Since its establishment in 1957, IMV has been deeply involved in research and development in the field of dynamics, especially vibration engineering.

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Akustische Effekte der von IMV patentierten Soft-Clipping-Methode für Rauschprüfungen 

clipping vibration controller normal distribution cover picture

Die als „Clipping“ bezeichnete Technik wird von fast jedem Schwingungsregler der Welt für fast jede durchgeführte Rauschprüfung angewendet. 

Warum “Clipping”? 

 Wenn das Drive-Signal eines Schwingungsreglers für eine Rauschprüfung im Hinblick auf seine Amplitudenverteilung analysiert wird, wird festgestellt, dass seine Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (PDF) der Form der „Normalverteilung“ entspricht. 

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Abbildung 1: Normalverteilung und Antriebssignal für eine Rauschprüfung

Die Normalverteilung stellt die Verteilung von Daten dar, wie sie in der Natur häufig vorkommt. Die Normalverteilung wird symmetrisch um den Durchschnittswert oder den erwarteten Wert “aufgebaut”. Zum Beispiel haben die meisten Menschen (des gleichen Geschlechts) eine durchschnittliche Größe, aber nur sehr wenige sind sehr groß oder sehr klein. 

 Entsprechend dieser natürlichen Verteilung kommen Spannungsspitzen mit (sehr) hohem Pegel als natürlicher Teil des Drive-Signals bei rauschförmigen Prüfungen vor. 

 Wenn der Prüfpegel für eine rauschförmige Prüfung im Vergleich zur Nennleistung des Schwingprüfsystems niedrig ist, würde dies keine Probleme verursachen 

  • Wenn der Test auf einem Niveau im Bereich der Nennleistung des Schwingprüfsystems durchgeführt wird, kann eine hohe Spitze des Drive-Signals einen Abbruch der Prüfung verursachen. 

 Um solche Fälle zu vermeiden, werden die Werte, die einen bestimmten Pegel überschreiten, aus dem Drive-Signal entfernt. Diese Technik wird als “Clipping” bezeichnet und es gibt verschiedene Lösungen, wie es ausgeführt wird: Hard- und Soft-Clipping. 

Hard-Clipping 

 Durch Anwenden von Hard-Clipping auf ein Drive-Signal werden Werte, die einen bestimmten Grenzwert überschreiten, aus dem Signal entfernt. 

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Abbildung 2: Hard-Clip-Verfahren und daraus resultierendes Drive-Signal

  Ursache und Wirkung im Frequenzbereich 

 Nach dem Fourier-Theorem verursacht ein rechteckiges Signal harmonische Komponenten über einen großen Frequenzbereich. 

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Abbildung 3: Fourier-Analyse (Frequenzbereich) eines Rechtecksignals (Zeitbereich)

Je schmaler die rechteckige Form des Bereichs ist, auf den die Hard-Clipping-Methode angewendet wird, desto mehr ähnelt sie der Form eines Impulses. Nach dem Fourier-Theorem induziert ein Impuls zusätzliche Frequenzkomponenten, die sich kontinuierlich über einen großen Frequenzbereich ausbreiten. 

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Abbildung 4: Fourier-Analyse (Frequenzbereich) eines Impulsförmigen-Signals (Zeitbereich)

 Wenn das Drive-Signal abgeschnitten wird („Hard-Clipping“)ergibt sich für das Drive-Signal eine Form zwischen “Rechteckig” und “Impuls-Förmig“. 

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Abbildung 5: Beispiel einer Sequenz für das Ansteuersignal nach der Anwendung von „Hard-Clipping“

 Gemäß Abbildung 3 unAbbildung 4erzeugt das Hard-Clipping zusätzliche Frequenzkomponenten. Da Hard-Clipping natürlich kontinuierlich durchgeführt wird, kann die Summe der zusätzlichen Frequenzkomponenten als Clipping-Induced-Noise (CIN) verstanden werden. 

 Mit anderen Worten, die Komponenten im Spektrum des Drive-Signals werden durch CIN verschmiert” und die feine Struktur des ursprünglichen Signals wird (teilweise) überdeckt. 

CIN regt die Resonanzen eines Systems an. Wenn diese Resonanzen im hörbaren Frequenzband liegen, kann die Reaktion des Systems als hochfrequentes Klingeln wahrgenommen werden (siehe akustische Beispiele weiter unten). 

Soft-Clipping 

Das patentierte IMV-Soft-Clipping-Verfahren vermeidet vollständig die Erzeugung von „scharfen Kanten“ im abgeschnittenen Signal, indem eine ausgefeilte Technik im Frequenzbereich verwendet wird. 

Dementsprechend wird eine zusätzliche unerwünschte Erzeugung von Komponenten innerhalb des rauschförmigen Signals unterdrückt, da die Frequenzkomponenten des Drive-Signals wie gewünscht angepasst werden. Durch Begrenzen des Spitzenwerts des Zeitverlaufes innerhalb des erforderlichen Pegels, bleibt das Spektrum des Drive-Signalunverändert. 

Durch die Anwendung der IMV-Soft-Clipping-Methode ergeben sich folgende potenzielle Vorteile: 

  • Das Grund-Rauschen wird reduziert, der dynamische Regelbereich erhöht 
  • Resonanzen im Testaufbau werden nicht mehr ungewollt angeregt, was zu besseren Kontrollergebnissen und genaueren Tests führt. 
  • Das Auftreten unerwünschter Verstärke-Übersteuerungen wird reduziert. 

Unter den folgenden Links finden Sie hörbare Beispiele: 

Titelbild © Roman Safreider / stock.adobe.com

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