Schallquellenortung nach dem Beamforming-Verfahren mit CAE Noise Inspector (LabVIEW) und NI PXI Messsystemen

Author(s):
Dipl. Ing. MSc Kai-Uwe Kohn - CA Engineering und Service GmbH

Industry:
ATE/Instrumentation, Machines/Mechanics, Industrial Controls/ Devices/ Systems

Products:
LabVIEW, Sound and Vibration

The Challenge:
Weiterentwicklung des Beamformingverfahrens mit LabVIEW in ein schlüsselfertiges System mit NI Noise Inspector, besonders in den Bereichen für die effektive Anpassung an spezielle Kundenanforderungen und die Implementierung weiterer Verfahren.

The Solution:
Durch die anschauliche, exakte und schnelle Darstellung von Geräuschen reduziert es die Entwicklungszeiten, visualisiert Lärmquellen und lokalisiert Qualitätsprobleme.

Kurzfassung

Die Akustik gewinnt in der Produktentwicklung zunehmend an Bedeutung. In den letzten Jahren hat sich das Beamforming, auch als „delay and sum“ bekannt, als ein schnelles zuverlässiges Verfahren zur Lokalisierung von Schallquellen etabliert. Der Beitrag beschreibt kurz die Grundlagen des Beamforming-Verfahrens und die praktische Umsetzung mit LabVIEW in ein schlüsselfertiges System mit kostengünstiger NI PXI Hardware, den CAE Noise Inspector. Aufgrund der Realisierung in LabVIEW sind Anpassungen an spezielle Kundenanforderungen sowie die Implementation weiterer Verfahren schnell umsetzbar. Anhand von Anwendungsbeispielen wird gezeigt wie einfach und anschaulich die Ortung und Analyse von Schallquellen sein kann.

Einleitung

In der Produktentwicklung gewinnt die Akustik zunehmend an Bedeutung, sei es zur Einhaltung von Grenzwerten aus Umwelt- und Arbeitssicherheitsnormen oder als Qualitätsmerkmal.

Wenn ein Geräuschproblem erkannt wird, kommt es darauf an, möglichst schnell zu reagieren. Welches Geräusch stört und wo kommt es her? Was ist die Ursache für das Geräusch? Wie und wo kann Abhilfe geschaffen werden?

Die genaue Lokalisierung von Lärmquellen nur durch „Hinhören“ ist in den seltensten Fällen erfolgreich. Detaillierte Untersuchungen durch Methoden wie die Schallintensitätsmessung sind zeitaufwändig und kostenintensiv.

Mit dem CAE Noise Inspector, einem neuen System zur Schallquellenortung nach dem Beamforming-Verfahren, erstellt LabVIEW für PXI Systeme und CompactDAQ, findet man schnell und einfach Antworten auf diese Fragen.

In dem Beitrag werden sowohl die Grundlagen und Hintergründe des Beamforming-Verfahrens vorgestellt, sowie die praktische Umsetzung in LabVIEW und mit kostengünstiger NI PXI Hardware.

Mit einer Messung bietet das System viele Möglichkeiten:

• Lokalisieren der kritischen Schallquellen,
• Visualisierung der Schallabstrahlung als Farbkontur direkt auf dem Digitalbild ihres Produktes,
• spektrale Analyse von Mikrofonsignalen und lokalisierten Quellen,
• synchrones Messen von Luft- und Körperschall,
• Ermittlung der beteiligten mechanischen Vorgänge,
• Bestätigung der visuell identifizierten Schallquellen durch fokussierte Wiedergabe des lokalen Geräusches,
• schnelle Dokumentation durch automatisierte Berichterstellung.

Durch synchrone Messung von Strukturschwingungen und Triggersignalen können Ordnungsanalysen durchgeführt werden und Rückschlüsse auf die verantwortlichen mechanischen Vorgänge gezogen werden.

Das Beamforming-Prinzip

Das Funktionsprinzip des Beamformings basiert auf der Tatsache, dass sich Schallwellen in der Luft mit endlicher Geschwindigkeit bewegen, der Schall benötigt also eine bestimmte Zeit, um von der Quelle zu einer anderen Position im Raum zu gelangen. Wird der von einer punktförmigen Quelle ausgehende Schalldruck an N verschiedenen Positionen synchron gemessen, so ergeben sich N im Prinzip gleiche, lediglich auf der Zeitachse verschobene, Messsignale. Durch verschieben um die unterschiedlichen Laufzeiten von der Schallquelle zum jeweiligen Mikrofon können die Signale synchronisiert werden. Aus der Addition dieser korrigierten Signale ergibt sich ein starkes Ausgangssignal (Bild 1).

Wird auf einen Punkt neben der Schallquelle fokussiert, d.h. die aufgebrachten Zeitverschiebungen stimmen nicht mit den tatsächlichen Laufzeitunterschieden überein, werden die Signale auch nicht synchronisiert und die Addition ergibt ein kleines Ausgangssignal (Bild 2).

Diese Berechnung kann nach erfolgter Messung für eine Vielzahl von Rasterpunkten durchgeführt werden. Die Anteile des Schalls, die vom jeweiligen Fokuspunkt ausgehen werden synchronisiert und addieren sich im Ergebnis für diesen Punkt, die übrigen Anteile heben sich mehr oder weniger auf. Werden die Ergebnisse als Farbkontur (rot für hohen, blau für niedrigen Schalldruck) über ein Digitalbild des Messobjektes gelegt, können Schallquellen leicht geortet werden (Bild 3).

Die Hardware zur Messdatenerfassung

Aus dem Prinzip des Beamformings ergeben sich direkt bestimmte Anforderungen an die für den CAE Noise Inspector einzusetzende Messdatenerfassung. Da das Verfahren auf der Auswertung von Laufzeitunterschieden basiert, ist eine synchrone Messdatenerfassung unabdingbar. Für eine gute geometrische Auflösung über einen sinnvollen Frequenzbereich sind hohe Kanalzahlen notwendig. Übliche Systeme beginnen bei minimal 32 Kanälen, können aber durchaus aus mehreren hundert Kanälen bestehen. Da die Systeme auch mobil eingesetzt werden sollen, sind eine kompakte Bauweise und ein Betrieb von ICP Mikrofonen ohne weitere Signalkonditionierung wünschenswert. Antialiasingfilter und Abtastraten von mindestens 50kHz sollten selbstverständlich sein. Natürlich spielen bei der erforderlichen Kanalzahl auch die Kosten eine Rolle.

Aufgrund dieser Kriterien fiel die Auswahl auf zwei Hardwareplattformen von National Instruments. Zum Einen PXI Chassis mit den PXI 4472 und PXI 4462 Karten mit je acht, bzw. vier Kanälen, 24 Bit Auflösung, Abtastraten von bis zu 200 kHz sowie TEDS Unterstützung (PXI 4462). Zum Anderen die sehr kompakte und preisgünstige CompactDAQ Hardware mit NI 9233 Modulen für kleine Systeme bis zu 32 Kanälen.

Die PXI Hardware bietet außerdem die Möglichkeit zur nachträglichen Erweiterung des Systems, um zusätzliche akustische Kanäle, die Synchronisation mehrer Chassis sowie die Möglichkeit weitere Signale zu erfassen.

Das Mikrofonfeld

Da der CAE Noise Inspector für verschiedenste Anwendungen konzipiert ist, soll auch das Mikrofonfeld möglichst flexibel sein. Es besteht aus einem Trägerelement, in das an beliebigen Rasterpositionen Mikrofone eingesteckt werden können. Sind größere Felder nötig, können mehrere Trägerelemente verbunden werden. In der Software können beliebige Mikrofonverteilungen definiert und die zu erwartenden akustischen Eigenschaften mit Hilfe simulierter Schallquellen vorausberechnet werden. Eine USB Kamera ist in das Feld integriert, sodass direkt aus der Software heraus Digitalbilder des Messobjektes aufgenommen werden können.

Die Software CAE Noise Inspector

Für die Programmierung wurde LabVIEW gewählt. Die Entwicklung des CAE Noise Inspector Systems wird von Ingenieuren aus dem Bereich der Akustik und Strukturdynamik vorangetrieben. Durch die komfortable grafische Entwicklungsumgebung ist eine schnelle Umsetzung neuer Ideen und Algorithmen möglich, ohne ein unüberschaubares Wirrwarr im Quellcode zu erzeugen. Treiber und VIs für die Datenerfassung sind vorhanden und Toolkits, z.B. für Sound and Vibration oder Orderanalysis, beschleunigen die Entwicklung.

Die CAE Noise Inspector Software ist modular aufgebaut. Kernstück ist das VI für das Projektmanagement (Bild 5, links). Hier werden sämtliche Daten, wie Konfigurationsdateien, Bilder, Messdaten, Auswertungen und Berichte, in Projekten verwaltet. Durch die angezeigte Baumstruktur hat der Benutzer jederzeit den vollen Überblick über sein Projekt. Der Einsatz der mit LabVIEW 8.20 eingeführten objektorientierten Programmierung gewährleistet höchste Datensicherheit. Jedes Projekt wird durch ein Objekt abgebildet, welches nur durch sichere Methoden verändert werden kann.

Alle weiteren Programmmodule werden aus dem Projektmanagement heraus über das Runtime-Menu gestartet. Häufig gebrauchte Funktionen, wie Datenerfassung, USB-Kamera und Beamforming-Auswertung, können auch direkt über Schaltflächen aufgerufen werden. Alle Module sind konsequent in „Producer/Consumer“ Architektur ausgeführt. Der „Producer“-Prozess puffert alle Benutzereingaben, der „Consumer“-Prozess arbeitet diese nacheinander ab. Die Kommunikation zwischen den Programmmodulen erfolgt über globale Variablen.

Bild 5 (rechter Teil) zeigt die Oberfläche des Moduls „Spatialgram“ zur Beamforming-Auswertung. Dargestellt ist das Menü zur Auswahl des zu analysierenden Frequenzbereiches. Über Reiter sind weitere Menüs z.B. zur Auswahl von Zeitabschnitten und zum Einstellen der Fokusebene erreichbar.

Mit Hilfe der VIs aus dem Report Generation Toolkit können Auswertungsergebnisse direkt in ein Word-Dokument überführt werden, wodurch eine sehr schnelle Dokumentation möglich ist.

Anwendungsbeispiele

Die folgenden Beispiele zeigen, wie leicht mit dem CAE Noise Inspector System Lärmquellen sichtbar gemacht werden können

Zusammenfassung

Mit dem CAE Noise Inspector ist ein leichtes, modulares und somit flexibles System zur Ortung und Analyse von Schallquellen entstanden. Durch die anschauliche, exakte und schnelle Darstellung von Geräuschen reduziert es die Entwicklungszeiten, visualisiert Lärmquellen und lokalisiert Qualitätsprobleme. Wie eine Kamera produziert das System virtuelle Abbilder der Geräuschquellen in einer beliebigen Fokusebene. Durch die Umsetzung in LabVIEW sind Anpassungen und Erweiterung für spezielle Anwendungen unproblematisch und schnell zu realisieren.

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