Potthoff, Hans-hermann (Im Rainacker 6, Bischweier, 76476, DE)
| 1. | Verfahren zur Bestimmung der dynamischen Kenndaten von Materialien, insbesondere des Verlustfaktors von Belägen zur KörperschallEntdröhnung in der KFZIn dustrie, mit den folgenden Schritten : (1) Erzeugen einer streifenförmigen, das Mate rial aufweisenden Probe ; (2) Einspannen der Probe an einem Ende und Er regen der Probe zu einer transversalen Biege welle mittels eines Schwingerregers ; (3) Bestimmung einer Kenngröße der Auslenkung oder der Auslenkungsgeschwindigkeit an wenigs tens einer Stelle der Probe ; dadurch gekennzeichnet, dass (4) die Erregung am eingespannten Ende er folgt, so dass eine zum anderen Ende der Probe laufende Biegewelle mit abnehmender Amplitude entsteht ; (5) die Kenngröße der Auslenkung oder der Aus lenkungsgeschwindigkeit an einer Doppelmess stelle aus zwei voneinander beabstandeten Ein zelstellen ermittelt wird ; (6) die Wellenlänge der laufenden Biegewelle ermittelt wird ; und (7) aus den ermittelten Werten der Verlustfak tor der Probe ermittelt wird. |
| 2. | Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe hängend an einem Einspannkopf einge spannt ist und dieser als Schwingerreger dient. |
| 3. | Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass der Probenkörper aus einem mit dem zu vermessenden Material beschichteten Träger besteht und dass an seinem freien Ende eine streifenförmige DummyProbe als BiegewellenAbsorber befestigt ist. |
| 4. | Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die Bestimmung der Kenngrößen der Auslenkung oder der Auslenkungsgeschwindigkeit an mehreren gegeneinander versetzten Doppelmessstellen erfolgt, wobei die Dämpfungseigenschaft der Probe als Mittelwert der für jede Doppelmessstelle ermit telten Dämpfungseigenschaften errechnet wird. |
| 5. | Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, dass die Probe mit einem breitbandigen Signal angeregt wird, die Bestimmung der Kenngrößen der Auslenkung oder der Auslenkungsgeschwindigkeit an einer Doppelmessstelle erfolgt, wobei hierfür die komplexe Übertragungsfunktion berechnet wird und daraus Amplitudengang und Phasengang und hiermit schließlich der Verlustfaktor bestimmt wird. |
| 6. | Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Auslen kungskenngrößen mit Hilfe eines Laservibrometers er folgt. |
2. Einspannen der Probe an einem Ende und Erregen der Probe zu einer transversalen Biegewelle mittels eines Schwingerregers.
3. Bestimmung einer Kenngröße der Auslenkung oder der Auslenkungsgeschwindigkeit an wenigstens einer Stelle der Probe.
Ein ähnliches Verfahren, das diese Merkmale aufweist, ist als Verfahren nach"Oberst"bekannt, das unter anderem in der europäischen Norm EN ISO 6721-3, Ausgabe 1996 : Kunst- stoffe, Bestimmung dynamischer/mechanischer Eigenschaf- ten, Teil 3 : Biegeschwingung, Resonanzkurven-Verfahren, genannt ist. Danach besteht das Messverfahren darin, ei- nem Probenkörper Biegeschwingungen im Frequenzbereich zwischen 10 und 1.000 Hz aufzuzwingen und aus dem Reso- nanzverhalten des Probenkörpers entsprechende Kenngrößen, z. B. den Verlustfaktor d, die die Dämpfungseigenschaften beschreiben, abzuleiten. Die stab-oder streifenförmigen Probenkörper von rechteckigem Querschnitt werden dazu in vertikaler Lage an ihrem oberen Ende frei hängend eingespannt. Das untere freie Ende der Probe wird mittels eines Schwingerregers, der auf induktive Weise auf die Probe einwirkt, in Schwingung versetzt.
Die dabei entstehende Biegewelle läuft zum oberen Ende der Probe, wird dort an der festen Einspannung reflek- tiert, so dass sich insgesamt eine stehende Welle ausbil- det. Nahe der oberen festen Einspannung befindet sich ein Empfänger, der an dieser Messstelle eine Kenngröße der Vibration, z. B. die Auslenkung oder die Auslenkungsge- schwindigkeit, misst. Die Auslenkungsgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der die Probenoberfläche an der Messstelle in Normalenrichtung schwingt, mit der sie also die 0-Lage durchläuft.
Mit diesem Verfahren können jedoch nur Messungen bis zu Verlustfaktoren d = 0, 3 einigermaßen präzise ausgeführt werden. Außerdem reicht der nutzbare Frequenzbereich in der Praxis nur bis zu wenigen 100 Hz. Selbst die in der DIN-Norm angegebene Grenze von 1.000 Hz reicht nicht aus, da mehr und mehr Material-Kenndaten für sehr hohe Fre- quenzen, z. B. im Bereich der Bremsenakustik bis zu 10 kHz von Interesse sind.
Eine andere Methode zur Bestimmung des Verlustfaktors d ist das sogenannte PIM-Verfahren. Hier wird eine be- stimmte Energiemenge in das zu vermessende, mit Entdröhn- material belegte Blech eingebracht, wodurch dieses zu Schwingungen angeregt wird. An einer ausreichend großen Anzahl von Messpunkten wird die Vibration des plattenför- migen Bleches gemessen. Daraus lässt sich die Vibrations- energie ermitteln. Die Differenz zwischen der einge- speisten Energie und der Vibrationsenergie entspricht der von dem Entdröhnmaterial absorbierten Energiemenge. Die- ses Verfahren ist relativ aufwändig, da eine Vielzahl von Messungen durchgeführt werden muss. Außerdem endet auch hier in der Praxis der nutzbare Frequenzbereich bei 800 Hz.
Das grundsätzliche Problem bei den genannten Messverfah- ren besteht darin, dass mit stehenden Biegewellen gear- beitet wird. Diese entstehen, weil eine einlaufende Bie- gewelle an der Einspannung der Probe reflektiert wird.
Damit fließt aber auch die Eigenschaft der Einspannstelle in die Messung mit ein, da ein Teil der eingeleiteten Energie von dieser geschluckt wird.
Die Erfindung beruht somit auf dem Problem, ein Messver- fahren zu schaffen, bei dem Dämpfungseigenschaften, d. h. insbesondere der Verlustfaktor d, in einem weiten Tempe- raturbereich und in einem sehr weiten Frequenzbereich, möglichst bis zu 10 kHz, labormäßig schnell und präzise gemessen werden können.
Zur Lösung des Problems wird das im Oberbegriff des An- spruchs 1 skizzierte Messverfahren dahingehend modifi- ziert, dass die Erregung der Probe am eingespannten Ende erfolgt, so dass sich eine zum anderen Ende der Probe laufende Biegewelle mit abnehmender Amplitude ausbildet, die Kenngröße der Vibration (Auslenkung oder Auslenkungs- geschwindigkeit) an einer Doppelmessstelle aus zwei von- einander beabstandeten Einzelstellen und außerdem die Wellenlänge der laufenden Biegewelle ermittelt wird, und aus den ermittelten Werten die Abklingkonstante ß von Amplitude bzw. Schwinggeschwindigkeit und damit der Ver- lustfaktor d der Probe bestimmt wird.
Im Unterschied zu dem bisher bekannten Verfahren erfolgt die Messung an einer laufenden Biegewelle mit abklingen- der Amplitude. Hierfür sollte die Biegewelle bis zum freien Probenende möglichst vollständig abgeklungen sein.
Andernfalls entsteht eine reflektierte Welle und damit eine die Biegewelle überlagernde Stehwelle. Obwohl diese im Vergleich zur Biegewelle nur eine kleine Amplitude hat, stellen derartige Stehwellenerscheinungen ein funda- mentales Problem für das gesamte Messverfahren dar, denn sie verfälschen die zu messenden Kenngrößen der laufen- den, gedämpften Biegewelle. Durch weitere erfindungsge- mäße Maßnahmen kann der Störeinfluss derartiger Stehwel- len drastisch minimiert werden.
Es kommen daher z. B. deutlich längere Proben zum Einsatz als für das"Oberst"-Verfahren, wo ca. 25 cm Probenlänge üblich sind. Probenlängen von 1 bis 2 m haben sich beson- ders bewährt, da bei diesen aufgrund der Dämpfung durch die Probe die Biegewelle bis zum freien Ende der Probe praktisch abgeklungen ist, so dass keine reflektierte Biegewelle erzeugt wird. Die gemessenen Vibrationskenn- größen der Biegewelle sind daher ausschließlich bestimmt von den Dämpfungseigenschaften der Probe.
Dabei besteht jedoch häufig das Problem, dass es nicht möglich ist, 1 bis 2 Meter lange beschichtete Probenkör- per zur Verfügung zu stellen.
Es hat sich aber überraschenderweise gezeigt, dass es vollkommen ausreicht, wenn das zu untersuchende, mit dem Entdröhnbelag beschichtete Trägerblech lediglich die obere Hälfte der Probe bildet. Den unteren Teil kann eine Dummy-Probe einnehmen, die aus einem ähnlichen Trä- gerblech besteht, das mit einem besonders wirksamen Ent- dröhnbelag beschichtet ist. Die Nahtstelle am Übergang zwischen den beiden Probenhälften bildet zwar eine poten- tielle Reflektionsstelle, es hat sich aber gezeigt, dass sie für die Messung kaum von Bedeutung ist. Die Biege- welle-läuft recht ungestört über die Nahtstelle in die Dummy-Probe hinein. Sollte die Energie der Biegewelle auch am unteren Ende der Dummy-Probe noch nicht ganz ab- sorbiert sein, entsteht ein Reflex, der zurückläuft und spätestens jetzt im Bereich der Dummy-Probe sehr weitge- hend absorbiert wird. Auf diese Weise wird der obere Probenbereich mit dem zu vermessenden Entdröhnbelag von Stehwellen weitgehend freigehalten.
Beim Messverfahren werden vorzugsweise die Kenngrößen der Vibration an einer Doppelmessstelle aus zwei voneinander beabstandeten Einzelstellen ermittelt. Aus dem Abklingen der Amplitude bzw. der Schwinggeschwindigkeit lässt sich eine Abklingkonstante ß relativ genau bestimmen, aus der unter Berücksichtigung der Biegewellenlänge der Ver- lustfaktor d ermittelt werden kann.
Die Messgenauigkeit kann weiter erhöht werden, wenn die Kenngrößen an mehreren Doppelmessstellen ermittelt wer- den. Da die Dämpfung über die gesamte Länge der Probe- einen einheitlichen Aufbau der Probe vorausgesetzt- identisch ist, sollte für jede Doppelmessstelle derselbe Wert für die Abklingkonstante bestimmt werden. Tatsäch- lich werden die Messwerte wegen Inhomogenitäten in der Probe streuen. Durch geeignete mathematische Verfahren lässt sich ein Mittelwert bestimmen, der frei ist von Einflüssen durch statistische Messfehler und lokale Pro- beninhomogenitäten.
Die Messgenauigkeit kann weiter erhöht werden, indem die obere Einspannung selbst als Schwingerreger ausgebildet ist. Solche mechanischen Generatoren werden auch als Sha- ker bezeichnet. Da die Einspannung selbst die Quelle der Erregung ist, können die Messungen beeinflussende Re- flektionen an der Einspannstelle keine Bedeutung mehr ha- ben. Der Shaker muss natürlich an einem massiven Gerüst gehal- ten sein, so dass die Aufhängung selbst keinen Einfluss auf die Messung hat.
Zur Messung der Deformationskenngrößen haben sich Vibro- meter bewährt.
Im Folgenden soll anhand eines Ausführungsbeispiels die Erfindung näher erläutert werden. Dazu zeigen Fig. 1 eine eingespannte Probe, Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer laufenden Bie- gewelle, Fig. 3 eine Messaufzeichnung, Fig. 4 eine Auswertung, sowie Fig. 5 eine weitere Messaufzeichnung (optimierte Va- riante) und Fig. 6 die dazugehörige Auswertung.
Figur 1 zeigt eine Messanordnung 1. Diese besteht aus ei- nem massiven Trägerbalken 2, der Teil eines hier nicht näher dargestellten Gerüstes ist. An diesem Trägerbalken 2 befindet sich ein Shaker 3, in dem eine zweiteilige Probe 4 eingespannt ist. Diese besteht aus einem oberen Teil 5 mit einem Träger 6 aus Stahlblech, das 0,8 mm dick, 30 mm breit und 110 mm lang ist. Beschichtet ist dieser Teil 5 der Probe 4 mit einem Entdröhnbelag 7, des- sen Dämpfungswirkung bestimmt werden soll. An den oberen Teil 5 schließt sich nach unten eine Dummy-Probe 8 an, die lediglich aus einem Träger 9 besteht, der im Aufbau und Größe dem Träger 6 des oberen Teiles 5 ähnelt und mit einem geeigneten, hoch wirksamen Entdröhnmaterial 7b be- schichtet ist. Die gesamte Messanordnung befindet sich in einer Temperaturkammer, so dass die Messung für ver- schiedene Temperaturen durchgeführt werden kann.
Der Shaker 3 wird nun mit unterschiedlichen Frequenzen f und einer vorgegebenen Amplitude betrieben. Auf der Probe 4 entsteht eine nach unten laufende transversale Biege- welle 10 mit einer Wellenlänge , die in einer Momentauf- nahme in Figur 2 dargestellt ist. Sie zeigt periodische Auslenkungen senkrecht zur 0-Lage 11 der Probe, wobei die Probe an den einzelnen Stellen die 0-Lage mit der Auslenkungsgeschwindigkeit, dargestellt durch den Vektor 12, durchläuft. Man erkennt, dass die Amplituden der Auslenkung zum Ende hin exponentiell abfallen, wobei der Abklingfaktor ß der einhüllenden Exponentialfunktion 13 umso größer ist, je stärker die Probe 5 dämpfend wirkt.
Entsprechendes gilt für die Auslenkungsgeschwindigkeiten.
Der Verlustfaktor d, also das auf einen Schwingungszyklus bezogene Verhältnis von in Wärme umgewandelter Energie zu maximal gespeicherter potentieller Energie, ist eine Funktion des Abklingfaktors ß und der Biegewellenlänge k.
Der Abklingfaktor lässt sich bestimmen, indem z. B. die Amplitude der Biegewelle an zwei benachbarten Stellen ge- messen wird. Dazu sind an einer Gabel 20 zwei Laservibro- meter 21, 21'angebracht, mit denen die Auslenkung der Probe 5 gemessen werden kann. Der Maximalwert der Auslen- kung ist die Amplitude an der Messstelle. An Stelle der Amplitude kann auch die Auslenkungsgeschwindigkeit er- mittelt werden. Die Wellenlänge X der laufenden Biege- welle erhält man z. B., indem ein Laserscanstandbild der schwingenden Probe 5 ausgewertet wird.
Figur 3 zeigt die Auslenkungsgeschwindigkeit für ver- schiedene Anregungsfrequenzen f in Abhängigkeit von der Entfernung zur Einspannung (X-Achse 30), wobei die Aus- lenkungsgeschwindigkeit (Y-Achse 31) logarithmisch in [dB] aufgetragen ist. Die obere Kurve 32 gehört zu einer geringen Frequenz von z. B. 1189 kHz, die untere Kurve 33 zu einer höheren Frequenz von ca. 2992 kHz. Aus den Stei- gungen der einzelnen Kurven lässt sich die Biegewellen- dämpfung pro Längeneinheit für die jeweilige Frequenz per Regression auswerten.
In Fig. 4 ist der Verlustfaktor d (Y-Achse 41) der Probe in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz f (X-Achse 40) dargestellt. Diese Messkurven erlauben eine sehr gute Aussage hinsichtlich der Dämpfungswirkung von mit Ent- dröhnmaterial beschichteten Blechen auf Schall oder Kör- perschall.
Eine hinsichtlich Präzision und Handhabbarkeit entschei- dend optimierte Variante dieser Messmethode besteht darin, die Probe mit einem Breitbandsignal anzuregen, die Auslenkungsgeschwindigkeit an zwei verschiedenen, vonein- ander um die Strecke a beabstandeten Stellen 22, 22' gleichzeitig zu messen, per FFT die komplexe Übertra- gungsfunktion zu berechnen und aus Amplitudengang und Phasengang (Figur 5) den Verlustfaktor d zu bestimmen (Figur 6).
Führt man diese Messungen zudem an mehreren Doppelmess- stellen durch, indem die Gabel 20 verschoben wird, was durch die strichpunktierte Linie 20'angedeutet sein soll, erhält man entsprechend mehrere komplexe Übertra- gungsfunktionen. Diese lassen sich durch ein geeignetes mathematisches Verfahren mitteln, wobei berücksichtigt ist, dass für jede Doppelmessung der Abstand a zwischen den beiden Messstellen gleich ist. Es hat sich überra- schenderweise gezeigt, dass die gemittelte komplexe Über- tragungsfunktion in weit größerem Ausmaß als erwartet von Störeinflüssen wie Stehwellenerscheinungen, Torsionen etc. befreit ist. Hiermit lassen sich dann rasch und ra- tionell sehr präzise Werte für den Verlustfaktor d be- rechnen.
Bezugszeichenliste 1 Messanordnung 2 Trägerbalken 3 Shaker 4 zweiteilige Probe 5 oberer Probenteil 6 Träger 7 Entdröhnbelag 8 Dummy-Probe 7b Entdröhnbelag (Dummy-Probe) 9 Träger 10 transversale Biegewelle 11 0-Lage 12 Vektor 13 Exponentialfunktion 20 Gabel 21, 21'Laservibrometer 30 X-Achse 31 Y-Achse 32 obere Kurve 33 untere Kurve 40 X-Achse 41 Y-Achse