Berechnung und Simulation
Fahrzeuganalyse
Kunstkopfanalyse
Halbfreifeldraum für Fahrzeuge
Doppelhallraum
Fenster-, Deckenprüfstand
Halbfreifeldraum "Weiße Industrie"
Wasserspritz Simulation
Steinschlag, Kugelfall SIM
LS-Box
Apamat
α-Kabine
Shaker Prüfstand
Oberst Gerät
Impedanzrohr
Übersicht der Prüfstände
Formeln zur Analyse
Amplituden-verhältnis = 20*LG
(10^(Eingang-Shaker/20)/
10^(Ausgang-Probe/20))
Normiertes Amplituden verhältnis = Amplitudenverh. / max._Amplitude
Bestimmung von Verlustfaktor / Speichermodul aus Resonanzen
Verlustfaktor:
η = Δf/f0
Speichermodul:
E´ = (2 * π *f0)^2 * m * h / A [Pa]
mit
f0= Eigenfrequenz des Systems [Hz]
Δf= Resonanzbreite [Hz]
m= Proben- + Deckmasse [kg]
h= Probendicke [m]
A= Probenfläche [m^2]
Auswertung einer Impulsanregung:
Fall einer Ø 8 mm Kugel aus 2 m Höhe auf
PropylatTRIM-GFR
Links: Terzpegel - Zeitverlauf. Ausgewertet werde die eisten 80 Milli- sekunden
Unten links: Terzpegel von mindestens 5 „Ereignissen“
Unten: Vergleich zu Blech 1,5 mm
Probengröße: 0,3 m * 0,3 m
Drehmoment für die Schrauben: 14,7 Nm
Kugel: Ø 8 mm Stahl
Fallhöhe: ca. 2 m
Fallgeschwindigkeit: 6,26 m/s = 22,6 km/h
Analysator Norsonic VNA 836:
Transiente Analyse 4 ms 375 Spektren.
Trigger bei „Level under full scale“.
Lüfter des Analysators ausgeschaltet.
Max. 8 „Ereignisse“ auf eine 820 kB 3½ Diskette.
Bild rechts:
Versuchsaufbau und Mikrofonanordnung.
Bild unten und unten rechts:
Physikalischer Versuchsaufbau
Diffusor
Mikrofon
Empfangsraum
Senderaum
Mikrofon
Lautsprecher
4 Mittel-Tieftöner à 4 Ω zu 4 Ω zusammengeschaltet. Parallel dazu 4 piezo 2 khz Hochtöner á 32 Ω.
Verstärker 120 W.
Lautsprecher so ausgerichtet dass die Schallkegel nicht auf die „Trennwand“ zwischen Senderaum und Empfangsraum strahlen.
Die „Probe“ mit den Dimensionen 0,84 m * 0,84 m = 0,7056 m^2 bestand aus einer
-Deckschicht aus Schwerfolie 4 kg/m^2; Dicke 2 mm.
-Baumwollvlies von 18 mm Dicke mit einem Strömungswiderstand von 270 Pa s/m
-Blech 7850 kg/m^3; 0,6 mm Dicke.
Die Unterschiede in den Simulationen
- „unendlich“ oder „infinite“ große Probe (obere Grafik)
- 0,7056 m^2 große Probe (untere Grafik)
sind besonders deutlich unterhalb 500 Hz und oberhalb 2500 Hz.
Die Übereinstimmung von Messung und Simulation mit der wirklichen Probengröße ist wirklich beeindruckend.
Proben unterschiedlicher Fläche jedoch mit demselben Materialaufbau wurden in der α-Kabine vermessen.
Bei kleineren Proben unter 0,7 m^2 Fläche zeigt sich eine deutliche „Absorptionsverbesserung“ hervorgerufen durch eine Schallfedbeugung an den Probenrändern.
Sind die Proben zwischen 0,8 und 1,2 m^2 groß hält sich der Effekt in Grenzen.
Geprüft wurde hier die Auswirkung einer Änderung der relativen Luftfeuchte von 50% auf 95%.
Messungen wurden bei
1. 50% rel. Feuchte von Probe und Hallraum, Bezugsmessung und Probenmessung.
2. 95% rel. Feuchte von Probe und Hallraum Probenmessung nach 2 und 6 Stunden und Bezugsmessung bei 50% rel. Feuchte.
3. 95% rel. Feuchte von Probe und Hallraum, Bezugsmessung nach 6 Stunden und Probenmessung nach 2 und 6 Stunden.
Die Proben „ITA“ und „α-Kabine“ aus insgesamt 6 Proben mit der Fläche „ITA“ 6 * 1,2 m^2 = 7,2 m^2 bestand und 6*1 Probe 1,2 m^2 „α-Kabine“ aus
-Porösen Deckschicht 4 mm mit 1350 Pa s/m Strömungswiderstand und
-Baumwollvlies von 28 mm Dicke mit einem Strömungswiderstand von 826 Pa s/m
-Hallraumvolumen
ITA-Hallraum 124 m^3
α-Kabine 6,44 m^3
Die Übereinstimmung von Messung und Simulation mit der wirklichen Probengröße ist im großen insgesamt besser.
Die durch die Schallfeldbeugung an der kleineren Probe hervorgerufen „Verbesserung der Absorption“ zeigt sich deutlich.
Ähnliche Effekte - mit Proben aus Melaminschaum - hier:
Luftströmungs-
widerstand
Resonanzprüfstand
Resonanzprüfstand
Körperschall mit Kugelfallanregung
Körperschall mit Kugelfallanregung
Überprüfung des „APAMAT“ mittels WinFLAG
Transmission (Loss) Window
1 Punkt Messung + Korr. und Berechnung mit WinFlag
Überprüfung des „APAMAT“ mittels WinFLAG
Transmission (Loss) Window
5 Punkt Messung und Berechnung mit WinFlag
Kleinhallraum „α-Kabine“ ISO 354
Abhängigkeit der Messungen von der Probengröße
Kleine Prüfstände für vorzugsweise plane Proben
• Kleinhallraum „α-Kabine“ ISO 354
Volumen 6,44 m3
Probengröße 1,2 m^2; Seitenlänge 1 m * 1,2 m
• Kleiner Fensterprüfstand Doppelhallraum „Apamat I“ ISO
140
Probengröße 0,7056 m^2; Seitenlänge 0,84 m
• Körperschallprüfstand mit Kugelfallanregung
Probengröße 0,09 m^2; Seitenlänge 0,3 m
• Resonanzprüfstand
Probengröße 0,0025 m^2; Seitenlänge 0,05 m
• Übersicht der Prüfstände
Kleinhallraum „α-Kabine“ ISO 354
Korrektur in Abhängigkeit von der Änderung der relativen Luftfeuchte
Kleinhallraum „α-Kabine“ ISO 354
Einfluß der Messungen abhängig von der relativen Luftfeuchte
Kleinhallraum „α-Kabine“ ISO 354
Hallraum des ITA in Aachen <=> α-Kabine
Kleinhallraum „α-Kabine“ ISO 354
Nachhallzeiten der leeren α-Kabine
Kleinhallraum α-Kabine
Nachhallzeiten der leeren α-Kabine
Der Kleinhallraum wurde nach den Massen des Hallraums der Eidgenössischen Prüfanstalt in Zürich im Massstab 1:3 gebaut.
Die nebenstehen abgebildeten Nachhallzeiten wurden gemittelt aus 6 Mikrofonpositionen zu je 60°
0°; 60°; 120°; 180°; 240°; 300° oder
30°; 90°; 150°; 210°; 270°; 330°
oder 12 Mikrofonpositionen zu je 30°
0°; 30°; 60°; 90°; 120°; 150°; 180°; 210°; 240°; 270°; 300°; 330°
Die Nachhallzeiten des leeren Kleinhallraums liegen in etwa im typischen Bereich der α-Kabine.
Vergleich Hallraum <=> α-Kabine
WinFlag Materialkenndaten.
Reverberation Room
LAYER PROPERTIES
Layer no. : 1
Type: Porous/Allard-Johnson
Thickness: 4 mm
Resistivity: 337,5 kPa.s/m^2
Porosity: 95 %
Tortuosity: 3,6
Viscous length: 50 mju
Termal length: 100 mju
Layer no. : 2
Type: Porous/Allard-Johnson
Thickness: 28 mm
Resistivity: 29,5 kPa.s/m^2
Porosity: 95 %
Tortuosity: 2
Viscous length: 50 mju
Termal length: 100 mju
Layer no. : 3
Type: HARD WALL
No data
DUCT DATA
Duct half-width: 150 mm
WinFLAG Version 2.31
SAMPLE SIZE „ITA“ Rev. Room
Reverberation room: 7,2 m^2
Blaue Linie:
Layer no. : 1
Layer no. : 2
Rote Linie:
Layer no. : 2
Layer no. : 1
SAMPLE SIZE „α-Cabin“
Reverberation room: 1,2 m^2
Blaue Linie:
Layer no. : 1
Layer no. : 2
Rote Linie:
Layer no. : 2
Layer no. : 1
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Einfluß der relativen Luftfeuchtigkeit
Zustand 1 und 3 bei gleicher relativen Luftfeuchte Messung von Bezugsnachhall und Probe ähneln sich.
Die Baumwollprobe zeigt bedingt durch Feuchtigkeisaufnahme eine höhere Absorption unterhalb 2500 Hz.
Die Synthetikprobe zeigt auch bei Zunahme der relativen Luftfeuchtigkeit keine Änderung in der Luftschallabsorption
Ändert sich während der Messung die relative Luftfeuchtigkeit müssen eventuell Korrekturen vorgenommen werden.
Bei klimatisierten Proben sind derartige Korrekturen nicht notwendig.
Nebenstehend die Korrekturkurven unter der Prämisse dass der Einfluss der relativen Feuchte linear ist.
Doppelhallraum „Apamat I“
Prüfstand zur Bestimmung von
Transmission Loss (Dämmass) inklusive Trennwand wie z.B. Zweimassenschwinger
Insertion Loss (Einfügedämmung) wie z.B. eines massebelegten Federsystems auf eine bekannte Masse z.B. einem Stahlblech von 0,7 mm Dicke.
Nebenstehende Messung wurde aus 5 Messpunkten im Senderaum und Empfangsraum energetisch gemittelt, eine ziemlich aufwendige Messung.
Mit folgenden Vereinfachungen kommt man auch ein ganzes Stück weiter:
Messung des Transmission Loss einer bekannten Platte - z.B ein 0,7 mm Stahlblech -an einer ausgesuchten Position im Sende- und Empfangsraum.
Vergleich der Messung mit der WinFlag Simulation diesen Bleches mit den Kenndaten des Prüfstandes Prüffläche 0,84 m * 0,84 m = 0,7056 m^2
Bilden einer Korrekturkurve
Messen weiterer luftdichter Platten wie z.B.
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WinFlag Materialkenndaten.
Blech 0,7 mm
LAYER PROPERTIES
Layer no. : 1
Type: Solid/Thin plate
Thickness: 0,7 mm
Density: 7850 kg/m^3
E-modulus: 210 GPa
Poissons number: 0,3
Loss factor: 0,05
SAMPLE SIZE
Transmission window: 0,7056 m^2
DUCT DATA
Duct half-width: 150 mm
WinFLAG Version 2.31
Blech 1 mm
LAYER PROPERTIES
Layer no. : 1
Type: Solid/Thin plate
Thickness: 1 mm
Density: 7850 kg/m^3
E-modulus: 210 GPa
Poissons number: 0,3
Loss factor: 0,05
SAMPLE SIZE
Transmission window: 0,7056 m^2
DUCT DATA
Duct half-width: 150 mm
WinFLAG Version 2.31
HMPP Platte 5,3 mm;
5,1 kg/m^2
LAYER PROPERTIES
Layer no. : 1
Type: Solid/Thin plate
Thickness: 5,3 mm
Density: 968 kg/m^3
E-modulus: 2,8 GPa
Poissons number: 0,3
Loss factor: 0,06
SAMPLE SIZE
Transmission window: 0,7056 m^2
DUCT DATA
Duct half-width: 150 mm
WinFLAG Version 2.31
Holzfaserplatte 2,8 mm;
2,5 kg/m^2
LAYER PROPERTIES
Layer no. : 1
Type: Solid/Thin plate
Thickness: 2,8 mm
Density: 972 kg/m^3
E-modulus: 1 GPa
Poissons number: 0,3
Loss factor: 0,05
SAMPLE SIZE
Transmission window: 0,7056 m^2
DUCT DATA
Duct half-width: 150 mm
WinFLAG Version 2.31
ProlylatTRIM mit Sperrschicht 2,7 mm;
2,4 kg/m^2
LAYER PROPERTIES
Layer no. : 1
Type: Solid/Thin plate
Thickness: 2,7 mm
Density: 882 kg/m^3
E-modulus: 1 GPa
Poissons number: 0,3
Loss factor: 0,05
SAMPLE SIZE
Transmission window: 0,7056 m^2
DUCT DATA
Duct half-width: 150 mm
WinFLAG Version 2.31
ProlylatTRIM mit Sperrschicht 3,1 mm;
2,7 kg/m^2
LAYER PROPERTIES
Layer no. : 1
Type: Solid/Thin plate
Thickness: 3,1 mm
Density: 878 kg/m^3
E-modulus: 1 GPa
Poissons number: 0,3
Loss factor: 0,05
SAMPLE SIZE
Transmission window: 0,7056 m^2
DUCT DATA
Duct half-width: 150 mm
WinFLAG Version 2.31
Messung und WinFlag Simulation zeigen sehr gute Übereinstimmung.
Körperschall mit Kugelanregung
Besonderheit dieser Messung ist die schnelle Verarbeitung der eingehenden Messdaten. Alle 4 Millisekunden wird ein komplettes Terzspektrum abgespeichert.
Die Auswertung mittels Analysator z.B. Norsonic VNA 836 aus dem Jahr 1988 ist kein Problem da dieser die Schallereignisse parallel in „Hardware“-Terzfiltern abarbeitet.
Mittels FFT wie sie in PC-Analysatoren ab 2006 „eingebaut“ sind werden. Für die „Datenverarbeitung“ sind mehrere Prozessoren bzw. Prozessorkerne erforderlich um gleichwertige Ergebnisse zu erzielen.
Zum Versuch:
Eine 8 mm Stahlkugel fällt aus 2 m Höhe auf eine Probe die in einem Winkel von 45° unter dem Fallrohr platziert wurde.
Die Auftreffgeschwindigkeit beträgt 22,6 m/s.
Gemessen wird der Schallimpuls den die auftreffende Kugel verursacht.
Zur Auswertung:
Das pegelbestimmende Maximum des Schallereignisses liegt in der vorgeschriebenen Auswertezeit.
Eine Verlängerung der Auswertezeit erhöht die finalen Terzpegel nicht mehr, wohl aber die Datenmenge.
Es werden mindestens 5 aus 10 Schallereignissen ausgewertet. Ausreißer nach „oben“ oder „unten“ werden gelöscht.
Resonanzprüfstand
Akustische Messungen Verlustfaktor / Speichermodul
Kurzbeschreibung:
Verglichen wird das Ausgangssignal
oberhalb der Probe mit dem Eingangssignal des Shakers.
Die so ermittelte Übertragungsfunktion gibt Auskunft über
das mechanische Dämpfungsverhalten eines homogenen
Werkstoffes.
Anregung:
Weißes Rauschen über Leistungsverstärker
und Shaker.
Meßwertaufnehmer:
2 Beschleunigungs-
aufnehmer und Ladungs-verstärker.
Meßbereich:
Analysator 0 Hz bis max. 12.000 Hz; gewählter
Frequenzbereich ca. 20 Hz bis 375 Hz unterteilt in 768 Linien da die Beschleunigungs-aufnehmer erst ab 20 Hz arbeiten.
Prüfprobe:
Plane Probe (50 x 50 mm); homogener
Werkstoff.
Auswertung:
Frequenzbezogenes Amplitudenverhältnis
(FFT-Analysator); Verlustfaktor und Speichermodul (PC).
Einsatz:
Grundlagenforschung; Produktentwicklung;
Qualitätssicherung.
Normen: BMW-TL 1933613 (50 g Resonanzgewicht
entspricht 25 kg/m^2 Schwermasse).
Zum Versuch:
Jede Probe (Federsystem) wird mindestens 4 mal gemessen jeweils um 90° gedreht um eventuelle „Lunker“ oder Materialhäufungen in der Probe auszugleichen.
Messwerte sind das Eingangssignal aus dem Shaker auf der Shakerplatte und das Ausgangssignals auf der Probenplatte.
Die Coherence sollte mit aufgezeichnet werden. Bei Proben aus Faservlies gibt‘s häufig Coherence-
Einbrüche weil die Fasern in horizontaler Lage auch Kräfte aufnehmen die senkrecht zur „Schwingungsrichtung“ verlaufen.
Coherence beschreibt die Abhängigkeit des Ausgangssignals auf der Probenplatte vom Eingangssignal auf der Shakerplatte. Ist sie 1 lässt sich Ausgangssignal vollständig auf das Eingangssignal zurückführen, ist sie 0, ist der Ursprung des Ausgangssignal nicht das Eingangssignal.
Die Beschleunigung der Shakerplatte ist so zu wählen dass die lose aufgelegte Probenplatte nicht „abhebt“ und ein gleichmäßiges Amplitudenverhältnis „1“ über des gesamten Messbereich erzeugt.
Zur Auswertung:
Die Auswertung erfolgt mittels Tabellenkalkulation mit den dargestellten Formeln.
Anmerkungen:
Fasersysteme haben im allgemeinen eine weichere Federkennlinie und benötigen für eine schaum-äquivalente Dämmung deutlich weniger Deckmasse.
Übersicht der Prüfstände
Hinter den Bildern sind Links zu den *.PDF Dokumenten mit Kuerzbeschreibung der Prüfstände.
Impedanzrohr
Oberst Gerät
Shaker Prüfstand
siehe auch „oben“
α-Kabine
Apamat
siehe auch „Luftschallisolation“
LS-box
Steinschlag; Kugelfall Simulation
siehe auch „oben“
Wasserspritz Simulator
Halbfreifeldraum „Weiße Industrie“
Fenster-, Deckenprüfstand; ...
siehe auch „Fahrzeug Benchmark“
Doppelhallraum
Halbfreifeldraum „Fahrzeuge“
siehe auch „Fahrzeug Benchmark“
Kunstkopfanalyse
Fahrzeuganalyse
Berechnung und Simulation ...
siehe auch „Anwendungen WinFlag“