Schwingungsanalyse und Maschinenakustik
Sensor-, kamera- und laserbasierte Messtechnik zur Schwingungs- und Geräuschmessung
Anwendung experimenteller Verfahren der Schwingungsanalyse
Mobile Schwingungs- und Akustikmessungen direkt vor Ort
Schwingungsanalyse I Maschinenakustik
Strukturdynamik und Akustik für Maschinen, Anlagen und Bauteile
Die EVO unterstützt Unternehmen bei der Untersuchung von Schwingungen, Resonanzen und Geräuschen an Maschinen, Anlagen, Bauteilen und Baugruppen. Mithilfe von Verfahren der Strukturdynamik und technischen Akustik identifizieren wir Schwingungs- und Geräuschursachen, Resonanzen sowie kritische Übertragungswege und leiten daraus gezielte Optimierungsmaßnahmen ab.
Zum Einsatz kommen moderne Verfahren wie experimentelle Modalanalyse, Betriebsschwingungsanalyse, Laser-Scanning-Vibrometrie sowie Luft- und Körperschallmessungen. Durch die Kombination experimenteller Untersuchungen, numerischer Simulation und physikalischer Interpretation lassen sich Ursachen frühzeitig erkennen und nachhaltig beheben.
Unsere mobilen Messsysteme ermöglichen Schwingungs- und Geräuschanalysen direkt vor Ort an Maschinen und Anlagen. So können Schwingungs- und Geräuschprobleme schnell diagnostiziert und gezielte Maßnahmen zur Verbesserung von Qualität, Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit umgesetzt werden.
Schwingungsanalyse:
Schwingungen und Resonanzen analysieren
Unerwünschte Schwingungen und Resonanzen können Funktion, Lebensdauer und Zuverlässigkeit technischer Systeme beeinträchtigen. EVO untersucht das dynamische Verhalten von Bauteilen, Baugruppen, Maschinen und Anlagen unter definierten oder realen Betriebsbedingungen und führt gezielte Schwingungsanalysen zur Bewertung des strukturdynamischen Verhaltens durch.
Mit 2D-Schwingungsanalysen, Betriebsschwingungsmessungen und experimentellen 3D-Modalanalysen bestimmen wir Eigenfrequenzen, Schwingungsformen, Dämpfungseigenschaften und kritische Betriebszustände. Dadurch lassen sich Ursachen von Schwingungen und Resonanzproblemen gezielt lokalisieren sowie konstruktive und betriebliche Optimierungsmaßnahmen ableiten.
Schwingungsanalyse und Technische Akustik:
Geräuschquellen identifizieren
Störende Geräusche entstehen häufig durch das Zusammenspiel von Anregung, Strukturschwingungen und Schallabstrahlung. Im Bereich der Maschinenakustik untersucht EVO Luft- und Körperschall, lokalisiert relevante Geräuschquellen und analysiert die Übertragungswege innerhalb technischer Systeme.
Mithilfe von Luft- und Körperschallmessungen, Transferpfadanalysen (TPA) sowie vibroakustischen Untersuchungen identifizieren wir die Ursachen akustischer Auffälligkeiten. Auf dieser Basis entwickeln wir gezielte Maßnahmen zur Geräuschreduzierung und akustischen Optimierung von Produkten, Maschinen und Anlagen.
Von der SchwingungsMessung zur Ursachenanalyse und Optimierung
Typische Fragestellungen aus Entwicklung und Betrieb
- Woher kommen unerwartete Schwingungen oder Vibrationen einer Maschine?
- Welche Eigenfrequenzen und Resonanzen besitzt ein Bauteil?
- Welche Struktur oder Komponente verursacht ein störendes Geräusch?
- Über welche Pfade werden Körperschall und Vibrationen übertragen?
- Wie lässt sich das Schwingungsverhalten rotierender oder schwer zugänglicher Bauteile berührungslos messen?
- Wie können experimentelle Messdaten zur Validierung und zum Abgleich von FE-Modellen genutzt werden?
- Welche konstruktiven Maßnahmen reduzieren Schwingungen oder Geräusche?
Schwingungsanalyse I Maschinenakustik
Laser-Scanning-Vibrometrie für berührungslose Schwingungsmessungen
Mit der Laser-Scanning-Vibrometrie (Laser-Doppler-Vibrometrie) untersucht EVO Schwingungen berührungslos und flächenhaft. Das Verfahren nutzt den Doppler-Effekt, um die Bewegung von Oberflächen präzise zu erfassen und daraus Frequenzspektren sowie Schwingungsformen zu bestimmen.
Gegenüber kontaktierenden Sensoren entsteht kein zusätzlicher Masseeintrag am Messobjekt. Dadurch eignet sich die Laservibrometrie insbesondere für kleine, leichte oder empfindliche Strukturen sowie für schwer zugängliche, heiße oder rotierende Bauteile.
Die bildgebende Darstellung des Schwingungsverhaltens erleichtert die Lokalisierung lokaler Schwingungsphänomene, Resonanzen und strukturdynamischer Auffälligkeiten. So können Ursachen von Schwingungsproblemen durch die berührungslose Schwingungsmessung schnell identifiziert und gezielte Optimierungsmaßnahmen abgeleitet werden.
Schwingungsanalyse I Maschinenakustik
Experimentelle 3D-Modalanalyse mit B-Aufnehmern
Bei der experimentellen 3D-Modalanalyse bestimmt die EVO mithilfe von Beschleunigungsaufnehmern die dynamischen Eigenschaften von Bauteilen und Strukturen. Im Rahmen der experimentellen Modalanalyse werden insbesondere Eigenfrequenzen, Eigenformen, Dämpfungen und weitere Modalparameter ermittelt. Die Ergebnisse helfen dabei, Resonanzen und strukturelle Schwachstellen zu erkennen und konstruktive Änderungen gezielt zu bewerten.
Schwingungsanalyse I Maschinenakustik
Bildgebende Schwingungsanalyse
Mit Hochgeschwindigkeitskameras analysiert EVO schnelle Bewegungsabläufe, Verformungen, Dehnungen und dynamische Vorgänge an Maschinen und Bauteilen. Das optische Messverfahren eignet sich insbesondere für schnell bewegte oder rotierende Komponenten, deren Verhalten mit konventioneller Messtechnik nur eingeschränkt erfasst werden kann.
Durch die bildbasierte Auswertung lassen sich Vibrationen, Bewegungen, Verformungen und Dehnungen sichtbar machen und mit dem Betriebszustand der Maschine in Zusammenhang bringen. Dadurch können kritische Lastzustände, Funktionsstörungen und strukturdynamische Auffälligkeiten gezielt identifiziert und bewertet werden.
Für die quantitative Auswertung von Verformungen und Dehnungen nutzen wir unter anderem die Software VEDDAC der Chemnitzer Werkstoffmechanik GmbH.
Anwendungsbereiche
Einsatzbereiche unserer Akustik- und Schwingungs-
analysen
- Produktentwicklung und Konstruktion
- Maschinen- und Anlagenbau
- Fahrzeug- und Komponentenentwicklung
- Troubleshooting an bestehenden Maschinen
- Ursachenanalyse bei Schwingungs- und Geräuschproblemen
- Validierung und Absicherung von Konstruktionen
- FE-Modellabgleich
- Lebensdauer- und Zuverlässigkeits-untersuchungen
Kontakt
Sie haben ein Schwingungs- oder Geräuschproblem?
Häufig gestellte Fragen
3d-Modalanalyse - was muss man sich darunter vorstellen?
Kurz gesagt: Ein Verfahren zur Untersuchung der dynamischen Eigenschaften von Strukturen, um deren Eigenfrequenzen, Schwingungsformen und Dämpfungseigenschaften zu bestimmen.
Die experimentelle Modalanalyse ist ein Messverfahren, das mittels Beschleunigungssensoren im Ergebnis das Schwingungsverhalten einer mechanischen Struktur durch die modalen Parameter – Eigenfrequenz, Dämpfung und Eigenschwingungsform – beschreibt. Aus den Messergebnissen lassen sich Maßnahmen zur Schwingungsoptimierung ableiten, die schwingungs- und / oder lärmmindernd und im Fahrzeugbau komforterhöhend wirken.
Das dynamische Verhalten einer angeregten Struktur wird generell durch das Vorhandensein von Eigenschwingungen bestimmt. Typischerweise treten diese Eigenschwingungen bei diskreten Frequenzen auf, den sogenannten Eigenfrequenzen auf. Im Rahmen einer Modalanalyse wird das dynamische Verhalten einer angeregten Struktur gemessen und analysiert und in ein modales Modell überführt. Grundlage des modalen Modells bilden die gemessenen Übertragungsfunktionen aus Anregungs- und Messsignal. Für deren Ermittlung wird die Struktur mit einem bekannten und messbaren Anregungsspektrum beaufschlagt und die resultierenden Systemantworten gemessen. Durch Auswertung der Übertragungsfunktionen werden die modalen Parameter zur analytischen Beschreibung der Struktur berechnet und im Ergebnis als Struktureigenschwingformen mit ihren Dämpfungen wiedergegeben.
Darüber hinaus können die experimentell ermittelten Modalparameter mit numerischen Modellen, beispielsweise Finite-Elemente-Modellen (FEM), abgeglichen werden. Die Bewertung erfolgt anhand etablierter Vergleichskriterien wie MAC- oder COMAC-Kennwerten. Dadurch wird die Qualität der Simulation verifiziert und gegebenenfalls optimiert.
Somit liefern die Ergebnisse der Modalanalyse nicht nur eine fundierte Bewertung des Schwingungsverhaltens, sondern dienen auch als wichtige Eingangsgrößen für weiterführende numerische Berechnungen und Simulationen. Insbesondere Eigenfrequenzen, Eigenformen und Schwingungsamplituden bilden eine belastbare Grundlage für die virtuelle Produktentwicklung und die gezielte Optimierung technischer Systeme.
Was ist der Unterschied zwischen einer Modalanalyse und einer Betriebsschwingungsanalyse?
Eine experimentelle Modalanalyse bestimmt die dynamischen Eigenschaften einer Struktur, insbesondere Eigenfrequenzen und Eigenformen. Eine Betriebsschwingungsanalyse untersucht dagegen das reale Schwingungsverhalten einer Maschine oder Struktur während des Betriebs.
Welche Luft- und Körperschallmessungen bietet die EVO an?
Das Durchführen und Bewerten von mobilen und stationären Schall- und Schwingungsmessungen:
- Eigenfrequenz- und Schalldruckmessungen
- FFT- und n-tel-Oktavanalysen
- Ordnungsanalysen
- Transfer-Pfad-Analysen
Stationäre Schall- und Schwingungsmessungen
Stationäre Messungen werden an einem festen Ort oder in einem speziell dafür eingerichteten Labor durchgeführt. Sie dienen der Überwachung und detaillierten Analyse von Schall- und Schwingungsemissionen. In solchen Umgebungen werden hochpräzise Sensoren und Messgeräte eingesetzt, um genaue Daten von z.B. Schallpegeln, Frequenzspektren, Schwingungsamplituden etc. zu sammeln.
Anwendungen für stationäre Messungen sind vielfältig und reichen von der Qualitätssicherung in der Produktion über die Untersuchung von Lärmauswirkungen bis hin zur Analyse von Maschinen- oder Gebäudevibrationen. Die gewonnenen Daten ermöglichen die Identifikation von Problemen, die Ergreifung von Vorbeugungsmaßnahmen und die Optimierung der Effizienz der Messobjekte.
Mobile Schall- und Schwingungsmessungen
Mobile Messungen führen wir direkt vor Ort durch. Dadurch können wir flexibel zwischen verschiedenen Standorten wechseln. Mobile Messungen sind ideal, um Schall- und Schwingungsquellen in unterschiedlichen Umgebungen und unter veränderlichen Bedingungen zu erfassen. Dabei werden tragbare oder in Fahrzeugen montierte Messgeräte verwendet, um Daten in Echtzeit zu sammeln. Diese Methode ermöglicht es, flexibel zwischen verschiedenen Standorten zu wechseln und eine breite Palette von Anwendungen abzudecken.
Mobile Schall- und Schwingungsmessungen setzen wir in der Fahrzeugentwicklung ein, um Geräusche und Schwingungen während des Betriebs zu messen und zu analysieren. Außerdem werden sie zur Bewertung von Lärmbelastungen oder bei der Untersuchung von Umweltauswirkungen in urbanen Räumen von uns durchgeführt.
Was ist eine Alpha-Kabine? Und wie kann man damit den Schallabsorptionsgrad von Materialien bestimmen?
Die Alpha-Kabine ist ein miniaturisierter Hallraum zur zerstörungsfreien Messung der Schallabsorption von Materialien, Formteilen oder kompletten Modulen.
TECHNISCHE DATEN zu unserer Alpha-Kabine:
Abmaße: 3,22×2,37×2,03 m (LxBxH)
Volumen: 6,44m³
Musterfläche: 1,2m²
Frequenzbereich: 400-10.000 Hz
Normen: Basierend auf ISO 354:2003
In einer Alpha-Kabine wird die Nachhallzeit T (in Sekunden) der leeren Kabine und die Nachhallzeit der Kabine mit dem platzierten Messobjekt ins Verhältnis gestellt. Die Nachhallzeit selbst gibt an, wie lange es dauert, bis der vorherrschende Schalldruckpegel in der Kabine um 60 dB (T60) oder um 30 dB (T30) abnimmt. Anschließend wird für ausgewählte Frequenzbereiche zwischen 400 Hz und 5 kHz der sogenannte Sabine´sche Absorptionsgrad αs berechnet. Darauf aufbauend ergibt sich der bewertete Absorptionsgrad αw, der die Absorptionseigenschaften eines Schallabsorbers in einer einzigen Kennzahl zusammenfasst. Darüber hinaus werden die αw-Werte in sechs Kategorien (A bis E und nicht klassifiziert) eingeordnet. Dadurch lassen sich Materialien und Komponenten einfacher vergleichen. Zudem kann der Einzahlwert bei stärkeren Überschreitungen der Bewertungskurve durch zusätzliche Indizes ergänzt werden.
Schallabsorption und Schalldämmung
Schallabsorption
In der Bau- bzw. Raumakustik wird der Schallabsorptionsgrad von Akustikelementen gemessen, um festzustellen, wie gut diese Elemente Schallenergie absorbieren und somit den Schallpegel in einem Raum reduzieren können. Die Akustikelemente werden dabei einer bestimmten Schallabsorberklasse (A, B, C, D, E und nicht klassifiziert) gemäß den Vorgaben nach der DIN EN 11654 zugeordnet. Diese Zuordnung basiert auf dem jeweiligen Schallabsorptionsgrad, den das Akustikelement während der Messung erreicht. Welche Kategorie letztlich gewählt wird, um die akustischen Erfordernissen eines Raumes zu erfüllen, hängt auch vom Raum selbst ab, denn die Materialien in den verschiedenen Kategorien ergänzen die bereits vorhandene Schallabsorption. Somit ist die richtige Wahl der passenden Absorberklassen entscheidend für die Optimierung der Raumakustik, die Lärmminderung und die Schaffung einer angenehmen akustischen Umgebung in Gebäuden, Konzertsälen, Büros und anderen Räumlichkeiten.
Schalldämmung
Zur Messung des Schalldämm-Maßes einer Probe verwenden wir in unserem Labor eine spezielle Messbox. Der Prüfkörper wird auf die Messbox gelegt, fixiert und abgedichtet. Die Messfläche des Prüfkörpers beträgt ca. 0,6 x 0,5 m². Wir regen den Raum innerhalb der Box mit Lautsprechern an und messen den Schalldruckpegel – sowohl innerhalb als auch außerhalb der Box – im Frequenzbereich von 250 Hz bis 4 kHz. Dies geschieht nach den Vorgaben der DIN EN 20140-3. Aus diesen Messergebnissen berechnen wir das entwicklungsbegleitende Labor-Schalldämm-Maß. Aufgrund der Größe der Messbox kann erst oberhalb von 800 Hz ein diffuses Schallfeld erreicht werden, daher verwenden wir die Messwerte im tieffrequenten Bereich nur, um allgemeine Tendenzen zu erkennen.
Vibrometrische Schwingungsanalysen - wie und wozu?
Um schwingende Systeme aus Natur und Technik zu analysieren, sind hochpräzise, flexible und idealerweise rückwirkungsfreie Messwerkzeuge unverzichtbar. Die Laser-Scanning-Vibrometrie erfüllt diese Anforderungen in hervorragender Weise. In der industriellen Forschung und Entwicklung kommen Vibrometer vielfältig zum Einsatz. Mit ihrer Hilfe lassen sich dynamischen und akustischen Eigenschaften von Objekten unterschiedlichster Größe untersuchen. Das Anwendungsspektrum reicht von der Schwingungsanalyse großer Flugzeugteile, Produktionsanlagen, Fahrzeugkarossen und Gebäuden bis hin zu winzigen mikroelektronischen Komponenten.
Funktionsprinzip der vibrometrischen Schwingungsanalyse
Prinzipiell wird bei der vibrometrischen Schwingungsanalyse der Prüfling mittels eines Shakers oder eines piezoelektrischen Erregers zum Schwingen angeregt. Anschließend antwortet der Prüfling mit seinen Eigenfrequenzen bzw. bei gekoppelten Bauteilen mit Relativbewegungen.
Auf der Basis eines vordefinierten Messgitters scannt der Laser die Strukturoberfläche des Prüflings ab und misst am jeweiligen Messpunkt die Schwinggeschwindigkeit. Dabei wird bei Schwingungsmaxima (Eigenfrequenzen oder Relativbewegungen) softwareseitig die jeweilige Schwingform berechnet. Ein besonderer Vorteil des Verfahrens ist die Animation dieser Schwingformen, die auf ein hinterlegtes Kamerabild projiziert werden und dadurch zum besseren Verständnis des Schwingverhaltens und der jeweiligen Struktur beitragen.
Darüber hinaus lassen sich aus den Schwingformen gezielt Strukturmodifikationen zur Verbesserung des Schwingungsverhaltens bzw. zur Verringerung von Relativbewegungen ableiten.
- Berührungslose Messtechnik
Da die Laser-Scanning-Vibrometrie ohne physischen Kontakt mit dem Messobjekt arbeitet, wird die Messung nicht durch die Masse oder Steifigkeit von Sensoren beeinträchtigt. Das interessierende Objekt muss allerdings optisch zugänglich sein. - Hohe räumliche Auflösung
Die LSV ermöglicht die Erfassung von Vibrationen mit hoher räumlicher Auflösung, was bedeutet, dass feine Details der Schwingungen auf der Oberfläche eines Objekts genau gemessen werden können. - Echtzeitmessungen
Moderne Laser-Scanning-Systeme ermöglichen oft Echtzeitmessungen, was wichtig ist, um dynamische Veränderungen in Schwingungen sofort zu erfassen und zu analysieren. - Quantitative Ergebnisse
Die Laser-Scanning-Vibrometrie liefert quantitative Ergebnisse, die numerisch interpretiert werden können. Dies ermöglicht eine präzise Charakterisierung der vorherrschenden Schwingungen.
Wann eignet sich eine Laser-Scanning-Vibrometrie?
Die Laser-Scanning-Vibrometrie eignet sich besonders für berührungslose Schwingungsmessungen an kleinen, leichten, empfindlichen, heißen, rotierenden oder schwer zugänglichen Bauteilen. Da keine Sensoren aufgebracht werden müssen, wird das dynamische Verhalten des Messobjekts nicht durch zusätzliche Masse beeinflusst.
Wie lassen sich Schwingungsursachen an Maschinen identifizieren?
Schwingungsursachen können durch die gezielte Kombination von Betriebsschwingungsanalysen, 3D-Modalanalysen und bildgebenden Messverfahren untersucht werden. Dabei werden Frequenzen, Schwingformen und Betriebszustände miteinander verglichen, um Resonanzen, Anregungsquellen und strukturelle Schwachstellen zu identifizieren.
Können Schwingungsanalysen direkt an einer Maschine vor Ort durchgeführt werden?
Ja. EVO setzt mobile Messsysteme ein und kann zahlreiche strukturdynamische und akustische Untersuchungen direkt an Maschinen und Anlagen beim Kunden durchführen.
Transferpfadanalyse (TPA) - was ist das?
Eine Transfer-Pfad-Analyse ist eine Methode zur Untersuchung und Bewertung von Geräusch- und Schwingungsübertragungen in komplexen Systemen. Sie ermöglicht es, die Wege und Mechanismen zu identifizieren, über die Geräusche oder Vibrationen von einer Quelle zu einem bestimmten Ziel übertragen werden.
Die EVO wendet die Transfer-Pfad-Analyse als eine sehr effiziente Methode an, um die Übertragung von Luft- und Körperschallenergie von einer oder mehreren Quellen zu einem bestimmten Ziel, oft dem menschlichen Ohr, in komplexen Systemen zu untersuchen und zu analysieren. Häufig wird sie in der Fahrzeug- und Maschinenakustik sowie in der Bauakustik eingesetzt.
Die Analyse wird in mehreren Schritten durchgeführt: Identifikation der Quellen – zunächst werden die in einem System vorhandenen Luft- oder Körperschallquellen identifiziert. Messung der Übertragungswege – Messung der Übertragungswege, über die die Luft- oder Körperschallenergie von den identifizierten Quellen zum Ziel gelangt. Berechnung der Beitragspfade – auf der Grundlage der gemessenen oder bewerteten Daten werden die einzelnen Beiträge der verschiedenen Übertragungspfade zum Gesamtschalldruckpegel oder zum Gesamtkörperschallpegel ermittelt. Optimierung – schließlich können Maßnahmen zur Luft- und Körperschallminderung geplant und umgesetzt werden, um die gewünschten Luft- und Körperschallminderungsziele zu erreichen.
Welche Schocktests und Schwingprüfungen bietet die EVO an?
Schocktests und Schwingprüfungen werden gemäß den Prüfnormen DIN EN 60068-2-6 und DIN EN 60068-2-27 durchgeführt. Darüber hinaus bieten wir kombinierte Belastungsprüfungen nach DIN EN 60068-2-29, DIN EN 61373, BMW Group Standard GS 95003-3 und ISO/WD 16750-3 an.
Die hier aufgeführten Prüfungen führen wir in Kooperation mit Partnerfirmen durch:
DIN EN 60068-2-6 (2008-10): Umgebungseinflüsse, Teil 2-6: Prüfverfahren – Prüfung Fc: Schwingen (sinusförmig)
DIN EN 60068-2-27 (1995-03): Umweltprüfungen, Teil 2: Prüfungen; Prüfung Ea und Leitfaden: Schocken
DIN EN 60068-2-29 (1995-03): Umweltprüfungen, Teil 2: Prüfungen; Prüfungen Eb und Leitfaden: Dauerschocken
DIN EN 61373: Betriebsmittel von Bahnfahrzeugen – Prüfungen für Schwingen und Schocken
BMW Group Standard GS 95003-3: Elektrik-/Elektronik-Baugruppen in Kraftfahrzeugen, Mechanische Anforderungen
ISO/WD 16750-3 Road Vehicles: Environmental conditions for electrical and electronic equipment, Part 3: Mechanical loads
Beim Schocktest wird das Produkt oder System abrupt und intensiv einer stoßartigen Belastung ausgesetzt. Dies dient dazu, die Fähigkeit des Produktes zu überprüfen, Stöße und Erschütterungen zu widerstehen, wie sie beispielsweise während des Betriebs (Herabfallen) auftreten können. Durch Schocktest können Schwachstellen und Designfehler identifiziert werden und die Robustheit und Langlebigkeit des Produktes verbessert werden.
Bei der Schwingprüfung wird das Produkt oder die zu untersuchende Struktur oftmals normgerechter Vibrationen ausgesetzt, um die Lebensdauer, Haltbarkeit bzw. Strukturfestigkeit zu überprüfen und sicherzustellen, das es den erwarteten Beanspruchungen bzw. den realen Betriebsbedingungen standhalten kann.
Sie können uns über unsere Website kontaktieren oder uns eine E-Mail senden. Wir stehen Ihnen gerne bei Fragen zur Verfügung.
Können Messdaten zur Validierung von FE-Simulationen verwendet werden?
Ja. Experimentell bestimmte Eigenfrequenzen, Eigenformen und weitere Messgrößen können mit numerischen Simulationsergebnissen verglichen und für den FE-Modellabgleich genutzt werden.