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Technische Grundlagen für Messtechnik

Die Messung von Schwingungen - wie Vibrationen oder Schall - und deren Analyse findet Anwendung von technischen Aufgabenstellungen bis zur Objektivierung menschlicher Wahrnehmung.
Dazu passende FFT-Analysatoren und Schallpegelmesser werden im Folgenden zusammen mit den erforderlichen Mess- und Darstellungsmethoden vorgestellt. Nach Definition von Begriffen wird in die zugehörige Mathematik eingeführt, die Funktion der Geräte mit deren Software erläutert und Messmethoden für typische Anwendungen besprochen.

Themenübersicht

1. Was ist dB? 

2. Was ist ein Schallpegelmesser? ▸  (passende Geräte)

3. FFT-Analysator ▸  (passende Geräte)

4. Order-Ratio-Analyse und Tracking-Analyse ▸

5. Was ist eine Schwankungsschallanalyse? 

6. Was ist eine Klangqualitätsbewertung? 

7. Schall und Sensoren I 

8. Schall und Sensoren II 

9. Vibration und Sensorik I 

10. Vibration und Sensorik II 

11. Dämpfungsmaterialien ▸

12. Koeffizienten, die Dämpfungseigenschaften darstellen ▸

13. Drahtbonder ▸

Ergänzung: Videos von Ono Sokki  


 Übersicht der Inhalte im Detail 


1. Was ist dB?



1. Einführung

2. Über Logarithmen
2.1 Was ist ein Exponent?
2.2 Was ist Logarithmus?

2.3 Verschiedene Logarithmen wegen Basisdifferenz
2.4 Spezifischer logarithmischer Wert

3. Was ist Dezibel?
3.1 Definition von Dezibel
3.2 Spezifischer Dezibelwert
3.3 Dezibel repräsentieren den absoluten Wert
3.4 Vorteile der Verwendung von dB
3.5 Dezibel (dB) und Prozent (%)

4. Dezibel in verschiedenen Bereichen
4.1 Elektro-/Kommunikationssystem
4.2 Akustiksystem
4.3 Vibrationssystem

5. Berechnung des Dezibelwertes

6. Referenzen und Nachweise


2. Was ist ein Schallpegelmesser?



1. Was ist Ton?

2. Was ist Lärm?

3. Geräuschklassifizierung
3.1 Lärmklassifizierung basierend auf zeitlichen Schwankungen der Pegel
3.2 Geräuschklassifizierung anhand von Frequenzspektren

4. Einheit der Geräuschmessung – Warum die logarithmische Skala „dB“ verwendet wird

5. Physikalische Schallmaße
5.1 Schalldruckpegel
5.2 Schallintensitätspegel
5.3 Schallleistungspegel
5.4 Oktavbandpegel, 1/3 Oktavbandpegel

6. Sensorische Schallmaße
6.1 Lautstärke
6.2 Spielfeld
6.3 Klangfarbe
6.4 Lautstärkepegel
6.5 A-bewerteter Schalldruckpegel

7. Übersicht Schallpegelmesser
7.1 Was ist ein Schallpegelmesser?
7.2 Unterschiede zwischen Schallpegelmessern (Klasse 2) und Präzisionsschallpegelmessern (Klasse 1)
7.3 Kalibrierung
7.4 Messbereiche von Schallpegelmessern (Linearitätsbereiche)
7.5 Windschutz
7.5.1 Warum ist ein Windschutz notwendig?
7.5.2 Leistung von Allzweck-Windschutzscheiben
7.5.3 Allwetter-Windschutz

8. Struktur des Schallpegelmessers
8.1 Blockdiagramm
8.2 Mikrofon und Vorverstärker
8.3 Frequenzbewertung Z- (oder FLAT-), A- und C- Bewertung
8.4 Schnelle und langsame Zeitbewertung
8.5 AC-Ausgang und DC-Ausgang
8.5.1 AC-Ausgang
8.5.2 DC-Ausgang
8.6 Anzeige

9. Ablesung des Schallpegelmessers
9.1 Schalldruckpegel (Lp)
9.2 A-bewerteter Schalldruckpegel (LA)
9.3 Äquivalenter kontinuierlicher A-bewerteter Schalldruckpegel (LAeq, T)
9.4 Schallbelastungspegel (LAE)
9.5 Perzentil Schalldruckpegel (Lx)
9.6 Maximaler Geräuschpegel (Lmax) und minimaler Geräuschpegel (Lmin)
9.7 Maximalwert (Tact max) über N Sekunden
9.8 Spitzenpegelwert (Lpeak)

10. Verfahren zur Messung des äquivalenten kontinuierlichen A-bewerteten Schalldruckpegels (Übersicht über JIS Z8731:1999)
10.1 Äquivalenter kontinuierlicher A-bewerteter Schalldruckpegel
10.2 Begriffsdefinitionen
10.3 Arten von Geräuschen
10.4 Schallpegelmesser und Kalibrierung
10.5 Messpunkt
10.6 Methoden zur Lärmmessung
10.7 Informationen, die aufgezeichnet werden sollten
10.8 Anhang 1 (Regeln): Erhebung akustischer Daten für eine angemessene Flächennutzung
10.9 Anhang 2 (Referenzmaterial): Ergänzende Hinweise zur Beschreibung und Messverfahren für Umgebungslärm
10.10 Umgebungsbedingungen, die die Messung beeinflussen können
10.11 Schallausbreitung und -dämpfung mit der Entfernung

11. Oktavbandanalyse (Frequenzanalyse)
11.1 Oktavbandanalyse
11.2 JIS-Standards für Oktavfilter
11.3 Oktaven Filterbandbreite und Mittenfrequenz
11.4 Berechnung des Gesamtpegels (Gesamtbandpegel)
11.5 ALLPASS und GESAMT
11.6 NC (Lärmkriterien)
11.7 Lautheitsanalyse (Loudness, Loudness Level, Sharpness)

12. Berechnung von Dezi Bel (dB)
12.1 Summe der dB-Werte (Gesamtleistung)
12.2 Durchschnitt der dB-Werte (Durchschnittsleistung)
12.3 Differenz der dB-Werte (Leistungsdifferenz)
12.4 Logarithmische Gleichung
12.5 Methode zur Berechnung des äquivalenten kontinuierlichen A-bewerteten Schalldruckpegels
12.6 Methode zur Messung des Perzentil-Schalldruckpegels (50 Messungen)

13. Referenzen und Nachweise


3. FFT-Analysator



1. Was ist FFT?
1.1 FFT-Analysator
1.2 Warum ist FFT notwendig?

2. Darstellung von Wellenformen (Sinuswelle und Cosinuswelle)
2.1 Amplitude, Phase und Frequenz
2.2 Ort der Wellen
2.3 Zeitdifferenz und Phase
2.4 Elektrischer Winkel und mechanischer Winkel
2.5 Ordnung und Harmonische von 2.5 U/min
2.6 Darstellung von Wellenformen (Summe der Wellenform (Zusammensetzung))
2.7 Darstellung von Wellenformen (Produkt von Wellenformen)

3. Fourier-Reihen und Fourier-Transformationen
3.1 Fourier-Reihe
3.2 Darstellung der Fourier-Reihe durch komplexe Exponentialfunktion
3.3 Fourier-Transformation
3.4 Diskrete Fourier-Transformation
3.5 Abtasttheorem


4. Order-Ratio-Analyse und Tracking-Analyse



1. Einführung

2. Ordnungsverhältnisanalyse
2.1 Was ist die Ordnungsverhältnisanalyse?
2.2 Rotationsordnungsverhältnis und seine Frequenz
2.3 Rotationsordnungsanalyse und Frequenzanalyse bei Rotationsänderung
2.4 Abtastsignal für die Ordnungsverhältnisanalyse
2.5 Auflösung der Ordnungsverhältnisanalyse
2.6 Aliasing-Phänomen

3. Rotationsverfolgungsanalyse
3.1 Konstantverhältnis-Tracking-Analyse
3.2 Tracking-Analyse mit konstanter Breite
3.3 Andere Tracking-Analysen
3.4 Tracking-Analyse und Rotationsänderungsanalyse

4. Zusammenfassung
4.1 Auftragsverfolgung mit konstantem Verhältnis und Auftragsverfolgung mit konstanter Breite 


5. Was ist eine Schwankungsschallanalyse?



1. Warum Schwankungsgeräusche?

2. Merkmale der Fluktuationsschallanalyse

3. Unterschied zum Standard-Fluktuationsschallanalyseindikator (Rauheit/Schwankungsstärke)

4. Fluktuationsschallanalysealgorithmus

5. Einfluss des Spektrummaskierungseffekts

6. Analysebeispiel 

7. Referenzen und Nachweise


6. Was ist eine Klangqualitätsbewertung?



1. Einleitung

2. Was ist psychologische Akustik?

3. Geschichte und Popularisierung der Bewertung der Klangqualität

4. Klangwahrnehmung (Hörempfindung) und Bewertungssystem für die Klangqualität

5. Konzept basierend auf der Loudness-Berechnung
5.1 Kurve mit gleicher Lautstärke (reiner Ton)
5.2 Spektrummaskierung
5.3 Spektrummaskierung und Lautstärke des Tons
5.4 Lautheitsberechnungsdiagramm
5.5 Kritische Bandbreite
5.6 Zeitliche Maskierung
5.7 Klangqualitätsbewertungssystem von Ono Sokki
5.8 Die Referenz der Lautheit

6. Konzept der Schärfeberechnung
6.1 Referenz der Schärfe

7. Konzept der Schwankungsstärkeberechnung
7.1 Referenz der Schwankungsstärke

8. Konzept der Rauheitsberechnung
8.1 Referenz der Rauheit

9. Schwankendes Gefühl und raues Gefühl

10. Analysebeispiele

11. Schlussbemerkungen und Referenzen


7. Schall und Sensoren I



1. Was ist Ton?

2. Maßeinheit des Schalls

3. Geräuschsensor

4. Auswahl von Mikrofonen
4.1 Größe
4.2 Antworttyp
4.3 Frequenzgang
4.4 Temperatureigenschaften
4.5 Eigenrauschen


8. Schall und Sensoren II



1. Schallintensitätsmikrofon
1.1 Einachsige Schallintensitätssonde (MI-6410)

1.2 Dreidimensionale Schallintensitätssonde (MI-6420)

2. Schallpegelmesser
2.1 Was ist ein Schallpegelmesser?
2.2 Struktur des Schallpegelmessers
2.3 Angezeigte Werte mit Schallpegelmessern


9. Vibration und Sensorik I



1. Was ist Vibration?

2. Wahl des Vibrationssensors

3. Prinzipien und Merkmale von Vibrationssensoren
3.1 Wirbelstromsensor (VS-Serie) - Wegsensor
3.2 Laser (LD-Serie) - Wegsensor
3.3 Piezoelektrischer Sensor (Ladeausgang/eingebauter Verstärker) (Serie NP-2000/3000)


10. Vibration und Sensorik II


 
1. LV-Serie von Laser-Doppler-Vibrometern - Geschwindigkeitssensoren
1.1 Funktionsprinzip

2. Arten von Laser-Doppler-Vibrometern
2.1 Referenzstrahlvibrometer
2.3 Dreidimensionale Vibrometer
2.4 Vorteile von Laser-Doppler-Vibrometern, Vorsichtsmaßnahmen
2.5 Ergänzende Hinweise

3. Torsionsvibrometer
3.1 Veränderungen in der Revolution
3.2 Torsionsschwingung
3.3 Übertragungsfehler
3.4 PD-8700 Torsionswinkelkonverter (Produkt ausgelaufen)


 

11. Dämpfungsmaterialien


 
1. Dämpfung

2. Dämpfungsmaterialien 

3. Verlustfaktor

4. Messmethode für die Dämpfungsleistung

5. Halbwertmethode

6. Decay-Ratio-Methode/ Zerfallsverhältnismethode

7. Impedanzmethode

8. Nicht-Resonanz-Methode

9. Standard für Dämpfungsleistungsmessung

10. Testmethode für die Dämpfungsleistung

11. Cantilever-Methode
11.1. Die Wahl des Musters

11.2. Das Blockdiagramm der Cantilever-Methode
11.3. Die Genauigkeit der Verlustfaktormessung mit der Cantilever-Methode
11.4. Notizen
11.5. Auswahl des Gerätes für das Cantilever-Verfahren

12. Central Exciting-Methode
12.1 Merkmale der zentralen Anregungsmethode

12.2 Impedanzkopf
12.3 Resonanz, Anti-Resonanz für die Central Exciting-Methode
12.4 Fehlerursachen

13. Methodenauswahl (Cantilever-Methode und Central-Springing-Methode)

14. Vergleiche von Verlustfaktoren, die mit verschiedenen Methoden erhalten wurden

15. Massenabsage

16. Notwendigkeit der FFT-Zoomanalyse

17. Zoom-Analyse und Massenlöschung

18. Kurvenanpassung durch Verwendung von Pol-Null-Modellen für die Verlustfaktormessung
18.1 Einleitung

18.2 Die Pole-Null-Modelle
18.3 Fehlerfunktion für die Kurvenanpassung
18.4 Antrag auf Modelldaten
18.5 Tatsächliche Messung mit der Kurvenanpassungsmethode

19. Hängende Methode mit zwei Punkten

20. Der Verlustfaktor hängt vom Vibrationsmodus ab

21. Um eine genaue Frequenzgangfunktion zu erhalten
21.1 Sweep-Sinussignal

21.2 Mehrere Sinussignale
21.3 Impulssynthese
21.4 Zufallssignal

22. Window-Funktion zur Messung des Verlustfaktors

23. Berechnung des Elastizitätsmoduls
23.1 Reines Material

23.2 Die laminierten Verbundplatten
23.3 Die Verbundplatten mit Sockel zwischen den Dämpfungsmaterialien
23.4 Schubmodul und Verlustfaktor für die Verbundplatten mit dem Dämpfungsmaterial zwischen Tragschicht und Zwangsschicht

24. Physikalische Eigenschaft von viskoelastischen Materialien
24.1 Temperatur-Frequenz-Überlagerung
24.2 WLF-Gleichung

25. Nomogramm der reduzierten Frequenz
25.1 Erstellen des reduzierten Frequenznomogramms

25.2 Verfahren zum Erstellen von Nomogrammen
25.3 Hinweise zum Erstellen von Nomogrammen
25.4 So lesen Sie das Nomogramm der reduzierten Frequenz

26. Umgekehrtes „U“-Diagramm

27. Näherung des Verlustfaktors

28. Näherung des Elastizitätsmoduls

29. Messung des Verlustfaktors für die Verformung von Dämpfungslegierungen 

30. Referenzen

31. Ergänzungsmerkmale des elektromagnetischen Erregers (Detektor), der für die Cantilever-Methode verwendet wird
31.1 Impedanzcharakteristik des elektromagnetischen Detektors

31.2 Die Messung der Schwingungsgeschwindigkeitsantwort und Linearität für elektromagnetische Detektoren
31.3 Die Vibrationsgeschwindigkeitsantwort und Linearität für elektromagnetische Detektoren
31.4 Fazit


12. Koeffizienten, die Dämpfungseigenschaften darstellen



1. Einleitung

2. Koeffizienten, die Dämpfungseigenschaften darstellen
2.1 Logarithmisches Dekrement δ

2.2 Berechnung des logarithmischen Dekrements und des Dämpfungsverhältnisses durch Hilbert-Transformation
2.3 Berechnung des Dämpfungsverhältnisses durch Halbbandbreitenmethode

3. Dämpfungswirkung
3.1 Dämpfungswirkung bei freier Schwingung
3.2 Dämpfungswirkung bei stationärer Schwingung
3.3 Dämpfungswirkung bei transienter Schwingung

4. Zusammenfassung des relationalen Ausdrucks

5. Fazit
5.1 ⟨Ergänzung⟩ Berechnungsverfahren der Halbbandbreitenmethode
5.2 (Referenz) Dämpfungsrate für Struktur und Maschine (Referenzmaterialien)


13. Drahtbonder



1. Ultraschallmechanismus des Drahtbonders

2. Drahtbonden und Bondingparameter

3. Probleme bei der Analyse der Verbindungsparameter

4. Wirksamkeit der Messung durch Laser-Doppler-Vibrometer

5. Messsystem

6. Messbeispiel
6.1 Vibrationsmessung während der Probefahrt (statische Prüfung)

6.2 Vibrationsmessung während des Werkzeugcrimpens (dynamische Messung)
6.3 Messung des Werkzeugvibrationsmodus
6.4 Resonanzmessung des Leiterrahmens

7. Zusammenfassung

8. Messverfahren des Drahtbondens
8.1 Systemkonfiguration

8.2 Systemeinrichtungsverfahren
8.3 Sensorarbeitsverfahren
8.4 Temporäres Einrichtungsverfahren des Oszilloskops
8.5 Testschwingung für Drahtbonder
8.6 Analyseverfahren des Oszilloskops

9. Referenzen


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