Laser macht mobil
Mit Laserstrahlen lassen sich Vibrationen von Bauteilen genau vermessen. Bosch-Forscher haben das Messprinzip auf bewegte Objekte erweitert, um die Entstehungsmechanismen von Geräuschen zu verstehen – zum Beispiel das „Brummen“ eines Scheibenwischers oder das Bremsenquietschen.
Akustik-Forscher müssen ein gutes detektivisches Gespür haben. Zunächst müssen sie die Geräuschquelle ausfindig machen – wobei es sich bei Bosch meist um Störgeräusche und deren Unterdrückung handelt. Anschließend gilt es, die Mechanismen der Schallentstehung zu verstehen. Damit können die Bauteile dann so konstruiert werden, dass störende Geräusche unterbleiben.
Als äußerst erfolgreich in der Geräuschuntersuchung hat sich die so genannte Scanning-Laser-Doppler-Vibrometrie (SLDV) erwiesen. Was die zu leisten vermag, weiß jeder Meisterspion: Gespräche in einem Raum lassen sich nämlich leicht belauschen, wenn man von außen einen Laserstrahl auf das Glasfenster schickt und den reflektierten Strahl wieder auffängt. Denn dieser zeigt die Vibration der Scheibe an, die durch die Laute eines Gesprächs in leichte Schwingungen versetzt wird. Das SLDV misst die häufigste Geräuschursache – die Schwingung von Bauteiloberflächen: Der reflektierte Laserstrahl erfährt je nach der Vibrationsbewegung der Oberfläche eine leichte Frequenzverschiebung. Diese so genannte Dopplerverschiebung wird im Laser-Scanner durch ein komplexes optisches System gemessen und in eine Geschwindigkeitskomponente der Oberfläche umgerechnet. Ein vorab auf der Oberfläche definiertes Messgitter wird vom Scanner selbsttätig abgetastet. Eine Doppelspiegel-Anordnung im Laserkopf versetzt den Laserstrahl dabei von einem Messpunkt zum anderen.
Bosch-Forscher haben dieses etablierte Messprinzip nun um das Messen auf bewegten Objekten, auch „Tracking“ genannt, erweitert. Damit können Bauteile oder Bauteilsysteme mit beweglichen Komponenten wie Lüfter oder Scheibenwischer im realen Betrieb untersucht werden. Der Laserstrahl verfolgt dann einen festen Messpunkt auf einer Lüfterschaufel oder dem Wischblatt des Schweibenwischers und registriert dort das Schwingungsverhalten.
Beim Scheibenwischer lässt sich so der gesamte Wischvorgang auf Vibrationen und Störgeräusche untersuchen. Prompt wurden mit Hilfe der Laser-Methode und der akustischen Kamera (siehe Titelseite) zwei Störgeräuschtypen ausfindig gemacht: Beim Wechseln von der Auf- zur Abwärtsbewegung erzeugt der Richtungswechsel der Wischlippe das so genannte Umklappgeräusch. Zudem kann im letzten Drittel des Wischvorgangs auf manchen Windschutzscheiben ein leises „Brummen“ bei rund 100 Hertz auftreten.
Um die Geräuschtypen genauer zu untersuchen, markieren die Forscher den steifen Kunststoffbügel des Wischers und die flexible Wischlippe mit jeweils rund einem Dutzend gleichmäßig verteilter Messpunkte. Zu Anfang der Messung steht ein Lernprogramm: Der Laser wird bei verschiedenen Winkelstellungen des Wischers auf die Messpunkte manuell ausgerichtet. Am Computer werden durch diese Referenzmessungen die Bewegungsbahnen der einzelnen Punkte über die Windschutzscheibe errechnet. Damit kann der Laser-Scanner die Messpunkte über den ganzen Wischvorgang verfolgen.
Die Messergebnisse helfen bei der Auslegung, Konstruktion und Materialauswahl der Bauteilkomponenten. Außerdem versuchen die Forscher charakteristische Parameter für die Geräuschentstehung aus den Daten herauszudestillieren, die unabhängig von den verschiedenen Wischersystemen der Fahrzeughersteller gültig sind.
3D-Scanning
Mit der Laser-Vibrometrie konnten Bosch-Forscher auch eine bislang offene technische Frage beantworten: Wie kommt es zum Quietschen beim Bremsen? Die Situation hat jeder Verkehrsteilnehmer im Ohr: Ein Auto nähert sich einer Kreuzung, bremst ab und kurz vor dem Stoppen, bei Schritttempo, quietschen die Bremsen. Dem Forscher stellt sich das Problem physikalisch: Für das durchdringende Quietschen ist Energie nötig, und irgendwie muss sich der abgestrahlte Schall ein Quäntchen von der Rollenergie von Rad und Bremsscheibe abgezweigt haben. Nur wie?
Zur Beantwortung dieser Frage reichte auch hier die etablierte Messtechnik nicht aus. Laservibrometer messen nur in Richtung des Laserstrahls – misst man z.B. senkrecht auf die Bremsscheibe, kann man nicht sehen, was in der Scheibenebene (in-plane) passiert. Man sieht nur die so genannten Out-of-plane-Schwingungen. Die strahlen zwar maßgeblich den Schall ab, geben aber keinen Hinweis auf den Entstehungsmechanismus. Der Schlüssel liegt in der Beobachtung der in der Scheibenebene wirkenden Reibkräfte zwischen Bremsbelägen und Bremsscheibe und den daraus resultierenden Schwingungen. Diese Komponenten nicht zu betrachten, hieße die Augen vor zwei Dritteln der Wahrheit zu verschließen.
Die Bosch-Forscher begannen daher gemeinsam mit einem Industriepartner ein dreidimensional messendes Scanning-Laser-Vibrometer zu entwickeln. Das Messprinzip beruht auf der Kombination von drei herkömmlichen SLDV-Systemen, die aus drei unterschiedlichen Richtungen auf denselben Messpunkt schauen. Durch trigonometrische Umrechnung wird aus den drei Strahlinformationen die Schwingbewegung des Messpunktes in allen drei Raumrichtungen (3D) bestimmt.
Als äußerst erfolgreich in der Geräuschuntersuchung hat sich die so genannte Scanning-Laser-Doppler-Vibrometrie (SLDV) erwiesen. Was die zu leisten vermag, weiß jeder Meisterspion: Gespräche in einem Raum lassen sich nämlich leicht belauschen, wenn man von außen einen Laserstrahl auf das Glasfenster schickt und den reflektierten Strahl wieder auffängt. Denn dieser zeigt die Vibration der Scheibe an, die durch die Laute eines Gesprächs in leichte Schwingungen versetzt wird. Das SLDV misst die häufigste Geräuschursache – die Schwingung von Bauteiloberflächen: Der reflektierte Laserstrahl erfährt je nach der Vibrationsbewegung der Oberfläche eine leichte Frequenzverschiebung. Diese so genannte Dopplerverschiebung wird im Laser-Scanner durch ein komplexes optisches System gemessen und in eine Geschwindigkeitskomponente der Oberfläche umgerechnet. Ein vorab auf der Oberfläche definiertes Messgitter wird vom Scanner selbsttätig abgetastet. Eine Doppelspiegel-Anordnung im Laserkopf versetzt den Laserstrahl dabei von einem Messpunkt zum anderen.
Bosch-Forscher haben dieses etablierte Messprinzip nun um das Messen auf bewegten Objekten, auch „Tracking“ genannt, erweitert. Damit können Bauteile oder Bauteilsysteme mit beweglichen Komponenten wie Lüfter oder Scheibenwischer im realen Betrieb untersucht werden. Der Laserstrahl verfolgt dann einen festen Messpunkt auf einer Lüfterschaufel oder dem Wischblatt des Schweibenwischers und registriert dort das Schwingungsverhalten.
Beim Scheibenwischer lässt sich so der gesamte Wischvorgang auf Vibrationen und Störgeräusche untersuchen. Prompt wurden mit Hilfe der Laser-Methode und der akustischen Kamera (siehe Titelseite) zwei Störgeräuschtypen ausfindig gemacht: Beim Wechseln von der Auf- zur Abwärtsbewegung erzeugt der Richtungswechsel der Wischlippe das so genannte Umklappgeräusch. Zudem kann im letzten Drittel des Wischvorgangs auf manchen Windschutzscheiben ein leises „Brummen“ bei rund 100 Hertz auftreten.
Um die Geräuschtypen genauer zu untersuchen, markieren die Forscher den steifen Kunststoffbügel des Wischers und die flexible Wischlippe mit jeweils rund einem Dutzend gleichmäßig verteilter Messpunkte. Zu Anfang der Messung steht ein Lernprogramm: Der Laser wird bei verschiedenen Winkelstellungen des Wischers auf die Messpunkte manuell ausgerichtet. Am Computer werden durch diese Referenzmessungen die Bewegungsbahnen der einzelnen Punkte über die Windschutzscheibe errechnet. Damit kann der Laser-Scanner die Messpunkte über den ganzen Wischvorgang verfolgen.
Die Messergebnisse helfen bei der Auslegung, Konstruktion und Materialauswahl der Bauteilkomponenten. Außerdem versuchen die Forscher charakteristische Parameter für die Geräuschentstehung aus den Daten herauszudestillieren, die unabhängig von den verschiedenen Wischersystemen der Fahrzeughersteller gültig sind.
3D-Scanning
Mit der Laser-Vibrometrie konnten Bosch-Forscher auch eine bislang offene technische Frage beantworten: Wie kommt es zum Quietschen beim Bremsen? Die Situation hat jeder Verkehrsteilnehmer im Ohr: Ein Auto nähert sich einer Kreuzung, bremst ab und kurz vor dem Stoppen, bei Schritttempo, quietschen die Bremsen. Dem Forscher stellt sich das Problem physikalisch: Für das durchdringende Quietschen ist Energie nötig, und irgendwie muss sich der abgestrahlte Schall ein Quäntchen von der Rollenergie von Rad und Bremsscheibe abgezweigt haben. Nur wie?
Zur Beantwortung dieser Frage reichte auch hier die etablierte Messtechnik nicht aus. Laservibrometer messen nur in Richtung des Laserstrahls – misst man z.B. senkrecht auf die Bremsscheibe, kann man nicht sehen, was in der Scheibenebene (in-plane) passiert. Man sieht nur die so genannten Out-of-plane-Schwingungen. Die strahlen zwar maßgeblich den Schall ab, geben aber keinen Hinweis auf den Entstehungsmechanismus. Der Schlüssel liegt in der Beobachtung der in der Scheibenebene wirkenden Reibkräfte zwischen Bremsbelägen und Bremsscheibe und den daraus resultierenden Schwingungen. Diese Komponenten nicht zu betrachten, hieße die Augen vor zwei Dritteln der Wahrheit zu verschließen.
Die Bosch-Forscher begannen daher gemeinsam mit einem Industriepartner ein dreidimensional messendes Scanning-Laser-Vibrometer zu entwickeln. Das Messprinzip beruht auf der Kombination von drei herkömmlichen SLDV-Systemen, die aus drei unterschiedlichen Richtungen auf denselben Messpunkt schauen. Durch trigonometrische Umrechnung wird aus den drei Strahlinformationen die Schwingbewegung des Messpunktes in allen drei Raumrichtungen (3D) bestimmt.
