InFocusDamenwahl

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Das geht ins Ohr Seite 10

Wenn der Motor schweigtSeite 18

Simulation vs. MessungSeite 22

Magazin für Optische Messsysteme von Polytec

AUSGABE 2016

Ich flieg‘ auf dich!Schwingungen in der Natur Wissensvorsprung

sichern:

www.polytec.de/newsletter

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Editorial

Liebe Leserin, lieber Leser,

Ein Blick über den Tellerrand

Sie kennen unsere Produkte aus Ihrem Forschungs-, Entwicklungs- oder Produktions-alltag.

Dass sich unsere Instrumente nicht nur in der Welt der Technik wohlfühlen, zeigen die zahlreichen Einsätze im Bereich der Biologie. So verlässlich wie sie Bremsscheiben oder den Ventiltrieb unter die Lupe nehmen, so präzise untersuchen sie auch Hör-organe oder die Kommunikation von Insekten.

Lesen Sie in dieser Ausgabe, wie unsere Geräte Vorgänge sichtbar machen, die für das bloße Auge unsichtbar bleiben. So sind Schwingungen für das menschliche Gehör ebenso unverzichtbar wie bei der Partnerwahl von Bienen.

Für mich ist es faszinierend, wie unsere Systeme immer wieder neue Anwendungs-gebiete erobern.

Und jetzt wünsche ich Ihnen viel Spaß beim Lesen.

Eric WinklerLeiter des Geschäftsbereichs Optische Messsysteme

Polytec News Seite 3

Damenwahl Seite 4

Interview mit Dr. Windmill, Universität Strathclyde Seite 8

Das geht ins Ohr Seite 10

Interview mit Prof. Dr. Weckenmann, Universität Erlangen-Nürnberg Seite 14

Wenn der Motor schweigt Seite 18

Simulation vs. Messung Seite 22

Produktneuheiten Seite 28

Messen und Events Seite 32

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News

RoboVib® in JapanEröffnung 2015

Nach Waldbronn und Dexter (USA), besitzt nun auch die Polytec-Niederlassung in Japan ein vollautomatisches Test-Center für Modalanalyse und Modellvalidierung. Kunden aus der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- sowie Konsum-güterindustrie profitieren jetzt auch in Japan vom vollen Polytec-Dienstleistungs-Portfolio. Polytec-Geschäftsführer Dr. Dietmar Gnaß und Polytec-Japan-Geschäftsführer Michitaka Fujita eröffneten das RoboVib® Test-Center vor einem begeisterten Fachpublikum aus Kunden und Partnern.

Achtung! Laufender MesskopfB2RUN Karlsruhe 2015

Unter den insgesamt 7.200 Läufern, die beim B2RUN in Karlsruhe mitliefen, tummelten sich auch einige Polytecaner. 36 Kolleginnen und Kollegen bewäl-tigten die 6,2 km lange Strecke. Start und Ziel war das Wildparkstadion. Auch in diesem Jahr sollen noch mehr Kollegen zum Mitmachen motiviert werden.

Engineered ExcitementHigh Speed Karlsruhe

Polytec unterstützt 40 hochmotivierte Studenten der Hoch-schule Karlsruhe dabei, im Rahmen des internationalen Kons-truktionswettbewerbs „Formula Student“ einen Rennwagen zu entwickeln. Bei dieser Formel handelt es sich um einen internationalen Konstruktionswettbewerb für Studenten, bei dem über 500 Teams in weltweit über zehn Wettbewerben gegeneinander antreten.

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Insektenforschung

DamenwahlZur Rolle von Schwingungen bei der Partnerwahl von Bienen

Wenn es um Fortpflanzung geht, sind es oft die Weibchen, die den Paarungspartner auswäh-len. Auch bei der Roten Mauerbiene entscheidet das Weibchen über die Paarung. Deshalb untersuchten Forscher der Universität Ulm, ob die Vibrationen der Männchen zu den Kriterien gehören, die die Partnerwahl der Weibchen beeinflussen. Dazu richteten die Forscher während des Paarungsverhaltens ein Laservibrometer auf das Männchen. Vibrationen könnten auf Stärke hinweisen und den Weibchen Aktivität und Gesundheit signalisieren.

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Die Vibrationen wurden bei Tageslicht aufgezeichnet. Die für die Aufzeichnungen benutzten männlichen und weiblichen Bienen, waren in getrennten Flugkäfigen bei Raumtemperatur geschlüpft. Um Paare für die Paarung zu erhalten, wurde jeweils ein Bienen-Weibchen in einen Flugkäfig gesetzt, in dem sich etwa 40 Männchen befanden, die aus unterschiedlichen Trap-nestern stammten. Sobald sich bei der präkopulatorischen Umar-mung (ein Männchen setzt sich auf ein Weibchen, während die anderen Männchen zurückwei-chen) ein Paarungspaar gebildet hatte, wurde das Paar aus dem Flugkäfig herausgenommen und in einen Kunststoffkasten gesetzt (40 x 20 x 10 cm).

Die Thorax-Vibrationen, die die Männchen während der präkopula-torischen Phase erzeugten, wurden mit einem PDV-100 Laservibro-meter von Polytec aufgenommen. Das Gerät war an einen Laptop angeschlossen und nutzte eine 32-Bit-Soundkarte sowie die Soft-ware Soundforge 8.0. Die Abtast-rate belief sich auf 44,1 kHz. Die Dateien analysierten die Forscher später mit Avisoft SasLab Profi. Alle Männchen wurden mit einem weißen Punkt auf der Brust markiert, um die Reflexion des Laserstrahls zu verbessern.

Die Biologen registrierten und verglichen die Vibrationen der ►

Dass die Weibchen den Paarungs-partner wählen, ist in der Tierwelt weit verbreitet. Ist ein Geschlecht wesentlich stärker an der Aufzucht interessiert als das andere, dann versucht ersteres, die reproduktive Fitness durch Auswahl des best-möglichen Geschlechtspartners zu maximieren. Typischer weise stecken Weibchen mehr Aufwand in die Aufzucht als Männchen. Bevor ein Weibchen ein Männ-chen als Geschlechtspartner akzeptiert, beurteilt es seine Qualität anhand einer Vielzahl von Eigenschaften wie Farbe, Größe, Balzgesang oder Duft.

Verschiedene Bienengruppen (Hummeln, stachellose Bienen und Honigbienen) nutzen Brust-korb-(Thorax-)Vibrationen zur Anlock-Kommunikation, zum Sammeln des Blütenstaubs und zur Verteidigung. Wenig untersucht blieb bisher die Rolle von Vibrati-onssignalen im Paarungsverhalten, obwohl mehrere Bienenarten dafür bekannt sind, dass sie diese während der Paarung aussenden. Bienen erzeugen Vibrationen durch das Zusammenziehen der Flügel-muskeln, während sie die Flügel stillhalten. Eine verstärkte Muskel-kontraktion führt zu einer stärkeren Versteifung des Brustkorbs und so zu höheren Frequenzen.

Die Rote Mauerbiene ist eine in Mittel- und Nordeuropa weit-verbreitete Solitärbiene. Beim präkopulatorischen Balzen umarmt das Männchen das Weibchen. Das Männchen steht dabei auf dem Rücken des Weibchens und versucht es durch eine Reihe von Verhaltensweisen für die Paarung zu gewinnen (Titelbild). Das Männchen kann seinen Brustkorb in Vibrationen versetzen, sich am Weibchen reiben, mit seinen Fühlern immer wieder über die des Weibchens und mit seinen Vorderbeinen über die Komplex-augen des Weibchens streichen.

Indem es das Männchen bei diesem Balzverhalten wegstößt, kann das Weibchen den Werber abweisen. Allerdings ist noch nicht bekannt, welches der männlichen Signale ein Weibchen zur Wahl des Geschlechtspartners verwendet. Im vorliegenden Fall analysierten die Forscher, ob es Vibrations-signale der männlichen Biene sein könnten, anhand derer ein Weibchen der Bienenart Osmia bicornis ein Männchen auswählt, das es präkopulatorisch umarmt.

METHODEN UND MATERIALIEN

Für ihre Tests verwendeten die Forscher Bienen der Art Osmia bicornis, die sie an der Universität Ulm in Trapnestern, in Form eines Holzkastens, auf dem Dach des Universitätsgebäudes aufzogen.

◄ Paarungspaar der Roten Mauerbiene Osmia bicornis (L.) (Megachilidae) beim präkopu-latorischen Umarmen. Weibchen der Osmia bicornis reagieren bei der Partnerwahl auf die Vibrationen der Männchen.

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A) Rejected

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 s

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20kHz

Burst Burst Burst_ __

B) Accepted

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 s

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20kHz

Burst_ Burst__ Burst__ Burst_

Insektenforschung

Männchen, die ein Weibchen akzeptiert bzw. abgelehnt hatte. Die Weibchen bewegten sich bisweilen während der Aufzeich-nungen und der Winkel zwischen dem Laserstrahl und den Bienen änderte sich. Deshalb war es den Forschern nicht möglich, die Amplitude des männlichen Signals näher zu untersuchen.

ERGEBNISSE

Die Schall-Analysen zeigten, dass die Vibrationen der Männchen in 1 bis 9 Folgen (Vibrationsperioden) auftreten, wobei jede Folge aus etwa 10 bis 220 Ausstößen (Bursts) besteht (Bild 1). Die zur Kopulation akzeptierten Männchen zeigten vor der Kopulation eine deutlich

längere Ausstoßdauer als die abge-lehnten Männchen (Mann-Whit-ney-U-Test, P <0,05) (Bild 2). Die Zeit zwischen den Bursts schien bei den akzeptierten Männchen kürzer zu sein. Der Unterschied war allerdings nicht signifikant (Mann-Whitney-U-Test, P >0,05) (Bild 3).

DIE BEDEUTUNG DER MÄNN-LICHEN VIBRATIONSSIGNALE

Männliche Bienen der Art Osmia bicornis haben ein Vibrations-muster, das aus Folgen mehrerer Ausstöße besteht. Die Ergeb-nisse zeigen, dass Weibchen zur Paarung eindeutig Männchen bevorzugen, die längere vibrie-rende Ausstöße abgeben. Da der Erzeugung von Vibrationen

energieraubende Thorax-Kon-traktionen vorausgehen, könnten Weibchen von den Vibrationen auf die Vitalität und Gesundheit eines Werbers schließen. Möglicher-weise führt dies auch zu einer Ausgrenzung älterer Männchen, weil diesen die Energie fehlt, um lange Bursts zu erzeugen.

Obwohl über die Bedeutung männlicher Vibrationen für die Partnerwahl wenig bekannt ist, gibt es Hinweise, dass Weibchen sie als Auswahlkriterium nutzen könnten. Da die Vibrationssignale der Osmia bicornis tatsächlich aufwendig sind, ist es wahrscheinlich, dass sie ein zuverlässiges Signal darstellen.

Bild 1: Vibrogramm (Frequenz in Abhängigkeit von der Zeit) einer Folge komplexer Pulse von Thorax-Vi-brationen (Bursts) eines letztlich abgewiesenen Männchens (A, oben) und einem schließlich akzeptierten Männchens (B, unten).

Bei dem akzeptierten Männchen (B) ist die Zeit zwischen den Ausbrüchen kürzer (nicht signifikant) und die Ausbrüche sind länger (signifikant) als bei dem abgewiesenen Männ-chen (A).

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Kontakt

Dr. Taina ConradEvolutionsökologie und Naturschutzgenomik Universität Ulmwww.uni-ulm.de/nawi

Referenzen

Der dieser Übersetzung zugrundeliegende Beitrag wurde auch in der Fachzeitschrift „The Journal of Experimental Biology“ veröffentlicht: Conrad, T. Paxton, R. J. Barth, F. G. Francke, W. & Ayasse, M.: Female choice in the red mason bee, Osmia rufa (L.) (Megachilidae). The Journal of Experimental Biology 213, 4065–4073 (2010).

Um diese Vermutungen zu bekräf-tigen, sind Experimente nötig, in denen beim Aufzeichnen der präkopulatorischen Vibrationen die Vitalität, die Gesundheit und das Alter der Männchen manipuliert werden.

Diese Ergebnisse werfen ein völlig neues Licht auf das „Summen“ von Bienen, das bis zu dieser Untersu-chung weithin unberücksichtigt blieb. Man meinte, Bienen könnten nicht sehr gut hören. Offensichtlich besitzen sie aber Sensoren, um diese Vibrationen aufzuspüren. Weitere Untersuchungen könnten enthüllen, dass viel mehr Bienenarten Vibrationen in ihrer Kommunikation einsetzen. ■

Bild 2: Ausstoßdauer der akzeptierten und der abgewiesenen Männchen. Anzahl der Test-Individuen: n = 11 für abgewiesene und n = 12 für akzeptierte Männchen. Der Medianwert, Quartile und Ausreißer (Kreise) sind zu sehen. Die beiden Gruppen unterscheiden sich deutlich voneinander (Mann Whit-ney-U Test, P <0,05).

Bild 3: Intervall-Dauer der akzeptierten und der abgewiesenen Männchen. Anzahl der Test-Individuen: n = 11 für abgewiesene und n = 12 für akzeptierte Männchen. Der Medianwert, Quartile und Ausreißer (Kreise) sind zu sehen. Die beiden Gruppen unterscheiden sich nicht deutlich von einander (Mann Whit-ney-U Test, P >0,05).

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Interview

„Zu jeder Zeit erstklassiger Support“

Herr Dr. Windmill, Sie arbeiten an bionischen Technologien. An was forschen Sie genau zur Zeit?

Momentan versuchen wir zu verstehen, wie biologische Systeme Geräusche wahr-nehmen und erzeugen. Diese Grundlagen forschung hilft uns, neue Akustiksysteme für verschie-dene Anwendungsgebiete zu entwickeln. Inspiriert vom Insektengehör geht es zur Zeit vorrangig um die Entwicklung neuer Miniatur-Mikrofone. Diese Mikrofone sind beispielsweise für die Hersteller von Mobiltelefonen und Hörgeräten interessant.

Die Ohren von Insekten verfügen über eine Vielzahl nützlicher Eigenschaften, aus denen wir

lernen können. Eine davon ist die im Verhältnis zur Größe aller bisher vom Menschen erschaffenen Geräte viel höhere Empfindlichkeit.

Außerdem verfügen Insektenohren über Mechanismen, die für andere Funktionen interessant sind. Das wichtigste Beispiel ist die Richtungsempfindlichkeit, durch welche ein Richtmikrofon entsteht, das wesentlich kleiner ist als die Länge der Schallwellen, an deren Analyse wir interessiert sind.

Angeregt durch die Natur, arbeiten wir aber auch an Ultraschall-Systemen für die zerstörungsfreie Prüfung.

Welche Rolle spielt moderne Schwingungsmesstechnik bei Ihrer Forschung? Können Sie uns eine typische Anwendung beschreiben?

Viele unterschiedliche Insekten-arten nehmen Geräusche wahr. Insgesamt haben sich bei Insekten unabhängig voneinander 19 verschiedenartige Gehörsys-teme entwickelt. Viele Insekten haben ein tympanisches Ohr, also eine Membrane, die einem Trommelfell ähnelt, um Geräu-sche zu hören. Uns interessiert das Schwingverhalten dieser Struktur. Biologische Systeme sind nicht linear oder gleichförmig.

Wir sind auf die scannende Laser-vibrometrie angewiesen, um zu analysieren, wie das „Trommelfell“

Dr. Windmill untersucht an der Strath-clyde University in Glasgow das Gehör

von Insekten. Wir sprachen mit ihm über seine Forschung und die Rolle, die Polytecs

Schwingungsmesstechnik dabei spielt.

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Kontakt

Dr. James WindmillCentre for Ultrasonic EngineeringUniversität StrathclydeGlasgow

james.windmill@strath.ac.uk

www.strath.ac.uk

des Insekts auf Geräusche reagiert. Wir verwenden jetzt den MSA-100-3D Micro System Analyzer von Polytec. Er macht es uns möglich, die Bewegungen der Ohr-Membrane dreidi-mensional zu analysieren.

Welche Vorteile bietet Ihnen der Einsatz eines MSA-100-3D Micro System Analyzers genau?

Die Hörorgane von Insekten und die Miniatur-Mikrofone, die wir herstellen, haben einen Durch-messer von weniger als 1 mm. Das Trommelfell reagiert auf normale Geräusche, indem es sich um wenige Nanometer bewegt. Insekten können auch Geräusche hören, die in der Membrane eine Schwingung im sub-Nanometer- Bereich verursachen.

Da die Trommelfell-Membranen komplexe, dreidimensionale Strukturen sind, nahmen wir an, dass sie sich nicht einfach nur senkrecht zur Ebene bewegen, sondern komplexe Bewegungen in drei Dimensionen ausführen. Der MSA-100-3D ermöglicht es uns, diese kleinen Strukturen zu untersu-chen, während sie sich geräuschbe-dingt in 3 Dimensionen bewegen.

Wie empfanden Sie die individuelle Unterstützung durch Polytec?

Die ist seit jeher exzellent! Polytec hat mich immer direkt unterstützt, sowohl von Großbritannien als

auch von Deutschland aus. Egal, ob es um technische Fragen im Zusam-menhang mit Polytec- Systemen oder um Probleme bei der Anwen-dung geht: Polytec hilft uns.

Großartig ist auch die Unter-stützung beim Spezifizieren neuer Systeme für neue Anwen-dungen. Ob es nun um Aufbau und Einsatz neuer oder älterer Geräte geht – wir erhalten zu jeder Zeit erstklassigen Support.

Was erwarten Sie für die Zukunft?

Was mein eigenes Forschungslabor betrifft, so glaube ich, dass wir uns mit dem MSA-100-3D viele weitere interessante Forschungs- und Entwicklungsthemen erschließen werden. Wir können jetzt kleine Messobjekte, die sich dreidimen-sional bewegen, analysieren. Wir werden die nächsten Jahre dafür nutzen, um herauszufinden, was wir alles noch messen können.

Die Firma Polytec hat im Laufe der letzten Jahre gezeigt, dass sie in der Entwicklung von Schwin-gungsmesstechnik führend ist. Ich glaube, dass das auch so bleibt und bin gespannt, wohin uns Polytecs Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet noch führt.

Dr. Windmill, vielen Dank für das Gespräch. Wir wünschen Ihnen viel Erfolg für die Zukunft.

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Hören

Das geht ins OhrUntersuchung von Schwingungen der menschlichen Gehörknöchelchen – Charakterisierung eines biomechanischen GelenksDas menschliche (Mittel-)Ohr überträgt akustisch induzierte Schwingungen des Trommelfells über eine Kette von Gehörknöchelchen an das Innenohr. Die entstehenden dreidimensionalen Schwingungsmuster besitzen nahe der Hörschwelle Auslenkungen im Bereich von wenigen Nanometern. Um diese Schwingungen zu erfassen, sind hochgenaue und rückwirkungsfreie Messsysteme erforderlich.

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Um diese enorme Anregungs-bandbreite zu verarbeiten, fungiert das menschliche Mittelohr als mechanischer Filter, der die großen quasi-statischen Anregungen entkoppelt und die kleinen dyna-mischen Anregungen überträgt (Bild 1). Einen entscheidenden Einfluss hat dabei das Hammer-Am-boss-Gelenk (Incudo-Malleolares Gelenk – IM-Gelenk), welches die beiden Gehörknöchelchen Hammer und Amboss miteinander verbindet. Dieses Forschungs-vorhaben untersucht die Funk-tionsweise des IM-Gelenks bei unterschiedlichen Anregungen und bestimmt ein mathemati-sches Modell des Gelenks.

Das menschliche Gehör wird neben den kleinen akustisch induzierten Druckschwankungen auch durch große, quasi- statische Drücke belastet. Diese Druck-schwankungen können um ein Vielfaches größer sein als der akustische Schalldruck an der Schmerzschwelle. Sie werden z.B. durch Luftdruckschwan-kungen der Umgebung, aber auch durch alltägliche Situationen wie das Schnäuzen der Nase, den Luftzug bei offenem Fenster im PKW oder die Veränderung der Körperposition verursacht.

Bild 1: Anregung des menschlichen Gehörs durch quasi-statische und dynamische

Druckschwankungen.

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Hören

System Analyzer und einem Polytec OFV Einpunktvibrometer-Messkopf (Bild 2). Die LDV-Einheiten, das Messobjekt sowie die Messpunkt-position werden manuell und elek-trisch positioniert bzw. bestimmt.

Bei der Untersuchung von biolo-gischem Weichgewebe kommt es mit zunehmender Messdauer zu einer durch Austrocknung bedingten Veränderung der Mate-rialeigenschaften. Die elektrischen Positioniereinheiten ermöglichen es, die Messpunktpositionen im Vorfeld zu definieren und eine teilautomatisierte Messung mit kurzer Messdauer durch-zuführen. In Kombination mit der Befeuchtung des Präparats lassen sich die Austrocknungs- effekte so deutlich minimieren.

DIE MESSUNG

Die Anregung erfolgt elektrody-namisch durch einen Shaker und quasi-statisch durch einen mit einer Kraftmesszelle verbundenen Taststift (Bild 3). In den LDV-Mess-köpfen integrierte Kameras über-wachen dabei den Messablauf (Bild 4). Es erfolgen Messungen an unterschiedlichen Positionen auf den beiden Knöchelchen mit identischem Anregungsmuster. Aus diesen Einzelmessungen lassen sich im Anschluss an die Messungen die dreidimensionalen Bewegungen der beiden Gehör-knöchelchen rekonstruieren.

Neben Untersuchungen an isolierten IM-Komplexen werden Messungen an menschlichen Felsenbeinpräparaten durchge-führt. Die Gehörknöchelchen werden frei präpariert ohne dabei Trommelfell, Mittelohrbänder und

Bild 2: Messaufbau zur dynamischen Untersuchung des Hammer- Amboss-Gelenks. Bild 3: Messaufbau zur statischen Untersuchung des Hammer-Amboss- Komplexes.

DER VERSUCH

Zur Charakterisierung des IM-Gelenks erfolgen zunächst Messungen an isolierten IM-Komplexen, um den Einfluss anderer (Mittel ohr-)Strukturen, wie etwa der Bänder oder des Trommelfells, auszuschließen.

Beim IM-Komplex handelt es sich um eine sehr kleine (ca. 7 x 4 x 9 mm) und leichte (55 mg) Struktur. Sie besteht aus zwei durch biologi-sches Weichgewebe verbundenen Gehörknöchelchen. Laser-Doppler- Vibrometer-(LDV-)Messungen sind das ideale Werkzeug zur Untersuchung dieser Struktur, da sie die berührungslose und hoch-aufgelöste Messung auch kleiner Strukturen ermöglichen. Um die räumlichen Geschwindigkeiten und Verschiebungen zu erfassen, erfolgen die Untersuchungen mit einem Polytec MSA-050-3D Micro

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Dank

Die Autoren bedanken sich bei Prof. Alexander Huber, Dr. Jae Hoon Sim, Dr. Ivo Dobrev und Rahel Gerig vom Uni-Spital in Zürich für die Zusammenarbeit bei diesem Projekt.

Kontakt

Dipl.-Ing. Sebastian IhrleDr.-Ing. Albrecht EiberProf. Dr.-Ing. Prof. E.h. Peter Eberhard

Institut für Technische und Numerische Mechanik Universität Stuttgart

sebastian.ihrle@itm.uni-stuttgart.de

www.itm.uni-stuttgart.de

Bild 4: Überwachung des Messablaufs durch die in den LDV-Messkopf integrierte Videokamera.

Bild 5: Messungen am menschlichen Felsenbein-Präparat.

Innenohr zu beschädigen. Ein Laut-sprecher regt das Trommelfell akus-tisch an und ein Polytec CLV-3D Compact Laser Vibrometer misst die dreidimensionale Geschwin-digkeit an mehreren Punkten auf Hammer und Amboss (Bild 5).

Eine in den Strahlengang des LDV eingekoppelte Kamera überwacht die Messpunktposi-tion, zur Positionierung lässt sich die Intensität der Laserstrahlen mit einer Blende minimieren.

ERGEBNIS

Aus den Einzelpunktmessungen lassen sich die räumlichen Bewe-gungen von Hammer und Amboss für quasi-statische und dynamische Anregungen rekonstruieren. Es zeigt sich eine Umlenkbewegung innerhalb des IM-Gelenks bei großen quasi-statischen Auslen-kungen. Die sattelförmige Struktur

der Gelenkflächen verursacht diese räumliche Bewegung. Bei akustischer Anregung kommt es mit steigender Frequenz ebenfalls zu einer Relativbewegung im IM-Gelenk, einhergehend mit einer zunehmenden Komple-xität des Schwingungsmusters der Gehörknöchelchen.

Durch die Verwendung von 3D-Laser-Schwingungsmess-systemen lässt sich die räumliche Relativbewegung im IM-Gelenk bei unterschiedlichen Anregungsmus-tern rekonstruieren. Dies verbessert das Verständnis der mechanischen Funktionsweise des biologischen Gelenks und die Ableitung von Parametern für ein mathemati-sches Berechnungsmodell. ■

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Interview

„Optische Oberflächen-messtechnik ergänzt die

taktile“

Genau wie Polytec stammen Sie aus Waldbronn. Könnte man sagen, dass der Ort bekannt ist für seine Messtechnik-Expertise?

Das ist eine schöne Frage zum Einstieg. Nun, wir arbeiten beide daran, Waldbronn als Nucleus für Messtechnik bekannt zu machen. Waldbronn wurde durch die Ansiedlung von Polytec als Wiege hochwertiger Messtechnik bekannt. Als ich meine Entschei-dung traf, mich intensiv der Messtechnik zu widmen, musste ich noch „auswandern“, um Gleichgesinnte zu treffen und um die richtige fachlich-wissen-schaftliche Umgebung zu finden.

Heute stellt Polytec eine Art Inkubator für Berufsanfänger dar und ist gleichzeitig ein aufblühendes Unternehmen, das unserem Nachwuchs einer-seits zeigt, wie erfolgreich man mit Messtechnik sein kann und andererseits auch, wie interes-sant optische Messtechnik ist.

So kann man sicher sagen, dass Waldbronner Atmosphäre global erfolgreiches Klima bietet, das die Messtechnik zumindest begünstigt und für Interessierte tolle Pers-pektiven bietet. Man muss heute nicht mehr „auswandern“, um sein Glück in Messtechnik zu machen.

In der herstellenden Industrie werden die meisten Oberflächen noch taktil überprüft, obwohl optische Methoden zusätzliche Vorteile bieten. Wieso wird die industrielle Oberflä-chenmesstechnik immer noch von taktilen Verfahren dominiert? Was muss getan werden, um die Akzeptanz optischer Methoden zu steigern?

Das hat zum einen geschichtliche Gründe: In der Zeit des ersten Definierens von Oberflächen-kenngrößen um die Mitte des vergangenen Jahrhunderts schwor die Fachwelt auf taktile Verfahren. Andere waren nicht verfügbar. Es gab damals weder

Wir unterhielten uns mit Prof. Dr. Albert Weckenmann von der Universität Erlangen-Nürnberg über die Grenzen der taktilen Oberflächenmesstechnik und die Chancen berührungsloser Verfahren.

| 15Die TopMap-Systeme bieten Verstellbereiche mit bis zu 70 mm – etwa für das Messen in Bohrungen. Der telezentrische Strahlengang vermeidet Abschattungseffekte.

Die meisten Erfahrungen hat die Industrie bisher mit taktilen Tech-niken gesammelt, deshalb wollen die Anwender die herkömmliche mit der neuen vergleichen. Ein direkter Abgleich ist aber nicht immer möglich. Können Sie etwas zu den Umständen sagen, die benötigt werden, um die beiden unterschied-lichen Technologien zu vergleichen?

Man sollte gar nicht erst versu-chen, die Ergebnisse miteinander zu vergleichen. Der Vergleich hinkt in jedem Falle. Was will man eigentlich mit dem Messergebnis anfangen? Wenn man die zu erwar-tende Funktionsfähigkeit ermit-teln will, dann taugen viele der genormten Kennwerte wie etwa Ra, Rq, Rz und andere kaum dazu.

Optoelektronik noch Computer. Man kann für die Spezifikation von Werkstückoberflächen nur solche Messgrößen definieren, in Normen festlegen und auf techni-schen Zeichnungen eintragen, für die Messgeräte verfügbar sind.

Doch dann entwickelte sich die Technik weiter, sowohl was die Anforderungen an die Oberflä-chen angeht, als auch was die Fertigungsverfahren betrifft und auch was die Messmethoden angeht. Wenn jetzt wohldefi-nierte und verbreitete genormte Kenngrößen geändert werden, muss die gesamte Kette von Normung über Konstruktion, Fertigung, Qualitätssicherung bis zur Messtechnik und der Interpre-tation der Ergebnisse mitziehen.

Praktisch alle mit Spezifikation, Fertigung und Qualitätssiche-rung befassten Werker, Techniker und Ingenieure müssen umge-schult werden und es entsteht die Frage nach der Gültigkeit der „alten“ technischen Zeich-nungen. Man erkennt sehr schnell, die sehr konservative Einstellung der Fertigungsmess-techniker hat seinen Grund.

Dies führt dazu, dass optische Verfahren der Oberflächenmess-technik sehr bedächtig und zögerlich eingeführt werden. Die Akzeptanz lässt sich nur in Maßen steigern. Eine Beschleunigung ist nur durch Maßnahmen möglich,

die auf Überzeugung ausgerichtet sind und Akzeptanz fördern. Doch das bedeutet wiederum Aufwand auf Messen, in Druckschriften, Messbeispielen, Gesprächen, Schulungskursen und andere mehr.

Was sagen Sie als Experte: Von welchen Vorteilen der optischen Oberflächenmesstechnik profitiert der Anwender am meisten?

Von der schnellen, flächenhaften Anwendung und Erfassung der dreidimensionalen Topografie mit extrem hoher Punktdichte. Aller-dings muss dann auch die Auswer-tung dafür geeignet sein, die zu erwartende Funktionsfähigkeit der erfassten Oberfläche zu ermitteln. Und an letzterem mangelt es heute häufig.

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Interview

Doch kann und sollte man nicht das Ziel haben, die taktile Messtechnik zu ersetzen. Dort wo sie eingeführt ist, wird sie weiter angewandt werden. Sinnvoller ist es, die vielfältigen Vorteile der optischen Erfassung für neue Anwendungen zu nutzen und die rechnergestützte Auswertung so zu erweitern, dass man den Grad der zu erwartenden Funktions-fähigkeit vorhersagen kann.

Es existieren verschiedene optische Verfahren, um die Oberflächen-güte zu überprüfen. Jede hat ihre Vor- und Nachteile. Schlussendlich wollen die Anwender mit den Mess-ergebnissen ihren Prozess oder ihr Produkt charakterisieren. Was ist Ihrer Meinung nach ein Messergebnis, das den Anwender zufrieden stellt?

Messungen der Oberfläche werden unter zwei Hauptzielen durchge-führt. Das eine ist zur Vorhersage der Funktionsfähigkeit (genauer: Grad der Erfüllung der Funktions-forderung) und das andere ist zur Korrektur des Fertigungsprozesses. Wenn die Messung die erwartete und benötigte Information mit der notwendigen Genauigkeit, unter den herrschenden Umge-bungsbedingungen und in der für die Prozessführung erforder-lichen Zeitspanne liefert, dann ist der Anwender zufrieden.

angestrebte Topografie, Umge-bungsbedingungen, Integration in Netzwerke, Verknüpfung mit Industrie 4.0-Strukturen und viele andere mehr.

Der Anwender sollte sich in jedem Falle vor der Messung Gedanken machen, ob überhaupt gemessen werden muss und wie der Messaufwand gering gehalten werden kann. Nur das, was auch weiterverarbeitet wird, für die Dokumentation zwingend vorge-schrieben oder beim Auftreten von Reklamationen oder Haftungs-ansprüchen benötigt wird, braucht gemessen zu werden. Wenn man mit dem Messergebnis nichts anfängt, kann man es sich sparen!

Obwohl es schon vielversprechende Ergebnisse auf Mikro- und Nano-meter-Ebene gibt, versucht die Industrie immer noch Methoden von der Makro- auf die Mikro-Ebene zu übertragen. Was sagen Sie als

Die Oberflächenmesstechnik von Polytec basiert auf der Weißlicht-Inter ferometrie. Im Vergleich zu anderen Methoden erfassen die TopMap-Systeme große Messfelder mit einer hohen vertikalen Auflösung. Vor allem dort, wo es um die funk-tionsorientierte Charakterisierung von Oberflächen geht, müssen die Messergebnisse schnell zur Verfügung stehen. Sie sind Vorreiter in diesem Bereich. Welche anderen Aspekte sind für den Anwender von Bedeutung?

Der Anwender muss das für seine Messaufgabe am besten geeignete Verfahren auswählen.

Dabei fließen vielerlei Parameter in eine solche Entscheidung ein: Wo am Werkstück soll was gemessen werden – Material, Funktion der Oberfläche, Herstellverfahren, Parameter des Herstellprozesses,

TopMap Pro.Surf von Polytec

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Kontakt

Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. mult. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult. Albert WeckenmannLehrstuhl Qualitätsmanagement und FertigungsmesstechnikUniversität Erlangen-Nürnberg

Albert.Weckenmann@qfm.uni-erlangen.de

www.qfm.uni-erlangen.de

Experte zur Zukunft von GPS (Geome-trische Produkt Spezifikationen und Verifikation) zu diesem Problem?

Das Tolerierungssystem GPS wird auch in der Zukunft unbedingt benötigt werden; wir haben doch nicht nur Mikro-Nano-Teile! Für die Mikro- und Nanotechno-logie (z.B. nanometeraufgelöst strukturierte Oberflächen) müssen allerdings konstruktive gestalteri-sche Lösungen bzw. ein mit GPS verträgliches Spezifikationssystem oder ein neues Tolerierungs-system neu erfunden werden. Ein einfaches Verkleinern oder Miniaturisieren der Prozesse und der Kenngrößen dürfte – wenn man die Gesetze der Physik beachtet – nicht ausreichen, weil physikalische Grundlagen- Aspekte anderes verlangen.

Zum Beispiel sind die im Makro-bereich vorwiegend eingesetzten Rotationsbewegungen im Nano-bereich nicht mehr anwendbar, vielmehr kommen zunehmend elastische Torsions- und Biege-bewegungen zum Einsatz; dies zwingt zu neuen Denkweisen für das Verwirklichen von Funktionsforderungen und die Gestaltung von Komponenten.

Wie sieht Ihrer Meinung nach die Zukunft für die optische Ober-flächenmesstechnik aus?

Die Anwendung der optischen Oberflächenmesstechnik wird zwar stetig, aber langsam zunehmen.

Optische Messtechnik wird die taktile Ober-flächenmesstechnik nicht verdrängen, sondern ergänzen.

Die Messprinzipien und darauf aufbauende Messverfahren sind zu leistungsfähigen und anfor-derungsgerechten einsetzbaren Messgeräten entwickelt worden und stellen eine solide Basis dar für Weiterentwicklungen bzw. Anpas-sungen an die Aufgabenstellungen.

Optische Messtechnologie wird künftig zunehmend unter anderem für die Mikro/Nanotechnologie eingesetzt werden. Nach der Entwicklung der bereits auf hohem Stand befindlichen Geräte muss nun ein Schwerpunkt auf die Auswertung gelegt werden. Nach funktionsorientierter Spezifikation der Größen muss für die Verifi-kation der gefertigten Bauteile Neues für die Bewertung der Bauteile geschaffen werden.

Niemand wird künftig Zahlen-friedhöfe betrachten wollen. Das vorhandene Wissen um das Zustan-dekommen der Funktionsfähigkeit

eines Bauteils muss so aufbereitet werden, dass als erweitertes Messergebnis der Grad der Funk-tionsfähigkeit ausgegeben wird.

Und last but not least: Auch die Messtechnik muss künftig Industrie 4.0 als auch AMP 2 tauglich sein. Eine Herausforde-rung für alle Unternehmen, ganz besonders aber für die qualitäts-sichernd orientierten Bereiche.

Ich wünsche Polytec ein glückliches Händchen und allzeit die richtigen Ideen, dieser Herausforderung zu begegnen. Die Umgebung von Waldbronn, zu der ja auch das KIT in Karlsruhe und in geringfügig weiterer Entfernung die Universität Stuttgart mit jeweils engagierten und ehrgeizigen Einrichtungen sowie vielfältige produzierende Unternehmen der Region gezählt werden können, ist ein exzellentes Umfeld, um auch den Herausfor-derungen der Zukunft gewachsen zu sein.

Prof. Dr. Weckenmann, vielen Dank für das Gespräch. Wir wünschen Ihnen viel Erfolg für die Zukunft.

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Automotive

Wenn der Motor schweigtAkustische Abstrahlung schwingender Flächen in elektrischen AntriebssystemenDer wachsende Markt elektrischer und teilelektrischer Fahrzeuge stellt neue Anforderungen an die akustische Qualität der Produkte. Das Schallabstrahlverhalten elektrifizierter Antriebs-stränge unterscheidet sich deutlich von dem konventioneller Antriebe. Das IPEK – Institut für Produktentwicklung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) untersuchte diese Phänomene.

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Abteilung RD/FNP 1

Geschwindigkeit

Sch

alld

ruck

pege

l

Anteil Windgeräusche

Geräuschanteil VKM

Geräuschanteil Nebenaggregate

Geschwindigkeit

Sch

alld

ruck

pege

l

Wahrnehmbare Geräusche

Geräuschanteil Nebenaggregate/ elektrischer Antriebsstrang

Anteil Windgeräusche

Bild 1

Abteilung RD/FNP 2

Anregung Elektromotor

Anregung Getriebe

Anregung VKM

Drehzahl Elektromotor/ rpm

Freq

uenz

/ Hz

Elektrifizierung des Antriebsstrangs

Drehzahlbereich Elektromotor

Drehzahlbereich VKM

Resonanzen

Bild 2

Der Fahrkomfort ist ein wichtiges Entscheidungskriterium für den Kauf eines Fahrzeugs. Insbeson-dere für Fahrzeuge mit elektri-schem Antriebsstrang spielt die akustische Qualität aufgrund der fehlenden Maskierung durch die Verbrennungskraftmaschine (VKM) eine elementare Rolle (Bild 1).

Die Herausforderungen in Bezug auf das Fahrzeuginnen-geräusch sind zum einen die fehlenden Methoden und die fehlenden Erfahrungen auf die Geräuschanregung und deren Übertragungs mechanismen. Zum anderen rücken in (teil-)elektrischen Antriebssystemen, in Abhängigkeit von der Topo-logie des Elektromotors (EM) und des Antriebsstrangs, höhere Ordnungen und somit tonale Anteile am Fahrzeug innengeräusch in den Fokus der Entwicklung.

Ein weiterer Unterschied ist der weit erhöhte Drehzahlbereich des Elektromotors im Vergleich zum Verbrennungsmotor. Weiter sind die Anregungen durch den Elektromotor im Allgemeinen wesentlich höherer Ordnungen und resultieren in höher ange-regten Frequenzen (Bild 2).

Bild 1: Schematische Darstellung der veränderten Geräuschkulisse durch wegfallende Verbrennungskraftmaschine.

Bild 2: Akustische Konflikte und Herausforderungen bei der Substitution eines Verbrennungsmotors.

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Automotive

Diese Konflikte erfordern eine Neubewertung und Untersuchung des elektrischen Antriebs im konkreten Fahrzeug (Bild 3).

Für die Bewertung der akustischen Qualität des Fahrzeuginnen-geräuschs von Elektrofahrzeugen ist die Analyse der durch den Antriebsstrang abgestrahlten Schallleistung im Fre quenz bereich von 20 Hz bis ca. 16 kHz entschei-dend. Hier lässt sich – in Kombina-tion mit dem Körperschalleintrag in die Karosserie – der Geräuschanteil des Antriebsstrangs am Fahrzeug-innengeräusch abschätzen.

Die abgestrahlte Schallleis-tung steht dabei im Sinne der maschinen akustischen Grundglei-chung in direktem Zusammenhang mit dem Quadrat der Oberflächen-schnelle in Richtung der Flächen-normalen und der abstrahlenden Fläche. Somit kann – unter vereinfa-chender Annahme eines konstanten Abstrahlgrades – die akustische Abstrahlung eines Antriebsstrangs bzw. der einzelnen Komponenten durch die gemessene Oberflächen-schnelle angenähert und validiert werden. Die Definition von Grenz-werten auf Basis der Oberflächen-schnellen bietet dabei mehrere Vorteile. Zum einen werden Ober-flächenschnellen auch in nicht refle-xionsarmen Prüfständen zuverlässig und reproduzierbar gemessen.

Zum anderen ermöglicht dies Rückschlüsse auf die Beiträge der einzelnen Teilflächen zum Gesamtgeräusch. Dies ermög-licht die Analyse hinsichtlich der Anregung und dem Körperschall-pfad auf Strukturebene.

Mit Hilfe von 3D-Scanning Vibrometern besteht die Möglichkeit, die Oberflächenschnellen berührungslos nach dem Laser-Doppler-Prinzip mit einer hohen örtlichen Auflösung zu erfassen. Dies ist insbesondere im Falle elektrifizierter Antriebssysteme notwendig, da hier höhere Frequenzen als in konventionellen Antriebssystemen angeregt werden.

Das IPEK – Institut für Produktent-wicklung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) führte im Rahmen eines Forschungsprojekts Akustikmessungen auf einem reflexionsarmen Antriebsstrang-prüfstand durch. Dabei wurde ein elektrischer Antriebsstrang hinsicht-lich der akustischen Eigenschaften untersucht.

Neben der synchronen Erfassung und Analyse von elektrischen, mechanischen und akustischen Größen mit einem Messsystem wurden die Oberflächenschnellen auf dem Antriebsstrang mit einem 3D-Scanning Vibrometer für die kritischen Betriebspunkte unter-sucht. Der Fokus lag dabei insbe-sondere auf dem Elektromotor und dem Getriebe.

Die Messungen ergaben Überhö-hungen der Oberflächenschnellen analog zu den Überhöhungen des Schalldrucks im Fernfeld. Dabei stellten die Forscher anhand der örtlich hoch aufgelösten Oberflä-chenschnellen fest, dass die dem Elektromotor zugeordnete Anre-gung der Struktur hauptsächlich durch das verbundene Getriebe abgestrahlt wird.

Prof. Dr.-Ing. Albert Albers Leiter des IPEK fasste zusammen:

„Die Validierung technischer Systeme zu jeder Phase des Entwicklungs-prozesses stellt einen zentralen Bestandteil der Produktentwicklung dar. Am IPEK wird hierfür das X-in-the-Loop- Framework (XiL) entwickelt, eine Methode für die durchgängige und prozessbegleitende Validierung technischer Systeme mit Fokus auf der Fahrzeug- beziehungsweise Antriebssystementwicklung.“

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Kontakt

Dr.-Ing. Matthias BehrendtOberingenieur und Leiter der Forschungs-abteilung 1IPEK – Institut für ProduktentwicklungKarlsruher Institut für Technologie (KIT)

matthias.behrendt@kit.edu

www.ipek.kit.edu

Im Rahmen einer tiefergehenden Analyse konnte der Anregungs- und Übertragungsmechanismus der Strukturschwingungen weiter eingegrenzt werden und so weitere gezielte Untersu-chungen auf Komponenten ebene ermöglichen.

Die Forschungen des IPEK liefern den Nachweis einer guten Übereinstimmung von Oberflächenschnelle verteilung zum gemessenen Schalldruck im Fernfeld. Die höheren Anre-gungsfrequenzen des E-Antriebs mit gekoppeltem Getriebe erfasst die räumlich hoch auflösende und gleichzeitig berührungslos messende optische Sensorik problemlos.

Die eingesetzte Schwingungs-messtechnik ermöglicht einen Rückschluss auf die akustischen Eigenschaften eines Produktes ohne die speziellen Anforderungen an die akustischen Eigenschaften des Messraums. ■

Bild 3: Die Anregungen des Elektromotors mit höheren Drehzahlbereichen sind im Allgemeinen wesentlich höherer Ordnung als bei Verbrennungskraftmaschinen.

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Medizintechnik

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Simulation vs. MessungFEM-Simulation und messtechnische Untersuchung eines Ultraschallwandlers

Wichtige Hilfsmittel in der bildgebenden Diagnostik sind Ultraschall-Verfahren, die auch als (diagnostische) Sonographie bezeichnet werden. Die Weiterentwicklung der Wandlertechno-logie zur Erzeugung von Ultraschallwellen ist für die medizin technische Forschung und Entwicklung ein wichtiges Thema.

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Medizintechnik

Mikrosystemtechnisch gefertigte Ultraschallwandler (kapazitive mikromechanische Ultraschall-wandler – cMUTs) sind viel-versprechende Transducer für medizinische Ultraschall-An-wendungen. Im Vergleich zu konventionellen piezoelekt-rischen Ultraschallwandlern, besitzen cMUTs einzigartige Eigenschaften. So verringert sich durch die Biegeschwingform der cMUT-Membran die mecha-nische Impedanz der Wandler, und der Energietransfer an das Umgebungsmedium verbessert sich. Außerdem ermöglicht es die Mikrofabrikation, cMUTs kosten-günstig mit Verfahren der Halb-leitertechnik in Serie zu fertigen.

cMUTs profitieren auch von einem besseren Signal-Rausch-Verhältnis aufgrund der direkten Integration mit dem geometrisch unterhalb liegenden CMOS-Ansteuerungs- und Auslese-Schaltkreis. Das Thema „elektrische Verschaltung“ stellt bei cMUTs kein Problem dar, sodass großformatige 1D- oder kompliziertere 2D-Array-Konfigu-rationen möglich sind. Aufgrund dieser Argumente sind cMUTs sehr gut geeignet für die nächste Generation von diagnostischen Ultraschallverfahren. In den vergangenen 20 Jahren wurden von etlichen Forschergruppen Prototypen für Ultraschall-Bild-gebungsverfahren auf Grund-lage von cMUTs vorgestellt.

Bislang blieb die Untersuchung einzelner cMUT-Zellen bei wissen-schaftlichen Untersuchungen eher unbeachtet – weder auf Modell-ebene noch experimentell.

Tatsächlich lassen sich aber aus der genauen Vorhersage des Ausgangsdruckes und des entspre-chenden Frequenzganges einer Zelle nützliche und wichtige Informationen für die Konstruktion von Ultraschallwandlern ableiten. Forscher nutzten jetzt sowohl die FEM-Simulation als auch die optische Messung, um das Über-tragungsverhalten der Schallwand-ler-Oberfläche zu ermitteln. Auf Basis dieser Ergebnisse bestimmten sie dann mittels der Rayleigh- Integral-Methode das räumliche Druckfeld. Den Ausgangsdruck des cMUTs maßen sie dann mit einem Hydrophon. Anschließend

verglichen sie die Ergebnisse von Simulation und Messung.

CMUT ALS MESSOBJEKT

Eine isolierte quadratische cMUT-Zelle mit abgerundeten Ecken wurde für die Untersuchung verwendet. Die Isolation der Zelle hat den Vorteil, dass störende „Nachbarschaftseffekte“ aufgrund von Übersprechen und Aufhän-gung auf ein vernachlässigbar niedriges Niveau sinken. Bild 1(a) zeigt die Zelle von oben. Der Durchmesser der quadratischen Membran beträgt 60 µm.Für die Messsonden gab es zwei Kontaktpads: das eine, dem Element am nächsten, war an die Bodenelektrode angeschlossen, das andere an die Top-Elektrode. Werden Gleich- und Wechsel-spannung separat an die beiden

Bild 1: (a) Blick auf die cMUT-Zelle (Schliffbild), (b) Querschnitt der cMUT-Zelle.

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Pads angelegt oder auf ein Pad überlagert, wobei das andere geerdet ist, vibriert die Membran. Im Medium wird die entspre-chende Ultraschallwelle erzeugt. In der vorliegenden Untersu-chung wurde die cMUT-Zelle in Anwesenheit von zwei Medien betrieben: Luft und FC-84 (3MTM, USA), ein spezielles Fluorinert.

OPTISCHE UND AKUS-TISCHE MESSUNGEN

Das dynamische Verhalten der cMUT-Zelle wurde mittels Laser-Doppler-Vibrometrie (Polytec Micro System Analyzer MSA-500) analysiert. Der Versuchsaufbau ist in Bild 2 (a) dargestellt. Die cMUT-Zelle ist in die etwa 5 mm tiefe FC-84-Flüssigkeit eingetaucht.

Ein von einem Impulsgenerator (60 V) kommender, 50 ns langer Impuls wirkte auf das Pad, das an die Bodenelektrode der cMUT-Zelle angeschlossen war. Eine 160-V-Gleichstromvorspannung, was 60 % der theoretischen Nennspannung entspricht, wurde an das andere Pad angelegt.

Die Polaritäten der Impulsspan-nung und der DC-Vorspannung waren so, dass sich die Effektiv-spannungen summierten. Die Messungen erfolgten in Luft und in FC-84. Eine Korrektur wurde bei der FC-84-Messung durchgeführt, und die gemessene Auslenkung wurde durch 1,261 geteilt, dem Brechungsindex von FC-84.

ERGEBNISSE UND DISKUSSION FREQUENZGANGMESSUNGEN

In der akustischen Theorie lässt sich der Einfluss der mit dem Wandler mitbewegten Flüssigkeit als Masse beschreiben („radiation mass“). Diese Masse verringert die Resonanzfrequenz der Membran (oder die Mittenfrequenz in der Druckfrequenzgangkurve). Um den Effekt der Flüssigkeitsmenge zu bewerten, wurden die Frequenz-gangeigenschaften der cMUT-Zelle in Luft wie auch in FC-84 analysiert.

ERGEBNISSE FÜR LUFT:

In der Simulation mit ANSYS wurde die cMUT-Zelle zunächst mit einer Gleichstrom-Vorspannung von 160 V belastet, und eine harmonische Simulation unter Vorspannung durchgeführt. Die Auslenkung des

Bild 2: Schema des Versuchsaufbaus: (a) Optik-Aufbau für die dynamische Charakte-risierung mit dem Vibrometer-System MSA-500 von Polytec; (b) Akustik-Aufbau für die Schalldruckmessungen mit Hydrophon.

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Medizintechnik

Mittelpunktes wurde gemessen und auf die maximale Auslenkung normiert (Bild 3). Im Medium Luft wurde ein Resonanz-Peak bei etwa 9,43 MHz simuliert, während die Polytec-Messung einen Peak von 9,50 MHz ergab. Die Diskrepanz der Mittenfrequenz zwischen FEM-Simulation und Messung ist vernachlässigbar gering. Aller-dings ist der Unterschied zum beobachteten Q-Faktor beachtlich. Die 3-dB-Bandbreite des Reso-nanz-Peaks in Relation zu seiner Mittenfrequenz charakterisiert den Q-Faktor. Der aus den ANSYS- Simulationen erhaltene Q-Faktor von 496 ist ungefähr doppelt so groß wie der gemessene Q-Faktor 232. Dies ist verständlich, da die Simulation außer den Dämpfungs-verlusten in der Luft keine weiteren Verluste berücksichtigt.

Die Luftdämpfung ist daher vernachlässigbar klein, die Dämpfung durch Material, Stützstruktur oder Veranke-rung ist vorherrschend.

ERGEBNISSE FÜR FC-84:

Ähnlich wurde beim Medium FC-84 verfahren (Bild 4). Ein Poly-nom-Fit reduziert das Rauschen bei der Flüssigkeitsmessung. Sowohl die Simulation als auch die Messung zeigen eine klare Verschiebung der Resonanz- Frequenz, verglichen mit den Messungen in Luft. Die Mitten-frequenz in FC-84 beträgt etwa 5,5 MHz (verglichen mit 9,5 MHz in Luft). Diese Verschiebung zu geringeren Frequenzwerten resultiert aus der im Vergleich zu Luft deutlich größeren „radiation mass“ von FC-84. Der in FC-84 beobachtete Q-Faktor ist ebenfalls stark verringert, verglichen mit

dem Q-Faktor in Luft. In FC-84 stimmen aufgrund der dominie-renden Flüssigkeitsdämpfung die Werte für den Q-Faktor bei Simulation (Q = 1,2) und Messung (Q = 1,1) deutlich besser überein als in Luft. Ein Q-Faktor von ungefähr 1 illustriert die hohe Bandbreie der cMUT-Zelle.

SPRUNGANTWORT-VERHALTEN (AUSLENKUNG)

Eine Simulation des transienten Verhaltens unter Vorspannung erfordert in ANSYS zuerst eine tran-siente Simulation ohne Einschwing-vorgang (ANSYS Kommando: timint, off) und die Anlegung einer konstanten Gleichspannung von 160 V. Danach wird eine normale transiente Simulation mit einem Impuls durchgeführt, welcher der Gleichspannung von 160 V über-lagert ist. Mit Blick auf die Verzö-gerung in der Polytec-Messung

Bild 3: Resonanz-Peaks der cMUT-Zelle in Luft. Bild 4: Resonanz-Peaks der cMUT-Zelle in FC-84.

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wurde für die transiente Simulation ohne Einschwingvorgang eine Dauer von 175 ns eingestellt, d.h. ein 60-V-Puls wird bei t = 175 ns für 50 ns aktiviert. Die Auslenkung des zentralen Knotenpunkts wurde erneut bestimmt. Es gab keine stati-sche Durchbiegung in der Polytec- Messung und die gemessene Auslenkung wurde zum Vergleich mit der Simulation angepasst.

ERGEBNISSE FÜR LUFT:

Das Sprungantwortverhalten der cMUT-Zelle in Luft gemäß ANSYS-Simulation und gemäß Polytec-Messung zeigt Bild 5. Eine gute Übereinstimmung der Amplituden sind in den ersten Zyklen sichtbar. Wegen der Diskre-panzen bei Resonanz-Frequenz und Q-Faktor, wird der Unter-schied zwischen Simulation und Messung nach mehreren Zyklen signifikant. Allerdings erwartet man im Fall der Messung, wegen

zusätzlicher Materialdämpfung und Verlusten durch die Befestigung, dass die Amplitude viel schneller abfällt als bei der Simulation.

ERGEBNISSE FÜR FC-84:

Eine ähnliche Simulation und Messung wurde in FC-84 durch-geführt. Die Dämpfung durch das Medium wurde signifikant, als der Wandler in FC-84 eingetaucht war, eine rasche Dämpfung für das transiente Auslenkungssignal zeigt sich sowohl in der Simula-tion als auch in der Messung.

SCHLUSSFOLGERUNGEN

In unser Untersuchung demons-triert die gute Übereinstimmung zwischen FEM-Simulation und den experimentellen Ergebnissen ein grundsätzliches Verständnis der einzelnen cMUT-Zellen. ANSYS- Simulation und die Vibrometer- Messungen stimmen gut überein.

Kontakt

S.P. Mao (mao@imec.be), X. Rottenberg, V. Rochus, H.A.C. TilmansIMEC v.z.w.Heverlee, Belgienwww.imec.be

S.P. Mao (mao@imec.be), B. NauwelaersDepartment of Electronic EngineeringKatholische Universität Leuven, Belgienwww.kuleuven.be

Die entsprechenden Ergebnisse für den räumlichen Druck stimmen mit den Ergebnissen der Hydrophon-messungen ebenfalls gut überein.

Das beweist, dass ANSYS kombi-niert mit der Rayleigh-Integral- Methode eine schnelle und effektive Methode zur Simulation von Druckfeldern ist. Dieser Ansatz ist für die Konstruktion aufwändiger cMUT-Anordnungen für künftige Anwendungen in der Bildgebung sehr hilfreich. ■

Bild 6: Transiente Auslenkung der cMUT-Zelle in FC-84.Bild 5: Transiente Verschiebung der cMUT-Zelle in Luft.

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Die neue Performance in der optischen SchwingungsmessungMPV-800 und PSV-500 Xtra

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MPV-800 Multipoint VibrometerZeitsynchrone optische Schwin-gungsmessung

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PSV-500 Xtra Scanning VibrometerUpgrade für Xtra Optische Performance

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Produktneuheiten

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Schwarzschildstraße 112489 BerlinTel. +49 30 6392-5140

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ImpressumPolytec InFocus · Magazin für Optische MesssystemeAusgabe 2015 – ISSN 1864-9181 · Copyright © Polytec GmbH, 2016Herausgeber: Polytec GmbH · Polytec-Platz 1 - 7 · D-76337 Waldbronn

Messen und Events

Dr. Dietmar GnaßDr. Philipp Hassinger, Melanie Ohmer; KraftDruck GmbH

V.i.S.d.P.:Redaktion/ LayoutDruck:

Bildnachweise: Soweit nachfolgend nicht anders aufgeführt bei den Autoren. Seite 10/11: ©istock.com/Bonerok; Seite 18/19: ©istock.com/franckreporter; Seite 22/23: ©istock.com/monkeybusinessimages

Alle aktuellen Veranstaltungen finden Sie auf unserer Website www.polytec.de/events.

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Datum Veranstaltungen Ort

25.04. - 29.04.2016 HMI Hannover

26.04. - 29.04.2016 Control Stuttgart

10.05. - 12.05.2016 Sensor+Test Nürnberg

31.05. - 02.06.2016 Testing Expo Europe Stuttgart

13.06. - 15.06.2016 Eurobrake Mailand, Italien

14.06. - 15.06.2016 chassis.tech München

06.07. - 07.07.2016 9. Symposium „Motor- und Aggregateakustik” Magdeburg

10.07. - 14.07.2016 ICSV23 Athen, Griechenland

27.09. - 29.09.2016 Testing Expo China Shanghai, China

05.10. - 06.10.2016 Saltex Dornbirn, Österreich