Kohärenz in der Schwingungsanalyse verstehen
Kohärenz — auch als Kohärenzfunktion bezeichnet — ist ein Werkzeug der Signalverarbeitung, das in Schwingungsanalyse um die Qualität und Gültigkeit einer Zweikanalmessung zu beurteilen. Es handelt sich um eine Zahl zwischen 0 und 1, die für jede Frequenz berechnet wird und angibt, wie viel des Ausgangssignals bei jeder Frequenz wird tatsächlich und linear durch das Eingangssignal verursacht. Im Grunde genommen ist die Kohärenz der Zuverlässigkeitsindikator des Analytikers: Sie beantwortet die Frage „Kann ich dieser Messung vertrauen, oder wird sie durch Rauschen verfälscht?“, noch bevor aus den Daten Schlussfolgerungen gezogen werden.
1. Definition: Was ist Kohärenz?
Die Kohärenz quantifiziert den linearen Ursache-Wirkungs-Zusammenhang zwischen zwei gleichzeitig gemessenen Signalen bei jeder Frequenz im Spektrum. Die Skala ist intuitiv:
- Eine Kohärenz von 1.0 Bei einer bestimmten Frequenz bedeutet dies eine vollkommen lineare Beziehung zwischen den beiden Signalen – 100 % des Ausgangssignals bei dieser Frequenz werden durch das Eingangssignal verursacht.
- Eine Kohärenz von 0.5 bedeutet, dass nur 50 % der Ausgangsenergie bei dieser Frequenz linear mit dem Eingangssignal zusammenhängen. Die andere Hälfte ist auf andere Faktoren zurückzuführen: Rauschen, Nichtlinearitäten oder andere nicht gemessene Eingangsgrößen.
- Eine Kohärenz von 0.0 bedeutet, dass zwischen den beiden Signalen bei dieser Frequenz überhaupt keine lineare Beziehung besteht.
Mathematisch lässt sich die Kohärenz ableiten aus der Kreuzspektraldichte der beiden Kanäle zusammen mit dem Autospektrum jeweils, normiert, sodass das Ergebnis stets zwischen 0 und 1 liegt. Entscheidend ist, dass es sich um eine gemittelt Größe: Ein aussagekräftiger Kohärenzwert erfordert mehrere Mittelwerte der Messung, weshalb er nur von einem Mehrkanal-Analysator ermittelt werden kann, der zwei Signale gleichzeitig erfassen kann.
2. Validierung von Messungen der Frequenzantwortfunktion (FRF)
Die häufigste und wichtigste Anwendung der Kohärenz besteht darin, eine Frequenzgangfunktion (FRF). Bei der Durchführung einer impact test — auch bekannt als Funktionstest — Um zu messen, wie eine Struktur über den gesamten Frequenzbereich hinweg reagiert, ist das Kohärenzdiagramm unerlässlich, um zu entscheiden, ob die erfassten Daten aufbewahrt werden sollten.
- Gute Messung: Bei einem gültigen FRF sollte der Kohärenzfaktor bei den Frequenzen des resonant Spitzenwerte. Eine hohe Kohärenz – beispielsweise über 0,95 – gibt dem Analytiker die Gewissheit, dass die gemessene Reaktion tatsächlich durch den Hammerschlag verursacht wurde und nicht durch Hintergrundschwingungen oder Messrauschen.
- Fehlerhafte Messung: Wenn die Kohärenz an einem Resonanzmaximum stark abfällt, ist das Messergebnis fragwürdig. Die Ursache könnte ein schlechter Hammerschlag, eine laute Umgebung oder eine tatsächlich nichtlineare Strukturantwort sein. In diesem Fall sollte man diesen Messdurchlauf verwerfen und es erneut versuchen.
Eine Feinheit darf nicht mit einem Fehler verwechselt werden: Die Kohärenz sinkt naturgemäß bei anti-resonances — die Täler zwischen den Spitzen der FRF —, da sich die Struktur dort kaum bewegt und die Antwort von Rauschen dominiert wird. Eine geringe Kohärenz in diesen Tälern ist normal und zu erwarten. Genau aus diesem Grund wird die Kohärenz zusammen mit den FRF-Daten in Modalanalyse, wo die Bestätigung der wahren Eigenfrequenzen einer Maschine oder Struktur von sauberen, zuverlässigen Spitzen abhängt.
3. Identifizierung der Quelle
Anhand der Kohärenz lässt sich auch feststellen, ob die Schwingungen einer Maschine die Schwingungen einer anderen Maschine verursachen. Angenommen, eine Pumpe und ein Motor stehen auf einem gemeinsamen Sockel, und Sie vermuten, dass der Motor die Pumpe in Schwingungen versetzt:
- Verfahren: place one Beschleunigungsmesser einen am Motor (Eingang) und einen zweiten an der Pumpe (Ausgang), messen Sie beide gleichzeitig und berechnen Sie die Kohärenz zwischen ihnen.
- Übersetzung: wenn die Kohärenz am Motor hoch ist Betriebsdrehzahl… das ist ein deutlicher Hinweis darauf, dass die Schwingungen über die gemeinsame Konstruktion vom Motor auf die Pumpe übertragen werden. Ist die Kohärenz bei dieser Frequenz gering, werden die Schwingungen der Pumpe höchstwahrscheinlich durch eigene Probleme verursacht – durch ihre eigenen Unwucht oder Kavitationzum Beispiel – und nicht durch den Motor.
Auf diese Weise hilft die Kohärenz dabei, Schwingungsübertragungswege abzubilden und verhindert, dass ein Analytiker der falschen Maschine nachgeht – ein häufiger und kostspieliger Fehler, wenn zwei gekoppelte Einheiten mit ähnlichen Drehzahlen schwingen.
4. Faktoren, die die Kohärenz beeinträchtigen
Es gibt verschiedene Mechanismen, die den Kohärenzwert unter 1,0 drücken können, und das Erkennen des jeweiligen Mechanismus ist Teil der Diagnose:
- Messrauschen: Störgeräusche, die entweder den Eingangs- oder den Ausgangskanal beeinträchtigen – der häufigste Grund, der sich oft durch eine bessere Sensorbefestigung oder eine höhere Anzahl von Mittelwertbildungen verringern lässt.
- Nichtlineare Systeme: Die Kohärenz misst lediglich die linear Beziehung. Wenn sich das System nichtlinear verhält – aufgrund von Lockerheit, a Rissoder bei der Fluid-Struktur-Wechselwirkung – ist die Kohärenz gering, selbst wenn ein echter kausaler Zusammenhang besteht.
- Time delays: Eine erhebliche Verzögerung zwischen Eingangs- und Ausgangssignalen verringert die Kohärenz, sofern der Analysator nicht entsprechend konfiguriert ist, um dies zu berücksichtigen.
- Sonstige nicht erfasste Eingänge: Wenn der Ausgang von mehr als einer Quelle gespeist wird und Sie nur eine davon als Eingang messen, zeigt sich die nicht gemessene Energie als Kohärenzverlust.
5. Kohärenz als Instrument der Qualitätskontrolle
In der Praxis fungiert die Kohärenz weniger als Diagnose, sondern eher als eine Art „Torwächter“, der jede Diagnose schützt, die auf Zweikanaldaten basiert. Sie steht in engem Zusammenhang mit der Übertragungsfunktion und die dazugehörige FRF – die FRF gibt Auskunft darüber Wie Eine Struktur reagiert, während die Kohärenz Ihnen sagt, wie viel man glauben soll die Antwort bei jeder Frequenz. Routinemäßige Feldwuchtung und Einkanal-Spektrumanalysen mit einem tragbaren Analysator wie dem Balanset-1A Man benötigt zwar kein Kohärenzdiagramm, doch sobald eine Untersuchung in die Bereiche Stoßprüfung, Resonanzsuche oder Quellenortung in einem Mehrkanalsystem übergeht, wird die Kohärenz zum entscheidenden Parameter, der ein zuverlässiges Ergebnis von einem irreführenden unterscheidet. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Kohärenzfunktion ein unverzichtbares Werkzeug zur Qualitätskontrolle bei anspruchsvollen Schwingungsmessungen ist: Sie schafft Vertrauen in die Validität der FRF-Daten und hilft dabei, die Wege zu identifizieren, auf denen Schwingungen durch eine Maschine übertragen werden.
