Akustik Musikinstrumente

Akustik und Ultraschall

Laser Doppler Vibrometer sind unerlässliche Werkzeuge für anspruchsvolle Arbeiten im Bereich Akustik und Ultraschall. Sie visualisieren Schwingungen direkt am Ausgangspunkt der Schallentstehung: an einer Membran oder an jeder anderen bewegten Oberfläche. Ihr berührungsloses Messprinzip arbeitet präzise, hoch-linear und rückwirkungsfrei.

Optomet Laser Vibrometer haben sich bewährt beim Design von Lautsprechern, im Musikinstrumentenbau, bei der Entwicklung von Ultraschall-Sensoren, Mikrofonen, Mobiltelefonen und Ultraschall-Sonotroden. Beim Akustikdesign von Gebrauchsgütern wie Haushaltsgeräten, Automobil- und Flugzeugteilen oder beim Validieren von FEM-Modellen kommen Optomet Laser Doppler Vibrometer ebenfalls zum Einsatz.

Klangoptimierung von Musikinstrumenten

Laser Vibrometer von Optomet unterstützen Hersteller von Musikinstrumenten bei der Optimierung von Musikinstrumenten im Hinblick auf Klangqualität, Haltbarkeit und Wünsche der Anwender. 

Die Untersuchung von Instrumentensaiten ist mit herkömmlichen Kontaktsensoren praktisch nicht möglich, da diese nur schwer auf den Saiten angebracht werden können. Zum anderen würde eine Massebeladung durch Sensoren wie Beschleunigungsaufnehmer die dynamische Antwort des Messobjekts verfälschen. Eine ähnliche Problematik ergibt sich bei den Resonanzkörpern von Gitarren und Streichinstrumenten sowie den Resonanzböden von Klavieren und Flügeln.

Optomet Laser Doppler Vibrometer versetzen die Instrumentenhersteller in die Lage, Schwingungsamplituden, Resonanzfrequenzen, Dämpfung sowie die Auswirkungen der Materialwahl bei der Weiterentwicklung des Musikinstrumentes systematisch und berührungslos zu untersuchen.

Die Schwingungsanalyse von Resonanzkörpern erlaubt die Erfassung und Visualisierung der Oberflächenschwingungen auf dem Corpus eines Instruments. Schwingungsmoden oder versteckte Klänge lassen sich im Frequenzspektrum eindeutig identifizieren und klassifizieren. Dies ermöglicht eine eindeutige Analyse vom einzigartigen Klang von Gitarren, Geigen, Klavieren, Drums und vielen weiteren Instrumenten.

Eine weitere Qualitätsbeurteilung und Klangcharakterisierung  stellt die Zeitdarstellung der Schwingungsausbreitung dar. Diese bestimmt eindeutig den zeitlichen Verlauf der Wellenausbreitung über den Resonanzkörper.

 

 

Akustik Bass

Interferometrische Schallfeldmessung

Die Ausbreitung von Schallwellen in einem Medium (z. B. Luft) verursacht eine räumliche und zeitliche Schwankung der Dichte. Da sich mit der Dichte des Mediums dessen Brechnungsindex und damit auch die Lichtgeschwindigkeit ändert, können die von den Schallwellen hervorgerufenen Dichteänderungen mit dem Laser Doppler Vibrometer sichtbar gemacht werden.


Dazu lässt man den Laserstrahl, der das zu vermessende Schallfeld durchläuft, eine statische weiße Oberfläche abtasten und detektiert das reflektierte Signal. Die interferometrisch gemessenen Phasenunterschiede resultieren hier, anders als bei typischen Vibrometrieanwendungen, nicht aus der Bewegung der reflektierenden Oberfläche, sondern aus der Variation der Laufzeit vom Vibrometer zum Reflektor und wieder zurück zum Messgerät, die durch die Dichteschwankungen bedingt sind.
Durch die Schwankungen des Brechungsindex variiert die Laufzeit des Laserstrahls vom Laser Doppler Vibrometer (LDV) zu einem Reflektor, der sich hinter dem zu vermessenden Schallfeld befindet und wieder zurück zum Vibrometer. Als Reflektor kann beispielsweise eine weiße Wand dienen. Diese Laufzeitänderung führt zu einer durch das Vibrometer detektierten Phasenänderung. 


Dichte- und damit auch die Druckschwankungen, die durch die Schallwellen hervorgerufen werden, können auf diese Weise mit der OptoSCAN Software visualisiert werden. Anwendungsbeispiele sind die Vermessung des Schallfeldes für die Entwicklung von Ultraschallwandlern und Lautsprechern. Mittels tomographischer Verfahren lässt sich auch die dreidimensionale Geometrie des Schallfeldes rekonstruieren. 

Praktisches Beispiel: Ultraschallwandler

Ultraschallwandler kommen häufig bei zerstörungsfreien Prüfverfahren oder Ultraschallsignalgebern zum Einsatz. Das Bild zeigt das Schallfeld eines divergenten Ultraschallwandlers welches mit Laser Scanning Vibrometer von Optomet gemessen wurde. 

Schallfeld Messung Ultraschall

Ultraschallschweißen

Das Ultraschallschweißen ist ein Verfahren zum Fügen von thermoplastischen Kunststoffen und metallischen Werkstoffen mit Hilfe von mechanischen Schwingungen mit Frequenzen von 20 kHz und darüber. Die Auslenkungen liegt dabei typischerweise im 2-stelligen µm-Bereich. Aufgrund der relativ hohen Frequenzen ergeben sich daraus Schwinggeschwindigkeiten von einigen Metern pro Sekunde, die wiederum für den nötigen Energieeintrag in die Schweißstelle sorgen. 

Optomet Laser Doppler Vibrometer mit Geschwindigkeitsreserven bis 25 m/s sind hervorragend dazu geeignet, den komplexen Schweiß-Prozess bis in alle Einzelheiten messtechnisch zu erfassen und zu optimieren. Ein Scanning Laser Vibrometer kann etwa Betriebsschwingformen der Sonotrode messen und visualisieren.  

Laservibrometer helfen Ihnen beispielsweise, effiziente Werkzeuge für Ultraschallprozesse zu entwickeln, FE-Modelle zu validieren, Simulationsparameter zu ermitteln, Sonotrode und Wandler aufeinander abzustimmen, End-of Line-Tests an Ihren Produkten oder Eingangstests an Piezokeramiken durchzuführen.

Praktisches Beispiel: Weiterentwicklung von Sonotroden

Mit einem Optomet Scanning Laser Doppler Vibrometer können Schwingungen auf der gesamten Oberfläche von Sonotroden vermessen und sämtliche Betriebsschwingformen sichtbar gemacht werden. Insbesondere an der Klinge der Sonotrode können störende Schwingungsmoden hohe Amplituden ausbilden und das Ultraschallschweissergebnis signifikant beeinflussen.

Störquellen und Schwingungen bei unerwünschten Frequenzen lassen sich einfach und schnell identifizieren. Die Validierung von FE-Modellen ermöglicht eine systematische Weiterentwicklung des Schweissprozesses und der Anlagen auf einer gesicherten Grundlage.

 

Schallfeld-Messung eines akustisches Levitators

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