Was ist akustische Überwachung?

Schall besteht aus Druckwellen, die sich durch ein Medium bewegen, meist Luft oder Wasser. Schallwellen sind eine Art akustischer Welle, die typischerweise durch ihre Frequenz oder Tonhöhe (gemessen in Hertz, Hz) und Amplitude oder Lautstärke (gemessen in Dezibel, dB) beschrieben werden. Diese Merkmale helfen dabei, das Verhalten und die Intensität von Schall in Überwachungsanwendungen zu quantifizieren. Die Überwachung mit akustischen Sensoren und die Analyse der von Geräten erzeugten Geräusche können unerwartete Klangmerkmale für die menschliche Überprüfung anzeigen. 

^{Abbildung 1: Akustischer Sensor}

In der akustischen Überwachung werden üblicherweise verschiedene Sensortypen verwendet.

Mikrofone – Dies sind die gebräuchlichsten Sensoren in der akustischen Überwachung und erfassen direkt Luftschallwellen. Je nach Schallbedingungen sind Membranmikrofone, Mikrofone für mikroelektromechanische Systeme (MEMS) oder Ultraschallmikrofone möglicherweise besser für die akustische Überwachung geeignet. Mikrofon-Arrays können an oder um Geräte herum installiert werden, um Schall zu überwachen, wobei die Phase zur Lokalisierung von Lärmquellen verwendet wird.

Beschleunigungsmesser – Beschleunigungsmesser werden hauptsächlich für die Vibrationsüberwachung verwendet, können Mikrofone ergänzen, um Körperschall zu messen, der sich durch feste Objekte wie Gerätegehäuse oder Wände ausbreitet.

Hydrophone – Hydrophone sind speziell für die Erfassung von Unterwasserschalldrucksignalen entwickelt. Ihr korrosionsbeständiges Design macht sie ideal für industrielle und wissenschaftliche Anwendungen, einschließlich Unterwassertests, Überwachung und Messungen.

^{Abbildung 2: Grundlagen der akustischen Überwachung}

Die meisten Maschinen und industriellen Prozesse erzeugen bei korrektem Betrieb ein konstantes Klangbild. Abweichungen von diesem Bild können auf sich entwickelnde Fehler oder Ausfälle hinweisen. Akustische Überwachungssysteme umfassen typischerweise Sensoren, flexible Datenerfassungs- (DAQ) Hardwareplattformen und spezialisierte Analysesoftware zur Erfassung, Umwandlung, Digitalisierung und Analyse von Schallsignalen auf ungewöhnliche Merkmale. Basierend auf der Analyse können Wartungen geplant, Komponenten repariert oder Prozesse angepasst werden, bevor es zu größeren Problemen kommt.

Akustische Überwachung ermöglicht eine vorausschauende Wartung, die teure Reparaturen verhindern, die Lebensdauer der Anlagen verlängern und die Sicherheit verbessern kann. Gängige Datenerfassungssysteme umfassen folgende Systemtypen.

Verdrahtete Systeme – Sensoren sind über Kabel mit einem DAQ-Gerät und Computer verbunden und bieten hohe Zuverlässigkeit sowie eine Echtzeit-Datenübertragung. Es gibt jedoch einige Nachteile: Verdrahtete Systeme können schwer zu installieren sein, und Kabel sind anfällig für Beschädigungen. Die Verkabelung eines Systems über eine sehr große Fläche kann schwierig sein.

Drahtlose Systeme – Sensoren übertragen Daten drahtlos, was eine einfache Platzierung an schwer zugänglichen Orten ermöglicht. Drahtlose Systeme erfordern jedoch Überlegungen zur Batterielebensdauer, Signalreichweite und Informationssicherheit.

Kontinuierliche (Online-)Überwachung – Sowohl verdrahtete als auch drahtlose Systeme liefern in der Regel kontinuierliche oder häufige Daten für eine Echtzeitansicht der akustischen Bedingungen. Kontinuierliche Überwachung bietet mehr Echtzeitdaten, aber bei langsam auftretenden Fehlern über lange Zeiträume kann es ausreichend sein, weniger Daten zu erfassen.

Periodische (Offline-)Überprüfungen – Ein Techniker verwendet ein tragbares Gerät, um Schallpegel in regelmäßigen Abständen zu messen, was Flexibilität bietet, aber nur Momentaufnahmen liefert. Periodische Überprüfungen erfassen möglicherweise keine sofortigen Ereignisse, eignen sich jedoch gut zur Erkennung langfristiger Trends. 

Akustische Überwachung konzentriert sich auf hörbare Geräusche und niederfrequente Schallwellen, während Ultraschallüberwachung hochfrequente Schallwellen außerhalb des menschlichen Hörbereichs erfasst. Ultraschalltechniken werden typischerweise zur Signalübertragung durch Materialien und zur Erkennung von Änderungen durch interne Defekte oder strukturelle Brüche verwendet und vorwiegend in der Materialprüfung zur Fehlererkennung eingesetzt, nicht jedoch zur aktiven Zustandsüberwachung.

Bei der Analyse akustischer Daten werden Schallinformationen überprüft und interpretiert, häufig unter Verwendung von Software wie NI LabVIEW zur Erstellung kundenspezifischer Analyseanwendungen. Hier einige wesentliche Techniken zur Analyse akustischer Daten.

Frequenzspektrumsanalyse – Verwendet Techniken wie die schnelle Fourier-Transformation (FFT), um Geräusche in ihre einzelnen Frequenzen zu zerlegen und spezifische Fehlertypen zu identifizieren.

Zeit-Frequenz-Analyse – Methoden wie Wavelet-Analysen untersuchen, wie sich Frequenzen über die Zeit ändern, was für transiente Geräusche nützlich ist.

Ordnungsanalyse – Die Ordnungsanalyse dient dazu, Änderungen harmonischer Werte im Zusammenhang mit rotierenden Maschinen zu analysieren. Dies ist besonders hilfreich bei der Überwachung von Motoren oder Maschinen, um Veränderungen im Systemverhalten durch Korrelation des Systemgeräuschs mit der Motordrehzahl zu erkennen.

Mustererkennung und KI – Machine-Learning-Algorithmen automatisieren zunehmend die Erkennung von Anomalien und die Klassifizierung von Geräuschen, die mit bekannten Problemen in Zusammenhang stehen. Identifizierte Probleme können zur Überprüfung markiert oder automatisierte Maßnahmen wie Alarme oder Abschaltungen ausgelöst werden, wenn kritische Schwellenwerte erreicht oder überschritten werden. Die Herausforderung bei der Anwendung von KI in der akustischen Überwachung besteht darin, das Modell mit genügend Daten, einschließlich Fehlerfällen, zu trainieren, damit es weiß, worauf es achten muss. 

Akustische Überwachung findet Anwendung bei diversen Geräten, Komponenten und Prozessen:

• Drehmaschinen
• Lager
• Motoren
• Pumpen
• Ventile
• Hydrauliksysteme
• Zahnräder
• Kompressoren
• Pipelines
• Elektrische Systeme

Akustische Überwachung kann folgende potenzielle Probleme bei Geräten und Komponenten erkennen:

• Lagerverschleiß oder Beschädigungen
• Zahnradverschleiß
• Fehlausrichtung
• Überhitzung
• Blockaden
• Risse
• Undichtigkeiten
• Über- oder Unterschmierung (Ultraschall)
• Elektrische Anomalien

Akustische Überwachung bietet bedeutende Vorteile:

• Frühzeitige Fehlererkennung zur Vermeidung von größeren Ausfällen und Ausfallzeiten
• Kosteneinsparungen durch vorausschauende Wartung und Auffinden energieverschwendender Lecks
• Erhöhte Sicherheit durch Erkennung gefährlicher Zustände
• Verbesserte Qualität durch Überprüfung der akustischen Signatur
• Prozessoptimierung durch Einblicke aus der Schallanalysetechnik

Akustische Messungen sind entscheidend bei Produktdesign, Validierung und Test. Ingenieure führen akustische Analysen durch und automatisieren oft Testsequenzen mit Tools wie NI TestStand, um Schall-, Schwingungs- und Rauheitsmessungen (NVH) durchzuführen, um Lärmemissionsstandards zu erfüllen oder Quellen unerwünschter Geräusche zu identifizieren und zu vermindern. Ingenieure können zudem die akustische Leistung von Komponenten überprüfen und Fehler während der Entwicklungs- und Haltbarkeitstests erkennen.

NI bietet eine robuste Plattform für anspruchsvolle akustische Überwachung und Analyse. NI CompactDAQ, NI PXI und NI CompactRIO Hardware-Schnittstellen verbinden sich direkt mit Mikrofonen und Beschleunigungsmessern. Unsere Schall- und Schwingungsmessmodule bieten Funktionen für präzise akustische Messungen, einschließlich Signalaufbereitung, Filterung, hohem Dynamikumfang und Einhaltung von Dynamic Signal Acquisition Fundamentals.

Wir bieten außerdem leistungsstarke Software-Tools wie die grafische Programmierumgebung NI LabVIEW für die Entwicklung maßgeschneiderter Systeme und Analysen. Konfigurationsbasierte Software wie NI FlexLogger™ vereinfacht die Datenaufzeichnung, während NI DIAdem erweiterte Funktionen für die Verwaltung, Analyse und Berichterstellung großer Datensätze bereitstellt. Gemeinsam ermöglichen NI-Hardware und -Software individuelle Lösungen zur akustischen Überwachung, die Schallsignale in verwertbare Erkenntnisse umwandeln.

NI-Lösungen für akustische Überwachung bieten mehrere Vorteile gegenüber anderen Ansätzen:

• Unsere langjährige Erfahrung mit Messungen in vielen Anwendungen gewährleistet, dass Sie mit NI-Geräten hochqualitative Messungen durchführen, die denen spezialisierter Zustandsüberwachungs-Hardware überlegen sind. NI-Produkte bieten präzisere, zeitlich stabilere und zuverlässigere Messungen.
• NI-Plattformen basieren auf modularen Konzepten, was Systeme effizienter entwerfen und über die gesamte Lebensdauer einfacher warten lässt. Im Gegensatz zu Systemen mit fester Konfiguration können Sie Systeme leicht durch das Hinzufügen von Modulen erweitern, um neue Kanäle oder Messarten zu erhalten.
• NI-Hochgeschwindigkeitssysteme erfassen alle Daten, nicht nur periodische Bursts. Das bedeutet, Sie können Ereignisse aufzeichnen, die andere Systeme möglicherweise verpassen.