Die Firma   IST GmbH hatte den Kundenauftrag, einen Prototypen zur Qualitätskontrolle von speziellen kundenspezifischen keramischen Filtern zu entwickeln. Mit diesem Prototypen sollte der Nachweis erbracht werden, daß das Verfahren der Klanganalyse auf diese keramischen Körper anwendbar ist. Es handelte sich um Einmalfilter, die beim Gießen von Motorblöcken eingesetzt werden. Da ein Bruch des Filters zu einem vollständigen Verlust des Motorblockes führt, sollte hier eine 100 % Kontrolle unter Verwendung der Klanganalyse durchgeführt werden. Es hatte sich heraus gestellt, daß das Auswerteverfahren, welches bereits erfolgreich zur Überprüfung von Dachziegeln eingesetzt wurde (siehe /1/ und /2/), für die vorliegenden keramischen Körper nicht zum gewünschten Erfolg führte.

Die Firma IST GmbH stellte den Versuchsaufbau zur Klangerzeugung und zur Aufnahme des akustischen Signals zur Verfügung. Unter Verwendung des Programmes "SpectraPLUS" der Firma Pioneer Hill Software konnten erste Analysen im Frequenzbereich durchgeführt werden. Die Mitarbeiter der Firma IST stellten einen Zusammenhang zwischen den Frequenzpositionen ausgeprägter Peaks und den Rückschluß auf die Qualität des zu prüfenden keramischen Filters fest. Ich erhielt den Auftrag zur Neuentwicklung eines Programmes, welches das Verfahren umsetzen sollte:

• Datenerfassung und Synchronisation des Meßablaufes
• Transformation des Zeitbereiches (Audiodaten) in den Frequenzbereich (FFT-Analyse)
• Graphische Darstellung des Frequenzbereiches (Spektrum)
• Bewertung der Ergebnisse entsprechend der Einstellparameter

In Absprache mit der Firma IST wurde von mir eine Implementierungsspezifikation erstellt.

Nach Fertigstellung des Programmes konnten weitere Erprobungen bezüglich der Tauglichkeit des Auswerteverfahrens durchgeführt werden. Dabei zeigte sich, daß die Festlegung vorgegebener Peakbereiche zum Vergleich der Peakpositionen bei "guten" und "schlechten" Filtern aufwendig war und nur bedingt zum gewünschten Erfolg führte.

Daraufhin bot ich der Firma IST an, nach verbesserten Verfahren zu suchen und in einem Programm fertigzustellen, welches auf Basis von Lizensen eingesetzt werden könnte. Das entwickelte Auswerteverfahren wird im folgenden skizziert.

Eine nachfolgende kleine Marktanalyse sollte die Möglichkeiten und Chancen der Klanganalyse im Bereich der keramischen Industrie verdeutlichen (siehe /5/).

Es werden nicht einzelne Peaks innerhalb des Frequenzspektrums betrachtet, sondern die Gesamtheit eines Bereiches. Der Bereich kann das gesamte Spektrum von 0 – 22kHz einschließen oder auf ein schmaleres Frequenzband eingestellt werden. Aus den Prüflingen wird ein "Master" ermittelt, welcher sich dadurch auszeichnet, daß er die wesentlichen Frequenzmerkmale eines "guten" Typs beinhaltet. Auf der Basis dieses "Masters" werden nachfolgend alle anderen Prüflinge verglichen. Für den Vergleich wird das mathematische Prinzip der Kreuzkorrelation verwendet.

Das Auswerteverfahren setzt folgende Grundannahmen voraus:

• Die Anzahl "guter" Filter ist sehr viel größer als die der "schlechten"
• Die Ergebnisse der Korrelationen der Frequenzspektren "guter" Filter mit einem "Master" unterscheiden sich signifikant von denen eines "schlechten" Filters
• Die Ergebnisse der Korrelationen der Frequenzspektren gleicher Filter (wiederholte Messungen) ist signifikant größer als die unterschiedlicher Filter (Sicherstellung der Reproduzierbarkeit)
• Der Klang von "guten" und "schlechten" Filtern ist von einem geübten Hörer unterscheidbar

Da der Auslöseimpuls zur Aufnahme des Audiosignals (Klopfimpuls) nicht konstant ist, wird ein Triggersignal definiert: Das Maximum des Audiosignals innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls definiert den Startpunkt, der zur FFT-Analyse verwendeten Daten. Das Zeitintervall für die FFT-Analyse wird eingestellt (siehe Abschnitt 3.1).

Während des Einlernbetriebes wird ein "Master" ermittelt. Durch Korrelation aller Meßdaten im Frequenzbereich wird das Datenpaket eines Filters ermittelt, welches den besten Korrelationsfaktor zu allen anderen Filtermessungen aufweisen kann.

Im laufenden Testbetrieb werden die Frequenzspektren der einzelnen Prüflinge mit dem Frerquenzspektrum des "Masters" korreliert. Wenn der Korrelationskoeffizient einen definierten Grenzwert unterschreitet, wird der Prüfling als "schlecht" eingestuft anderenfalls als "gut".

Unter Verwendung von bereits aufgenommenen Testdaten von "guten" und "schlechten" Filtern kann das Verhalten des Auswerteverfahrens unter dem Einfluß unterschiedlicher Parametereinstellungen überprüft werden.

Folgende Parameter sind einstellbar und auf dessen Einfluß zu untersuchen:

• FFT-Blockgröße
• Triggerbereich des Audiosignals
• Grenzwert zur Bewertung des Korrelationskoeffizienten
• Frequenzband des Auswertebereiches
• Filter

Nachfolgende Untersuchungen haben ergeben, daß bei den vorgegebenen Filtern das Verfahren greift. Es hat sich jedoch auch gezeigt, daß bei anderen keramischen Körpern, die zur Möglichkeit der Qualitätskontrolle überprüft wurden sollten, keine signifikanten Unterscheidungskriterien gefunden werden konnten.

 

1. IST-Klangprüfanlagen Sonor 2, Vom guten Ton zum guten Klang
2. Vom guten Ton zum guten Klang, Qualitätsüberwachung mit IST-Prüfanlagen, Keramische Zeitschrift 54 (2002) (2)
3. Implementierungsspezifikation: Filterprüfung Version 2.0, Dipl.-Ing. Udo Marx, 18.11.2002
4. SONOR – Marktanalyse, Version 1.0, Dipl.-Ing. Udo Marx, 24.06.2003
5. SONOR – Klanganalyse, Version 1.0, Dipl.-Ing. Udo Marx, 10.06.2003

Diagramme

	Audiosignal (Zeitbereich)
	Der graue Bereich in den unten dargestellten Diagrammen kennzeichnet den Zeitabschnitt, der zur FFT-Analyse verwendet wird.

	Frequenzspektren (Frequenzbereich)
	Es werden die Freqienzspektren von 4 Filter überlagert dargestellt. Weiß und gelb gehören zu Filtern, die "gut" sind, blau und grün zu solchen die "schlecht" sind.

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