Vibrometer

Ein Vibrometer (Kurzform für Laser-Doppler-Vibrometer) i​st ein Messgerät z​ur Quantifizierung mechanischer Schwingungen. Es k​ann zur Messung v​on Schwingungsfrequenz u​nd -amplitude verwendet werden.

Funktionsprinzip eines Laser-Doppler-Vibrometers

Vibrometer enthalten e​inen Laser, d​er auf d​ie zu messende Oberfläche fokussiert wird. Aufgrund d​es Doppler-Effekts verschiebt s​ich bei e​iner Bewegung d​er zu messenden Oberfläche d​ie Frequenz d​es zurückgestreuten Laserlichts. Diese Frequenzverschiebung w​ird im Vibrometer mittels e​ines Interferometers ausgewertet u​nd als Spannungssignal o​der digitaler Datenstrom ausgegeben. Ein Scanning-Vibrometer erlaubt e​ine flächenhafte Messung v​on Schwingungen.

Anwendung

Vibrometer werden i​n einer Vielzahl v​on wissenschaftlichen, industriellen u​nd medizinischen Bereichen eingesetzt. Hier einige Beispiele:

  • Luft- und Raumfahrt – Vibrometer werden als Werkzeuge zur zerstörungsfreien Überprüfung von Flugzeugkomponenten eingesetzt.[1]
  • Akustik – Vibrometer sind Standard-Werkzeuge für das Design von Lautsprechern. Darüber hinaus wurden sie schon verwendet, um das Schwingverhalten von Musikinstrumenten zu erfassen.[2]
  • Architektur – Vibrometer werden verwendet, um das Schwingverhalten von Gebäuden und Brücken (Brückeninstandhaltung) zu erfassen.[3][4]
  • Automobilbau – Vermessung der Schwingungsmoden einzelner Komponenten oder ganzer Fahrzeuge.[5]
  • Schallschnellenmessung: Eine Schallschnelle bringt eine dünne Folie in Schwingung. Diese Schwingung der Folie wird mit einem Laser-Doppler-Vibrometer gemessen und daraus der Schalldruck ermittelt.[6]
  • Biologie – Vibrometer wurden zum Beispiel für die Untersuchung des Trommelfells im Ohr[7] oder für die Visualisierung der Kommunikation von Insekten eingesetzt.[8]
  • Kalibrierung – Da Vibrometer im Verhältnis zur Wellenlänge des Lichts kalibriert werden, setzt man sie ein, um andere Messinstrumente zu kalibrieren.[9]
  • Festplatten – Vibrometer wurden bereits für die Untersuchung von Festplatten, besonders in der Positionierung des Lesekopfes, eingesetzt.[10]
  • Finden von Landminen – Vibrometer haben gezeigt, dass sie vergrabene Landminen erkennen können. Eine Geräuschquelle, beispielsweise ein Lautsprecher, regen den Boden zum minimalen Schwingen an. Diese Schwingungen werden vom Vibrometer erfasst. Der Boden über einer vergrabenen Landmine zeigt ein anderes Schwingverhalten als Boden ohne Landmine. Minenerkennung mit einstrahligen Vibrometern,[11] einer Anordnung von Vibrometern,[12] und mehrstrahligen Vibrometern[13] wurde bereits erfolgreich durchgeführt.
  • Sicherheit – Auf Grund ihrer Eigenschaft der berührungslosen Schwingungsmessung eignen sich Vibrometer auch zur Erfassung von Stimmen über große Entfernungen. Mit Hilfe eines visuellen Sensors (Kamera) wird das Vibrometer auf eine Schall-reflektierende Oberfläche in der Nähe des Ziels gerichtet, um die akustischen Signale aufzufangen.[14]
  • Materialforschung - Durch Ihre berührungslose Messmethodik erlauben Laser Vibrometer, insbesondere Scanning Laser Vibrometer, die Untersuchung von Materialoberflächen. Dies erlaubt das Auffinden von Fehlstellen in Kristallgittern oder ähnlichen Materialien aufgrund des unterschiedlichen Streuverhaltens von Schwingungen an diesen Stellen.[15]

Einzelnachweise
  1. James M. Kilpatrick, Vladimir Markov: Matrix laser vibrometer for transient modal imaging and rapid nondestructive testing. In: Enrico P. Tomasini (Hrsg.): Eighth International Conference on Vibration Measurements by Laser Techniques: Advances and Applications (=  Eighth International Conference on Vibration Measurements by Laser Techniques: Advances and Applications), Band 7098 2008, S. 709809, doi:10.1117/12.802929.
  2. Bissinger, George. and Oliver, David: 3-D Laser Vibrometry on Legendary Old Italian Violins. In: Sound and Vibration. Juli 2007. Abgerufen am 24. Januar 2013.
  3. Horst Falkner: Monitoring im Bauwesen. (Memento des Originals vom 31. Juli 2013 im Internet Archive)  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.bvpi.de (PDF; 1,1 MB) In: Der Prüfingenieur. Jg. 2004, Heft 4, S. 41.
  4. Uwe Friebe, Gert Gommola: 90 Jahre Brückenmesswesen bei der Eisenbahn in Deutschland. In: Messtechnik im Bauwesen. Ernst & Sohn Special 2013, S. 36.
  5. William N. Sharpe, Jr., William N. Sharpe: Springer Handbook of Experimental Solid Mechanics. Springer, 4 December 2008, ISBN 978-0-387-26883-5, S. 834., S. 834
  6. Q. Leclère,B. Laulagnet: Particle velocity field measurement using an ultra-light membrane. In: Applied Acoustics. Band 69, Nr. 4, 2008, S. 302–310, doi:10.1016/j.apacoust.2006.11.009.
  7. Huber, Alexander M, C Schwab, T Linder, SJ Stoeckli, M Ferrazzini, N Dillier, U Fisch: Evaluation of eardrum laser doppler interferometry as a diagnostic tool. In: The Laryngoscope. 111, Nr. 3, 2001, S. 501–7. doi:10.1097/00005537-200103000-00022. PMID 11224783.
  8. Fonseca, P.J. and Popov, A.V.: Sound radiation in a cicada: the role of different structures. In: Journal of Comparative Physiology A. 175, Nr. 3, 1994. doi:10.1007/BF00192994.
  9. Sutton, C. M.: Accelerometer Calibration by Dynamic Position Measurement Using Heterodyne Laser Interferometry. In: Metrologia. 27, Nr. 3, 1990, S. 133. doi:10.1088/0026-1394/27/3/004.
  10. Abdullah Al Mamun, GuoXiao Guo, Chao Bi: Hard Disk Drive: Mechatronics And Control. CRC Press, 2007, ISBN 978-0-8493-7253-7 (Abgerufen am 24 January 2013).
  11. Ning Xiang, James M. Sabatier: Land mine detection measurements using acoustic-to-seismic coupling. In: Abinash C. Dubey, James F. Harvey, J. Thomas Broach, Regina E. Dugan (Hrsg.): Detection and Remediation Technologies for Mines and Minelike Targets V (=  Detection and Remediation Technologies for Mines and Minelike Targets V), Band 4038 2000, S. 645, doi:10.1117/12.396292.
  12. Richard D. Burgett, Marshall R. Bradley, Michael Duncan, Jason Melton, Amit K. Lal, Vyacheslav Aranchuk, Cecil F. Hess, James M. Sabatier, Ning Xiang: Mobile mounted laser Doppler vibrometer array for acoustic landmine detection. In: Russell S. Harmon, John H. Holloway, Jr, J. T. Broach (Hrsg.): Detection and Remediation Technologies for Mines and Minelike Targets VIII (=  Detection and Remediation Technologies for Mines and Minelike Targets VIII), Band 5089 2003, S. 665, doi:10.1117/12.487186.
  13. Amit Lal, Slava Aranchuk, Valentina Doushkina, Ernesto Hurtado, Cecil Hess, Jim Kilpatrick, Drew l'Esperance, Nan Luo, Vladimir Markov: Advanced LDV instruments for buried landmine detection. In: J. Thomas Broach, Russell S. Harmon, John H. Holloway, Jr (Hrsg.): Detection and Remediation Technologies for Mines and Minelike Targets XI (=  Detection and Remediation Technologies for Mines and Minelike Targets XI), Band 6217 2006, S. 621715, doi:10.1117/12.668927.
  14. Rui Li, Tao Wang, Zhigang Zhu, Wen Xiao: Vibration Characteristics of Various Surfaces Using an LDV for Long-Range Voice Acquisition. In: IEEE Sensors Journal. 11, Nr. 6, 2011, S. 1415. doi:10.1109/JSEN.2010.2093125.
  15. Materialforschung - NDT zerstörungsfrei messen. Abgerufen am 29. August 2019.
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