Frequenzgangentzerrung – REq-X
Von Tommy Schack, Svend Gade, Ole Thorhauge und Peter Sims
24 Feb 2011
REq-X – ein besonderes Leistungsmerkmal des PULSE Systems von Brüel & Kjær – kann die Leistung von Sensoren wesentlich verbessern und erweitern. Wir wollen einen Blick darauf werfen, wie die Technik im Einzelnen funktioniert.
|
Technologie
|
|
|
Die REq-X-Methode ist eine in die PULSE Plattform von Brüel & Kjær integrierte Technik, die das Verhalten von Mikrofonen und Beschleunigungsaufnehmern wesentlich optimiert und damit die Qualität von Schall- und Schwingungsmessungen verbessert.
REq-X erlaubt uns, den Anwendungsbereich von Sensoren über den ursprünglich konzipierten hinaus zu erweitern, den Frequenzgang zu korrigieren, den nutzbaren Frequenzbereich zu erweitern und nicht zuletzt die Messgenauigkeit zu verbessern – um bis zu 10 dB.
Wie funktioniert es?
 |
| Bild vergrößern | | REq-X ergibt eine flache Kurve durch „Spiegelung“ des Frequenzgangs |
|
REq-X beruht auf dem Prinzip, dass wir durch Umkehrung der bekannten Frequenzgangkurve des Sensors ein Korrekturspektrum erhalten. Die inverse FFT des Korrekturspektrums ergibt eine Impulsantwort des Korrekturspektrums. Durch Faltung zwischen dem Eingangssignal und der Impulsantwortfunktion des Korrekturspektrums wird schließlich das entzerrte Signal erhalten, siehe Abbildung 1.
Der große Vorteil der REq-X-Technik besteht darin, dass sie alle diese Schritte automatisch für Sie ausführt: Das eingebaute Entzerrfilter berechnet das entzerrte Signal in Echtzeit und liefert einen korrigierten (flachen) Frequenzgang, der direkt in die Analyse eingehen kann.
Alle Brüel & Kjær Sensoren werden mit einem individuellen Kalibrierzeugnis geliefert, einschließlich einer CD, die neben dem Frequenzgang des Sensors auch Korrekturen für verschiedene Schallfelder und Zubehör enthält. Bei TEDS-Beschleunigungsaufnehmern ist der Frequenzgang in den TEDS-Angaben codiert enthalten und wird beim Anschluss an ein PULSE System automatisch erkannt.
Verschiedene Mikrofontypen
Mikrofone werden nach ihrem Verhalten im Schallfeld in drei Typen eingeteilt – Freifeld-, Diffusfeld- und Druckmikrophone. Sie sind für ein bestimmtes Einsatzgebiet konstruiert und sollten normalerweise nicht in anderen Situationen verwendet werden.
Wenn ein Mikrofon in ein Schallfeld gebracht wird, wirkt sich seine Anwesenheit auf das Feld aus. Abbildung 2 zeigt, dass durch örtliche Reflexionen der Druck vor dem Mikrofon ansteigt und das Mikrofon einen zu hohen Schalldruck misst.
 |
| Bild vergrößern | | Abbildung 3 zeigt das unterschiedliche Verhalten eines Freifeldmikrofons |
|
Freifeldmikrofone haben einen flach verlaufenden Frequenzgang bezogen auf den Schalldruck, der vorhanden war, bevor das Mikrofon in das Schallfeld gebracht wurde. Das Freifeldmikrofon ist so ausgelegt, dass es die durch seine Anwesenheit verursachte Störung kompensiert. Wie Abbildung 3 (links) zeigt, erfordert der korrekte Einsatz von Freifeldmikrofonen ein freies Schallfeld und das Mikrofon muss auf die Schallquelle zeigen. Die blaue Kurve zeigt den Frequenzgang eines Freifeldmikrofons, wenn es ohne REq-X im Diffusfeld verwendet wird. Die grüne Kurve zeigt einen Frequenzgang, der noch stärker vom flachen Verlauf abweicht, beim Einsatz im freien Schallfeld, aber unter einem Winkel von 120° zur Schallquelle.
Diffusfeld- und Druckmikrofone zeigen ähnliche Abweichungen, wenn sie außerhalb ihrer ausgewiesenen Einsatzbereiche verwendet werden.
Was bewirkt REq-X bei Mikrofonen?
| „Der große Vorteil von REq-X besteht somit darin, dass ein Freifeldmikrofon über einen großen Frequenzbereich eingesetzt werden kann, und dies sogar in einem Schallfeldtyp, für das es nicht konzipiert wurde.“ |
Mit REq-X stehen für ein Mikrofon in der Regel 50 verschiedene Entzerrungskurven zur Auswahl, je nachdem, für welches Schallfeld und welches Zubehör die Korrektur erfolgen soll. Und nicht genug damit, auch die schallfeldspezifische Bauart des Mikrofons kann kompensiert werden, so dass es sich in anderen Schallfeldtypen verwenden lässt. Darüber hinaus lässt sich das Mikrofon für Schalleinfallswinkel in 30-Grad-Schritten korrigieren, d.h. Einfallswinkel von 0°, 30°, 60°, 90°, 120°, 150° und 180°, sowie für verschiedenes Mikrofonzubehör wie Windschirme, Mikrofongitter und Nasenkonusse, was die Messgenauigkeit um weitere 5 bis 10 dB verbessert.
 |
|
Natürlich werden hochwertige Mikrofone mit einem Frequenzgang geliefert, der für den angegebenen Schallfeldtyp optimiert ist. Jedoch auch bei einem guten Mikrofondesign können wir den Frequenzgang noch verbessern. Mit REq-X lässt sich der Frequenzgang glätten und damit die Messgenauigkeit im angegebenen Frequenzbereich um bis zu 1,5 dB verbessern.
Abbildung 4 zeigt das Ergebnis der Entzerrung eines Freifeldmikrofons Typ 4190 im diffusen Schallfeld. In diesem Fall sehen wir die größte Verbesserung um ca. 3,7 dB bei 10,3 kHz. Der große Vorteil von REq-X besteht somit darin, dass ein Freifeldmikrofon über einen großen Frequenzbereich eingesetzt werden kann, und dies sogar in einem Schallfeldtyp, für das es nicht konzipiert wurde.
Wie verhält es sich mit Beschleunigungsaufnehmern?
Beschleunigungsaufnehmer liefern bei einer konstanten Beschleunigung ein konstantes Ausgangssignal. Dies gilt von sehr niedrigen Frequenzen bis zu einer Grenzfrequenz, die durch das Ansteigen des Ausgangssignals bei der Aufnehmerresonanz bedingt ist. Generell werden Aufnehmer nicht in der Nähe ihrer Resonanz verwendet, da dies zu großen Messfehlern führen kann. Als Faustregel gilt, dass ein Beschleunigungsaufnehmer ohne Frequenzgangentzerrung bis zu einem Drittel seiner Resonanzfrequenz eingesetzt werden kann, um zu gewährleisten, dass der Fehler ca. 10 % oder 1 dB nicht überschreitet.
 |
| Bild vergrößern | | Abbildung 5 zeigt den Nutzen von REq-X bei Montage mit Metallclip |
|
Mit REq-X können wir jetzt die Messungenauigkeit im selben Frequenzbereich auf 5% halbieren. Behalten wir stattdessen die 10%-Grenze bei und verwenden REq-X, können wir den Frequenzbereich der Aufnehmer erweitern. Bei uniaxialen Aufnehmern lässt sich die obere Frequenz um bis zu 100% erweitern. Bei anderen Typen lässt sich die obere Frequenz meist um bis zu 50% erweitern.
Abbildung 5 zeigt den gemessenen Frequenzgang eines mit Metallclip montierten Beschleunigungsaufnehmers Typ 4507. Die Resonanzfrequenz wurde bei 19 kHz gemessen. Ohne REq-X beträgt die obere Grenzfrequenz 7 kHz. Mit REq-X erhöht sich die obere Frequenz auf 12 kHz, d.h. um mehr als 50%, und die Genauigkeit bis zur Resonanzfrequenz wird drastisch verbessert.
Wo kann ich mehr darüber erfahren?
Weitere Informationen finden Sie im Originalartikel von Tommy Schack, Svend Gade und Ole Thorhauge im Brüel & Kjær Magazin hier.
Lesen Sie über Neuigkeiten aus Ihrer Branche...
