Die Suche nach der perfekten Messung

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Forscher bei Brüel & Kjær, einem Anbieter in der Messung und Analyse von Akustik und Schwingungen, setzen in der Produktentwicklung auf Simulation. Sie erreichen so ein höheres Maß an Genauigkeit für ihre industriellen Mikrofone und Schallwandler. Von Sonja Weinbrecht

Forscher bei Brüel & Kjær, einem Anbieter in der Messung und Analyse von Akustik und Schwingungen, setzen in der Produktentwicklung auf Simulation. Sie erreichen so ein höheres Maß an Genauigkeit für ihre industriellen
Mikrofone und Schallwandler.  Von Sonja Weinbrecht

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Eine perfekte Messung gibt es genauso wenig, wie ein unfehlbares Messinstrument. Während man der eigenen Messung oftmals bedingungslos vertraut, wird die Tatsache, dass keine Messung fehlerfrei ist, gerne ignoriert. Die Messinstrumente definieren nicht, was sie messen, sie reagieren auf Phänomene aus der Umgebung und interpretieren diese Daten im Vergleich zu einer nicht perfekten Repräsentation eines vorgegebenen, absoluten Standards.
Daher haben alle Instrumente einen akzeptablen Fehlergrad – einen zulässigen Betrag, um den die Messung abweichen kann, ohne dadurch unbrauchbar zu sein. Die Herausforderung besteht darin, Instrumente mit einer Fehlertoleranz zu entwerfen, die sowohl bekannt als auch gleichbleibend ist, und zwar möglichst für einen längeren Zeitraum. Seit über 40 Jahren ist Brüel & Kjær A/S ein führender Anbieter im Bereich Messung und Analyse von Akustik und Schwingungen. Zu den Kunden des Unternehmens zählen unter anderen Airbus, Boeing, Ferrari, Bosch, Honeywell, Caterpillar, Ford, Toyota, Volvo, Rolls-Royce, Lockheed Martin sowie die NASA.
Da die akustischen und schwingungstechnischen Herausforderungen in der Industrie sehr unterschiedlich sind – die Bandbreite reicht von Verkehrs- und Fluglärm über Motorschwingungen in Fahrzeugen bis hin zu Windturbinengeräuschen und Qualitätskontrollen in der Produktion – muss Brüel & Kjær Mikrofone und Beschleunigungssensoren entwickeln, die eine Reihe verschiedener Messstandards abdecken. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, verwendet das Unternehmen in seinen Forschungs- und Entwicklungsprozessen Simulation zur Verifizierung der Genauigkeit seiner Bauteile und zum Test neuer, innovativer Designs.

Design und Herstellung genauer Mikrofone

„Wir nutzen die Simulation, um Kondensatormikrofone zu entwickeln und um sicherzustellen, dass sie den relevanten Standards der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) und der Internationalen Organisation für Normung (ISO) entsprechen“, sagt Erling Olsen, Entwicklungsingenieur in der Forschungs- und Entwicklungsabteilung für Mikrofone bei Brüel & Kjær. Die Kondensatormikrofone von Brüel & Kjær decken Frequenzen vom Infra- bis Ultraschall und Schalldrücke von unterhalb der Hörgrenze bis zu den höchstmöglichen Pegeln unter normalen atmosphärischen Bedingungen ab. Das Sortiment umfasst Standard- und Labormikrofone sowie maßgeschneiderte Mikrofone für Spezialanwendungen. „Wir setzen die Simulation gemeinsam mit anderen Werkzeugen als Teil unseres F&E-Prozesses ein und stellen so sicher, dass unsere Mikrofone unter den unterschiedlichsten Bedingungen zuverlässig arbeiten. So kennen wir zum Beispiel den Einfluss von statischem Druck, Temperatur und Feuchtigkeit sowie die Effekte anderer Faktoren für alle unserer Mikrofone sehr genau. Dies sind Parameter, die nur sehr schwer gemessen werden könnten und durch den Einsatz von Simulation sind sie leicht zugänglich.“
Das Brüel & Kjær Kondensatormikrofon Typ 4134 (Bild 1) ist ein altes Mikrofon, das im Laufe der Jahre Gegenstand vieler theoretischer und praktischer Untersuchungen war. Daher wurde das Mikrofon Typ 4134 nun auch als Prototyp für die Entwicklung eines multiphysikalischen Modells für Kondensatormikrofone von Brüel & Kjær genutzt. Um die Leistung des Mikrofons zu analysieren, berücksichtigte Olsen in seinen Simulationen die Bewegung der Membran, die elektromechanischen Wechselwirkungen zwischen der Membranverformung und der elektrischen Signalerzeugung, die Resonanzfrequenz sowie die viskosen und thermischen Schalldämpfungseffekte, die in den inneren Hohlräumen des Mikrofons auftreten.

Modellierung des Mikrofons

Sobald Schall auf ein Mikrofon trifft, induzieren die Schallwellen Verformungen in der Membran, die als elektrische Signale gemessen werden. Diese elektrischen Signale werden anschließend in Dezibel-Werte konvertiert. „Für die Modellierung eines Mikrofons muss man ein bewegliches Netz und eng gekoppelte mechanische, elektrische und akustische Fragestellungen lösen – ohne Multiphysik wäre das nicht möglich“, erklärt Olsen. „Die Modelle müssen sehr detailliert sein, da große Seitenverhältnisse (aufgrund der Gehäuseform des Mikrofons) und kleine Abmessungen in den meisten Fällen dazu führen, dass thermische und viskose Verluste hinsichtlich der Mikrofonleistung eine wichtige Rolle spielen und daher explizit mit modelliert werden müssen.“
Das Modell kann darüber hinaus genutzt werden, um die Wechselwirkungen zwischen der Rückplatte und der Membran vorherzusagen. Neben anderen Faktoren beeinflussen diese die richtungsabhängige Charakteristik des Mikrofons. „Wir nutzten die Simulation, um das Durchbiegungsmuster der Membran zu analysieren“, so Olsen. Um die Berechnungszeit zu reduzieren, wurde zum Beispiel bei Simulationen der thermischen Spannung und der Resonanzfrequenz die Modellsymmetrie ausgenutzt (Bild 2). Das reduzierte Modell wurde außerdem verwendet, um den Schalldruckpegel im Mikrofon für senkrecht zur Mikrofonmembran einfallende Schallwellen zu bestimmen (Bild 3). Treffen die Schallwellen jedoch nicht senkrecht auf das Mikrofon, wird die Membran einer nichtsymmetrischen Randbedingung ausgesetzt. Dann muss in der Simulation die gesamte Geometrie berücksichtigt werden, um die Durchbiegung der Membran zu erfassen (Bild 4).
Darüber hinaus wurde die Simulation verwendet, um den Einfluss der Luftschlitze im Mikrofon bei der Messung von niederfrequentem Schall zu bestimmen. „Wir haben drei verschiedene Modellvarianten modelliert: das Mikrofon mit den Schlitzen, wenn es einem externen Schallfeld ausgesetzt ist, außerhalb des Feldes (kein Schallfeld) und ohne Lüftungsschlitze“, sagt Olsen. „Letzteres würde in der Praxis zwar nicht zum Einsatz kommen, es ermöglichte uns aber, den Zusammenhang zwischen der Schlitzkonfiguration und den Ergebnissen des Eingangswiderstandes bei verschiedenen niederfrequenten Verhaltensweisen zu bestimmen. Dies ist einer der wichtigsten Vorteile der Simulation: Wir können die Modellparameter ändern und uns von bereits gefertigten Bauteilen entfernen, so dass wir alternative Designs testen und die Grenzen eines Bauteils untersuchen können (Bild 5).“
Weil Olsen und seine Kollegen die Simulation in den F&E-Prozess integriert haben, können sie nun nicht nur einige Kernprodukte von Brüel & Kjær testen, sondern auch Bauteile nach spezifischen Kundenanforderungen neu entwerfen.

Schwingungswandler modelliert

Søren Andresen, ein Entwicklungsingenieur bei Brüel & Kjær, nutzt ebenfalls Simulation für den Entwurf und Test von Schwingungswandlerdesigns.
„Eine der Schwierigkeiten bei der Auslegung von Messfühlern für eine Schwingungsanalyse sind die rauen Umgebungsbedingungen, denen die Bauteile standhalten müssen“, sagt Andresen. Unser Ziel war die Entwicklung eines Bauteils, das schon aufgrund seiner Bauweise genügend Widerstand aufweist, um den extrem rauen Bedingungen standhalten zu können.“
Einer der wichtigsten Aspekte beim Design eines Wandlers ist die Vermeidung von Resonanzen im zu messenden Frequenzbereich, denn dies würde die Messergebnisse störend beeinflussen. Bild 6 zeigt die mechanische Verschiebung eines eingespannten Schwingungswandlers sowie ein Diagramm der Resonanzfrequenz des Bauteils.
„Als Faustregel setzen wir das obere Frequenzlimit auf ein Drittel der Wandler-Resonanzfrequenz fest. So sind wir sicher, dass die gemessenen Schwingungskomponenten am oberen Frequenzlimit maximal einen Fehler von 10 bis 12 Prozent aufweisen“, erläutert Andersen.

So präzise wie möglich

Auch wenn es wahrscheinlich nie möglich sein wird, einen perfekten Schwingungswandler zu entwerfen oder eine vollständig fehlerfreie Messung durchzuführen, bringt die Simulation die Forschungs- und De­signteams diesem Ziel näher als je zuvor. Die Simulation ermöglicht es, schnell und effizient neue Designlösungen für viele verschiedene Einsatzszenarios zu testen.
„Um dem Wettbewerb immer einen Schritt voraus zu sein, benötigen wir Know-how, das andere Anbieter so nicht haben“, sagt Andersen. „Dies gewinnen wir durch Simulation, bei der wir Anpassungen und virtuelle Messungen vornehmen können, die wir experimentell nicht durchführen könnten. So lassen sich innovative Designs im Detail testen und optimieren.“ (anm)

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