslaser des Mikrofonarrays, der die Z-Achse mit (x,y)=(0,0) vorgibt, zeigte auf die Orte G, W und Z. Die Aufnahmen W und Z wurden im Abstand von 1,50 m von der Maschine vorgenommen, die Aufnahmen Z im Abstand 2,20 m.
Generell wurde 16-kanalig mit 50kSps, 12bit und orthogonalem Mikrophon-Array mit Grid 30 cm aufgenommen und gerechnet. Möglicherweise wird die Interferenztransformation durch Abschattung des vorn quer liegenden Trägers infolge einer Deformation des Laufzeitraumes gestört.

Abb.4 und 5: Seitenansicht und Draufsicht auf den Meßort. Der Walzenstuhl ist unten angekoppelt.


Aufnahmen

am 27.1.98
Messungen G (oben) auf Tisch vor Wälzgetriebe stehend, Laser auf Schlitz zwischen Walzen gerichtet, Abstand 220cm, horizontaler Träger ist 50cm breit Oberkante 117cm über Gehäusekante, Gehäusekante 16cm über Boden, untere Gehäusekante 16 über Boden, Messposition in IniFiles gespeichert. Kanten links, rechts, oben Zahnräder, unten untere Gehäusekante.

am 28.1.98
Messungen W und Z (unten, Walzenstuhl bzw. Zahnräder zentral) auf Klötzen auf der Erde stehend, Mittelpunkt Laser 85 hoch, Klotzhöhe 23cm, Abstand 150cm, Stuhlbreite 66 cm.

Zur Meßmethode

Die Meßmethode basiert auf der an der GFaI entwickelten Interferenztransformation (HIT) von mehrfach parallel aufgenommenen Mikrofondaten in Erregungskarten, sog. Interferenzintegrale. Der Begriff Interferenzintegral ist eine mathematisch-physikalische Bezeichnung für das, was wir im Bereich der Optik als 'Fotografie' (eines Wellenraumes) bezeichnen. Grundlage der Interferenz-Transformation sind Laufzeitunterschiede einer Quelle zu verschieden positionierten Mikrofonen.

Kanaldatenstrom der Aufnahme W1_2 in 10ms-Teilung

Detail aus dem Kanaldatenstrom in 1ms-Teilung

Aus dem an den Mikrofonen ankommenden Signalgemisch aller Quellen des Raumes werden mit der Interferenztransformation die Quellen extrahiert, die dem zu berechnenden Punkt im Bildfeld entsprechen. Demzufolge ergeben sich Unterschiede zwischen einem mittleren Effektivwert der Kanaldaten (Summe aller Emissionen im Raum) und den in den Bildern zu findenden Effektivwerten.
Als Maß der Abstrahlung, die ein Bild repräsentiert, ist dabei das Verhältnis zwischen Effektivwert der Kanaldaten und Effektivwerten im Bild aufschlußreich. Sind beide annähernd gleich, kann man davon ausgehen, daß alle 'Helligkeit' im Raum identisch der Bildhelligkeit ist, d.h. wir fotografieren eine starke Emissionsquelle im Vergleich zu allen anderen Quellen im Raum. Liegt der dB-Wert im Bild deutlich unter dem der Kanaldaten, stören u.U. andere, nicht im Bildfeld liegende Quellen. Diese Situation ist vergleichbar zu einer Fotographie eines Kellerlochs bei Sonnenschein: der Kontrast der Aufnahme läßt nach. Während der Belichtungsmesser (Kanaldaten) gleißende Helle anzeigt, ist auf dem Foto Schwärze zu erkennen.
Während herkömmliche, akustische Verfahren auf Basis von Intensitätsmikrofonen etwa mit dem Facettenauge eines Insekts 'sehen', sieht (besser 'hört') die akustische Kamera mit einer Art Linsenauge, wobei die eigentliche interferentielle Rekonstruktion des Wellenfeldes mit dem Computer realisiert wird.
Eine Besonderheit der gewählten interferentiellen Rekonstruktion besteht im Gegensatz zur interferentiellen Projektion z.B. optischer Systeme darin, daß wir mit dem PC zur Rekonstruktion der Schallbilder die Zeit rückwärts laufen lassen können. Damit entstehen nicht die Probleme achsfern abnehmender Tiefenschärfe, wie sie vom Fotoapparat bekannt sind. Auch besitzt die Methode diskreter Kanäle den Vorzug, daß die Mikrofone (im Gegensatz zur optischen Linse) an beliebigen Punkten des Raumes positioniert werden können. Das Mikrofonarray besitzt lediglich aus konstruktiven Gesichtspunkten eine planare Mikrofonanordnung.
Zur verbesserten Darstellung sind in verschiedenen Bildern die Projektionen der Mikrofonorte auf die jeweiligen Ergebnisfenster zu erkennen.

Entfernungsabhängigkeit

Flächige, steife Strahler (Dipole) können unter bestimmten Bedingungen ebene Wellen erzeugen. Im Gegensatz dazu erzeugen Kugelstrahler (Monopole) ein kugelförmiges Feld. Während die Intensität eines ebenen Feldes (z.B. Laser) über weite Bereiche entfernungsunabhängig konstant bleibt, sinkt die Intensität des Kugelfeldes viel stärker mit wachsender Entfernung. Da unbekannt ist, welche Strahlungscharakteristik ein bestimmtes Teil einer Maschine hat, sehen wir es als günstig an, keine entfernungsabhängige Intensitätskorrektur zu benutzen. Folglich werden mit der Schallbildkamera definierte Aufstellungsorte protokolliert, um Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu erhalten. Ein näher am Array stehender Emittend wird im Bildfeld 'heller' leuchten, als ein weiter entfernter.

dB-Bewertung

Die Bilder werden so entwickelt, daß zunächst die Zeitfunktion fi(t) eines Ortes entsteht. Diese wird mit mittels Effektivwert- bzw. Maximumoperatoren in den dB-Wert up des Ortes umgeformt:

n ist dabei die Anzahl der betrachteten Samples, i ist der Sampleindex. f ist die berechnete Zeitfunktion des jeweiligen Ortes. k stellt die inverse Druckkonstante der Meßmikrofone MK250 (1/k = 1V ~ 0dB ~ 2.10-5 Pa) dar. Im Unterschied zum Effektivwertbild, welches die mittlere Schallemission darstellt, zeigt das Maximumbild nur die Orte höchster Emissionen. Je instationärer der Lärm einer Maschine, desto stärker weichen beide Darstellungen i.a. voneinander ab. Sofern nicht anders vermerkt, werden die folgenden Kartierungen mit dem Effektivwert berechnet.

Bei allen Messungen wird eine einheitlich orientierte Farbtabelle angewandt. Alle Messungen werden mit logarithmischer Skalierung (dB) durchgeführt.

Farbfolge in typischer Farbtabelle

Grenzfrequenz

Arraygröße und detektierbare Wellenlänge sind physikalisch eng miteinander verknüpft. Bei optimaler Aufstellung des Arrrays ist bestenfalls noch die Quelle einer Frequenz zu orten, deren Wellenlänge in der Dimension des maximalen Mikrofonabstands liegt. Mit der verwendeten Mikrofonanordnung ergibt sich eine Grenzfrequenz von etwa 300 Hz. Unterhalb dieser Grenzfrequenz werden die Bilder zunehmend kontrastärmer, da tieffrequente Gleichtaktsignale auf allen Kanälen zunehmend stören. Deshalb wird im Standardfall eine gehörrichtige dB(A)-Frequenzgangkorrektur genutzt, um brauchbare Interferenzintegrale zu erhalten. Zur Auflösung tieferer Frequenzen wären entsprechend größere Arrays zu verwenden. Prinzipbedingt kann allerdings auch dann nicht genauer geortet werden, als dies die Wellenlänge der Frequenz vorgibt.

Zeitliche Auflösung

In PSI-Tools wird zeitlich vorschreitend der Wellenraum rekonstruiert. Dadurch entstehen rückwärts laufende Wellenfelder trotz vorwärts laufender Zeit. Die Wellenfelder scheinen sich stets in das Mikrofonarray hineinzubewegen. Zur Beurteilung einer Abfolge von Ereignissen prüfe man den Abstand des Interferenzortes vom Zentrum des Mikrofonarrays.

Fehlermechanismen

Bei der Betrachtung akustischer Bilder sollten mögliche Fehlermechanismen beachtet werden:
1. die Maschinentiefe ist aufgrund einer Ebenenrekonstruktion i.a. nur ansatzweise erfaßt, radial liegende Quellen erscheinen bei falscher Tiefeneinstellung seitlich versetzt;
2. Abschattungen führen u.U. zu Scheinemissionen außerhalb der Abschattung;
3. periodische Wellenfelder hoher Frequenz führen u.U. zu Scheinemissionen kleinerer Amplituden 'Aliasing'.

Untersuchung der Wellenfelder

Es wurden Interferenzmovies des Getriebes aus verschiedenen Positionen bestimmt. Alle Kanaldaten sind Hardware-gefiltert mit zwei RC-Tiefpässen 300 Hz. Es ist jeweils der Ausschnitt gewählt, der den Übergang eines glatten; ungestörten Wellenfeldes in die hochfrequente Emission darstellt.
Interferenzfilme zeigen einheitlich 5000 Bilder pro Sekunde bei 0.4ms Integrationszeit. Die Farbtabellen zeigen jeweils eine Differenz von 20dB dividiert durch 10 Farben, d.h. 2 dB pro Farbwert. Eine erhöhte Auflösung von 50.000 Bildern pro Sekunde bringt keinen weiteren Erkenntniszuwachs, aus Speichergründen wurden diese Movies auf 5kSps reskaliert. Lediglich die Aufnahme W1_2 ist mit einem Movie unterlegt.

Messungen an Position W, zentrisch zum linken Walzenstuhl

Das Bildfeld wurde auf die Kanten des Walzenstuhls a fixiert. Untere Begrenzung bildet die Gehäusekante.

Entwicklung des Wellenfeldes am Walzenstuhl, Messposition W mit 5000 Bildern pro Sekunde, Integrationszeit 0.4 ms. Das Movie zeigt wischende Wellenfelder, deren Ursache außerhalb des Bildfeldes liegt. Große, glatte Strukturen sind mit großen Wellenlängen und tiefen Frequenzen verknüpft, während differenzierte Strukturen mit den hohen Frequenzen der gesuchten Emissionen verknüpft sind.

Entwicklung des Wellenfeldes am Walzenstuhl, Messposition W mit 5000 Bildern pro Sekunde, Integrationszeit 0.4 ms. Das Movie zeigt stehende Emissionen, deren Herkunft innerhalb des Bildfeldes liegt.

Entwicklung des Wellenfeldes am Walzenstuhl, Messposition W mit 5000 Bildern pro Sekunde, Integrationszeit 0.4 ms. Das Movie zeigt sowohl wischende als auch stehende Emissionen.

Messungen an Position Z, zentrisch zum Getriebe unten

Das Bildfeld wurde auf den Umriss Getriebe plus Walzenstuhl a+b fixiert. Untere Begrenzung bildet die Gehäusekante.

Entwicklung des Wellenfeldes am Getriebe unten, Messposition Z mit 5000 Bildern pro Sekunde, Integrationszeit 0.4 ms. Das Movie zeigt sowohl wischende als auch stehende Emissionen. Der Welleneindruck verschwindet bei höher gewählter Integrationszeit zulasten der Detailauflösung.

Entwicklung des Wellenfeldes am Getriebe unten, Messposition Z mit 5000 Bildern pro Sekunde, Integrationszeit 0.4 ms. Das Movie zeigt sowohl wischende als auch stehende Emissionen.

Messungen an Position G, zentrisch zum Getriebe oben

Das Bildfeld wurde auf den Umriss Getriebe ohne Walzenstuhl b fixiert. Untere Begrenzung bildet die Gehäusekante.

Entwicklung des Wellenfeldes am Getriebe oben, Messposition G mit 5000 Bildern pro Sekunde, Integrationszeit 0.4 ms. Das Movie zeigt sowohl wischende als auch stehende Emissionen.

Entwicklung des Wellenfeldes am Getriebe oben, Messposition G mit 5000 Bildern pro Sekunde, Integrationszeit 0.4 ms. Das Movie zeigt sowohl wischende als auch stehende Emissionen.

Hochpaßfilterung

Zufällig zeigte eine Filterung der Kanaldaten mit einem steilen Hochpassfilter, daß nach Filterung nur die Signalanteile übrigbleiben, die das gesuchte Geräusch ausmachen. Die Walzengeräusche werden weitgehend unterdrückt.

Vor der Filterung sehen die Kanaldaten so aus:

Nach Filterung bleiben die gesuchten Emissionen übrig, Betriebsgeräusche verschwinden. Man vergleiche dazu die hinter den Bildern versteckten Klangdateien (*.wav).

Wir erkennen vier Anregungen a) bis d). Deren zeitlicher Abstand korrelliert offenbar zwischen verschiedenen Aufnahmen nicht, vergleiche dazu die folgende Aufnahme. Das im Bild mit c gekennzeichnete Ereigniss entspricht dem Kanaldatenindex Z2_1.

Es kann angenommen werden, daß es sich um eine Entspannungsserie handelt. Bemerkenswert ist die für unser Ohr schwer wahrnehmbare Vorgeschichte a) bis c) einer Entspannung d). Die im Bild mit b und c gekennzeichneten Ereignisse entsprechen den Kanaldatenindex Z1_1 und Z1_2. Das Ereignis d ist aufgrund einsetzenden Abblasens nicht nutzbar.

Man beachte die lange Anschwellzeit der Erregungen, aufgrund derer es nur schwer möglich ist, einen zeitlichen Beginn örtlich zu fixieren. Vielmehr treten überall gleichzeitig zunehmende Schwingungsamplituden auf.

Langzeit-Interferenzintegrale mit Hochpaß 5kHz

Mit einem 5kHz-Hochpaßfilter (FIR mit 63 Koeffizienten, -50dB) werden die Kanäle vorgefiltert. Da in den gefilterten Datensätzen hörbar nur noch das gesuchte Geräusch auftritt, wurden lange Interferenzintegrale des Effektivwertes gerechnet mit dem Ziel, eine Amplitudenkartierung der Geräusche auf der Maschine zu erhalten.

Dabei zeigt sich, daß die erhaltenen Wellenfelder keine nennenswerten Interferenzpunkte besitzen. Dies läßt die Schlußfolgerung zu, daß eine jeweilige Emission jeweils verdeckt oder überhaupt nicht im Bildfeld liegt, vgl. folgende Bilder.

Allerdings zeigt eine Aufnahme eine Besonderheit. Der Datensatz W1_2, der auch hörbar den klarsten Eindruck macht, zeigt ein deutlich um ca. 3dB abgehobenes Maximum am walzenseitig unteren Zahnrad. Im Gegensatz dazu zeigen die anderen Bilder offenbar nur Welleninterferenzen von Quellen, die irgendwo abgeschattet liegen. Die automatische Farbkontrastmaximierung erweckt teilweise nur scheinbar den Eindruck, daß hier echte Information vorliegt, man vergleiche dazu auch die dB-Anzeigen der Bilder. Gegenüber der dB-Anzeige der Kanaldaten erscheint der Wertebereich der Bilder um etwa 10dB abgesenkt.

Messungen an Position W, zentrisch zum linken Walzenstuhl

Das Bildfeld wurde auf die Kanten des Walzenstuhls a fixiert. Untere Begrenzung bildet die Gehäusekante. Rechte Begrenzung bilden die Kanten der Zahnräder.


Eine automatische Farbskalierung sorgt in diesem Bild offenbar dafür, das fremdinterferentielle Welleninterferenzen belichtet werden. Man beachte die geringe Lautstärke.


Das Bild W1_2all zeigt eine starke Einzelemission am linken, walzenseitigen Zahnrad, die von fremdinterferentiellen Störungen und Wellenfeldern begleitet ist. Im hinter dem Bild liegenden Movie mit Maximum-Bewertung ist diese Schwerpunktemission nicht zu erkennen, offenbar wirkt sich diese nur integral aus.


Eine Zerlegung des Datensatzes W1_2 in Einzelbilder zeigt eine auffällige Konzentration der Emissionen entlang der unteren Zahnradwelle. Zusätzlich ist eine diffuse Emission im linken, oberen Bildteil zu erkennen, die vermutlich von einem Quellort im nur von hinten sichbaren Bereich stammt.


Auf oberem und unterem walzenseitigen Zahnrad sowie am Walzenstuhl sind starke Emissionen zu erkennen. Es ist auffällig, daß die Emissionen eine gewisse Periodizität in Achsenrichtung der Wellen aufweisen. Ein möglicher Fehlermechanismus könnte die Abschattung und Verzögerung von Wellenteilen durch den Querträger sein.

Messungen an Position Z, zentrisch zum Getriebe unten

Das Bildfeld wurde auf den Umriss Getriebe plus Walzenstuhl a+b fixiert. Untere Begrenzung bildet die Gehäusekante. Rechte Begrenzung bilden die Kanten der Zahnräder.


Während in Aufnahme Z1_2 starke, großflächige Emissionen zu beobachten sind, treten in der folgenden Aufnahme diskrete Interferenzorte auf. Im hinter dem Bild liegenden Movie in Maximum-Bewertung ist diese Schwerpunktemission nicht zu erkennen, offenbar wirkt sich diese nur integral aus.


Jeweils auf oberem und unterem Zahnradpaar sind paarige Interferenzen zu erkennen. Die motorseitigen Zahnräder emittieren am stärksten.

Messungen an Position G, zentrisch zum Getriebe oben

Das Bildfeld wurde auf den Umriss Getriebe ohne Walzenstuhl b fixiert. Untere Begrenzung bildet die Gehäusekante. Rechte Begrenzung bilden die Kanten der Zahnräder.


Die gewählten Aufnahmen aus Position G zeigen deutlich verschiedene Druckamplituden trotz verrgleichbarer Kanalpegel. Die Interferenzwerte der Aufnahme G3_1 liegen um 9dB (Faktor 3) höher, als die der Aufnahme G4_1. Es ist anzunehmen, daß G4_1 in Abschattung aufgenommen wurde. Offenbar starke Fremdinterferenz.


Das Bild erweckt den Eindruck schlechter Konditionierung. Offenbar projiziert die seitliche Aufstellung des Arrays größere Fehler in das Bild. Stärkste Emissionen sind an der Kante des walzenseitigen Zahnradpaars zu erkennen. Möglicherweise sehen wir einen Spiegelungseffekt im Spalt zwischen Zahnrädern und Walzenstuhl.

Zusammenfassung

Mit Hilfe der 'Akustischen Kamera' wurden 16-kanalige Records am 148" Kammwalzenstuhl mit 12bit/50kSps aufgenommen. Daraus wurden akustische Karten sowie Hochgeschwindigkeitmovies berechnet. Die Herkunft klirrender Geräusche war zu ermitteln. Es konnten Aufnahmen mit bis zu 50.000 Samples bzw. Bildern pro Sekunde (kSps) angefertigt werden. Sampleraten oberhalb von 50kSps wurden aufgrund von Hardwareproblemen nicht erreicht.

Die Aufnahmen erfolgten in einer lauten Halle mit einer Emission oberhalb der zu messenden Pegel in einem nicht reflexionsfreien Raum. Pegel in den Kanälen reichen von 69 bis 74 dB (siehe Zeitfunktionsbilder), Pegel der ungefilterten Bilder liegen um 10 bis 20 dB darunter. Interferenzpegel der zu suchenden Emission liegen bei 36 bis 54 dB nach 5kHz-Filterung.

Bei der Betrachtung der Bilder sollten mögliche Fehlermechanismen beachtet werden: 1. die Maschinentiefe wurde nur ansatzweise erfaßt, radial liegende Quellen erscheinen bei falscher Tiefeneinstellung seitlich versetzt; 2. Abschattungen durch den den Zahneingriff abschattenden, vorn quer liegenden Träger führen zu Scheinemissionen außerhalb der Abschattung; 3. periodische Wellenfelder hoher Frequenz führen u.U. zu Scheinemissionen kleinerer Amplituden.

Eine Hochpassfilterung mit einem Durchlaßband beginnend bei 5kHz beseitigte nahezu alle Arbeitsgeräusche von Maschine und Halle, das klirrende Geräusch bleibt übrig. Hochpaß-gefilterte Kanaldaten zeigen allerdings keine prinzipiell anderen Eigenschaften, auch hier beginnt das gesamte Feld allmählich zu vibrieren, sodaß Ortsaussagen ausgehend vom Wellenfeld nicht möglich sind.

Wellenfeldaufnahmen scheinen zu zeigen, daß nicht von einer explosionsartig sich ausbreitenden Erregung auszugehen ist. Hochfrequente Emissionen schwellen innerhalb von etwa 3 ms im gesamten Feld allmählich an, ohne daß eine Emissionsquelle zu erkennen wäre. Dies zeigt sich bei Betrachtung der Kanaldaten, wie bei der Betrachtung der Wellenfelder.
Mögliche Deutungen sind:
a) ein einzelner Emissionsort liegt um etwa v*t = 5100m/s * 3 ms = 15 Meter Schallweg außerhalb des Bildfeldes;
b) eine spezifische Materialeigenschaft verursacht das langsame Anschwellen oder
c) innerhalb von drei Millisekunden hat mehrfach reflektierter Körperschall, der von einem Ort ausgeht, die ganze Maschine erfaßt.

Die Anstriche a) und b) erscheinen unwahrscheinlich. Das langsame Anschwellen zeigt sich in den Wellenfeldaufnahmen als Kräuselung. Es verhinderte eine klare Ortsaussage.

Langzeit-Interferenzintegrale ('Bilder') zeigen sehr unterschiedliches Aussehen bei den verschiedenen Klicks. Mehrfach wiederholte Rechnungen, u.a. mit verschiedenen Entfernungswerten und verschiedener Integrationsdauer zeigen kaum Abweichungen. Folglich muß es eine Ursache für die krasse Verschiedenheit der Bilder in Widerspruch zur Vergleichbarkeit der Kanaldaten geben. Dazu sind Differenzen in den Kanaldaten erforderlich. Während der Aufnahmen veränderten sich zwei Parameter unkontrolliert: die Geräusche in der Halle sowie die Winkelstellung der Zahnräder. Durch die Hochpaßfilterung wurde das Maschinen- und Hallengeräusch weitgehend eliminiert. Sollte der Emissionsmechanismus im Zahnrad unsymmetrisch wirken, hätte dies zwangsläufig stark verschiedene Interferenzbilder zur Folge.

Die Aufnahme W1_2 zeigt deutlich einen starken, einzeln stehenden Interferenzort auf dem linken, walzenseitigen Zahnrad (in der unteren Bildmitte), der sich mit etwa 3dB abhebt.

Verifikative Rechnungen bestätigten eine Reproduzierbarkeit der Differenziertheit der einzelnen Interferenzintegrale, sodaß anzunehmen ist, daß entweder die Erregungsmechanismen der einzelnen Klicks jeweils andere sind, oder daß die Winkelstellung des Getriebes jeweils eine andere war.

Eine Aufnahme der Emissionen in Abhängigkeit von der Getriebestellung könnte als einfache Verifikation von Nutzen sein, um den Schadensort näher einzugrenzen.


Dr. G. Heinz
GFaI Berlin, Projektleiter für Welleninterferenztechnologie


*AVIs replaced by MP4; layout enabled for smartphones; some adds 11/11/2023