Novel Sound Imaging Method for the Localization of Leakages in Machines and Drives based on Moving Microphones

Abstract

This contribution describes a novel method for visualizing acoustic leakages in machines, drives and generic mechanical structures using a rotating linear array of a few digital ultrasound microphones in combination with a multi-frequency ultrasound transmitter. The rotating array scans the incident sound field generated by the ultrasound transmitter on a circular area. In a typical measurement setup, the ultrasound transmitter is placed in a cavity (e.g. machine housing, gearbox case) and operates at distinct harmonic frequencies at around 40kHz in an omnidirectional fashion. The rotating linear array is operated on the outside of the cavity and captures the sound field escaping through small leakages. While the reduced hardware complexity allows for the design of a lightweight, handheld sound imaging device, the algorithmic portion of the measurement system requires special attention. In fact, established methods of sound imaging like beamforming and nearfield holography cannot be applied to signals stemming from moving sensors. The proposed method of computing an acoustic image using the described measurement setup is based on compensating the moving microphone signals for Doppler distortions and evaluating the coherence of the resulting signals with a non-moving reference microphone for each point in the acoustic image. The setup and methodology is evaluated for leakage and tightness testing of machinery components and structures in a quality control context. The corresponding troubleshooting process from assessment and quantification of the situation to resolution of the root cause is described from a user perspective.

Dieser Beitrag beschreibt eine neuartige Methode zur Visualisierung von akustischen Leckagen in Maschinen, Antrieben und allgemeinen mechanischen Strukturen mithilfe eines rotierenden linearen Arrays mit digitalen Ultraschallmikrofonen in Kombination mit einem Ultraschallsender. Das rotierende Array scannt das von dem Ultraschallsender erzeugte einfallende Schallfeld auf einem kreisförmigen Bereich. In einer typischen Messanordnung wird der Ultraschallsender in einem Hohlraum (z.B. Maschinengehäuse, Getriebegehäuse) platziert und erzeugt ein homogenes Schallfeld bei 40 kHz. Das rotierende lineare Array wird außerhalb des Hohlraums betrieben und erfasst den durch kleine Leckagen entweichenden Schall. Während die reduzierte Hardwarekomplexität die Entwicklung einer leichten, handgehaltenen akustischen Kamera ermöglicht, erfordert der algorithmische Teil des Messsystems besondere Aufmerksamkeit. Tatsächlich können etablierte Methoden der Schallbildgebung wie Beamforming und Nahfeld-Holographie nicht auf Signale angewendet werden, die von bewegten Mikrofonen erzeugt werden. Die vorgeschlagene Methode zur Berechnung eines akustischen Bildes unter Verwendung der beschriebenen Messanordnung basiert auf der Kompensation der Doppler-Verzerrungen der sich bewegenden Mikrofonsignale und der Auswertung der Kohärenz der resultierenden Signale mit einem unbeweglichen Referenzmikrofon für jeden Punkt im akustischen Bild. Die Einrichtung und Methodik wird für Leckage- und Dichtheitstests von Maschinenkomponenten und -strukturen im Kontext der Qualitätskontrolle evaluiert. Der entsprechende Fehlerbehebungsprozess von der Bewertung und Quantifizierung der Situation bis zur Behebung der Ursache wird aus Benutzersicht beschrieben.