FAQs

Bei der Signalverarbeitung werden im SONAPHONE^® unterschiedliche Pegelwerte ausgegeben, die je nach Applikationen bedeutsam sind.

Als Grundlage dafür werden Pegelrohwerte aus den gefilterten Rohdaten mit einem Sampleintervall von 1 ms gewonnen. Die abgeleiteten Pegelwerte werden in einem deutlich gröberen Zeitraster berechnet und abgelegt. Das Zeitraster kann dafür im Menüpunkt Messeinstellungen zwischen 4 ms und 128 ms variiert werden. Das eingestellte Zeitraster hat darüber hinaus einen direkten Einfluss auf die zeitliche Darstellung des Spektrogramms.

Pegelwerte sind:

• L(t) – Momentanpegel
  Der Momentanpegel wird aus den Pegelrohwerten abgeleitet und entsprechend der Einstellung des Zeitrasters gemittelt (zwischen 4 ms und 128 ms). Für eine bessere Lesbarkeit auf dem Display des SONAPHONE^® wird der größte Wert aus 8 aufeinanderfolgenden Werten dargestellt.
  
  
• L_F(t) – Fast-Pegel
  Der Fast-Pegel wird nach Vorschriften aus dem Audio-Bereich mit einer Zeitkonstante von 125 ms exponentiell gemittelt. Der Fast-Pegel folgt dem physikalischen Messeffekt relativ. In der Historie wurde er bei Zeigerinstrumenten und schnell wechselnden Messgrößen verwendet, um die Ablesbarkeit am Gerät zu erhöhen.
  
  
• L_min - / L_max - Pegel
  Dieser Pegel ist das Minimum bzw. Maximum vom gemittelten Momentanpegel L (zwischen 4 ms und 128 ms). 
  
  
• L_pk - Spitzenschalldruckpegel
  Der Spitzenschalldruckpegel (Peak) basiert auf dem höchsten gemessenen Wert in den Rohdaten (Samplingfrequenz 256 kHz bzw. Abtastzeit 4 µs). Er sollte nicht mit dem stärker gemittelten Maximalschalldruckpegel (L_max) verwechselt werden. Der Spitzenschalldruckpegel kann um einige Dezibel über dem Maximalschalldruckwert liegen.
  
  
• L_eq – Energieäquivalente Dauerschallpegel
  Der energieäquivalente Dauerschallpegel ist ein standardisierter Mittelungspegel und wird zur Kennzeichnung zeitlich schwankender Pegelwerte verwendet. Er mittelt die Schallenergie über die Messdauer nach einer festgelegten Vorschrift.
  Zu beachten ist, dass bei der Mittelung wichtige Informationen hinsichtlich Frequenzverteilung oder zeitlichem Verlauf der Werte verloren gehen. Daher ist der Dauerschallpegel besonders aussagekräftig, wenn akustische Situationen mit ähnlichem Charakter miteinander verglichen werden.

Die Pegelwerte L_min, L_max, L_pk, L_eq werden aus den Daten vom Beginn der Messung bis zum aktuellen Zeitpunkt berechnet und auf dem Display dargestellt. Durch Betätigen des "Reset"-Buttons in der Levelmeter App beginnt eine neue Messung mit neu berechneten Pegelwerten. Während einer Datenaufzeichnung gelten die Werte für den Zeitraum der Aufnahme.

Durch Signalverarbeitung können Ultraschallschwingungen in ein sekundäres, „heruntergemischtes“ Signal im hörbaren Bereich umgewandelt werden.

Beim Heterodyn-Verfahren wird ein schmaler Frequenzausschnitt im Ultraschallbereich ausgewählt (z.B. Trägerfrequenz 40 kHz +/- 2 kHz) und über Differenzfrequenzen in den Hörbereich transformiert. Das Verfahren wird bei den traditionellen analogen Prüfgeräten eingesetzt, die im Schmalband um 40 kHz arbeiten. Das breitbandig arbeitende, digitale SONPAHONE^® integriert diesen Ansatz. Über eine Verschiebung der Trägerfrequenz (verschiebbare Linie im Spektrogramm im Breitband 20…100 kHz) wird das entsprechende schmalbandige Hörsignal zur Verfügung gestellt.
Über den Höreindruck ist mit dem Heterodynverfahren in vielen Fällen bereits eine qualitative Bewertung möglich, beispielsweise bei der Lecksuche und bei der einfachen Bewertung von Lagerfehlern.

Abbildung: Darstellung der verschiebbaren Linie im Spektrogramm zur
Hörbarmachung der Ultraschall-Signale (Heterodynverfahren)

In den meisten Fällen liegen die Ultraschallsignale über einen breiten Frequenzbereich verteilt vor, d.h. die Informationen im akustischen Signal können in einem schmalen Frequenzausschnitt nicht vollständig erfasst werden. Beim breitbandig arbeitenden SONAPHONE^® ist daher die Hörbarmachung auch mit dem Phase Vocoder-Verfahren möglich. Hier wird der gesamte Frequenzbereich von 20…100 kHz um den Faktor 32 komprimiert. Trotz geringen Informationsverlusts kann die ursprüngliche akustische Situation im Breitband abgebildet werden, der Höreindruck steht für den gesamten Ultraschallbereich zur Verfügung.

Beide Verfahren „klingen“ unterschiedlich. Das Signal kann über eingebaute Lautsprecher bzw. Kopfhörer mitgehört werden. Die Abtastraten der Hörsignale liegen bei 8 kHz. Die Lautstärke des Signals ändert sich dabei ähnlich wie der Intensitätsverlauf der originalen Hochfrequenzsignale. Zudem bleibt die zeitliche Variation des ursprünglichen Signals erhalten, so dass sich die Dynamik von Vorgängen im hörbargemachten Signal wiederfindet.
Mit dem SONAPHONE^® werden darüber hinaus die hörbaren Signale aufgezeichnet. Sie liegen im Format WAV vor und stehen somit auch für entsprechende Weiterverarbeitungen zur Verfügung.

Die Angabe „wasserdicht“ beschreibt umgangssprachlich eine Dichtheitsanforderung, die für ein Bauteil und dessen Anwendungsfall festgelegt wird. Die präzise Beschreibung der Anforderung erfolgt über die Leckagerate. Für „wasserdicht“ wäre dies beim Einsatz des Prüfmediums Luft die Leckagerate 10⁻² mbar l/s.

Um eine Dichtheitsanforderung zu definieren, müssen Angaben wie Prüfdruck, das Medium zum Testen und die maximal zulässige Leckagerate bekannt sein. Wird zum Beispiel für das Prüfmedium Luft 10⁻² mbar l/s als Grenze festgelegt, tritt bei dichten Bauteilen kein Wasser mehr durch das Leck - die Durchlässigkeit für Gase oder dünnflüssigere Medien (z.B. Benzin oder Öl) kann jedoch weiterhin möglich sein. Die Dichtheitsforderung von 10⁻² mbar l/s bzw. "wasserdicht" ist mit handelsüblicher Ultraschalltechnik in normalen Industrieumgebungen nicht zuverlässig und reproduzierbar zu erfüllen ist. Gründe dafür lesen Sie in FAQ (Minimal erfassbare Leckagerate mit Ultraschall).

Weitere Dichtheitsangaben und deren Erläuterung sind bei der DGZfP, Fachausschuss Dichtheitsprüfung, FAQ V9 beschrieben.

Bei der Prüfung mit Luft-Ultraschallsensoren wird der Schalldruck in der Regel über einen Pegelwert in dB oder dBµV angegeben. Durch die Verwendung des Pegels (Einheit dB) werden die Messwerte über einen Bezugswert in ein logarithmisches Verhältnismaß gebracht, wodurch die Angabe von Messwerten über einen großen Dynamikbereich darstellbar ist. Welcher Pegelwert ausgegeben wird, ist durch die Art des Prüfgeräts und der verwendeten Kapsel bestimmt.

SONAPHONE^®

In den Luft-Ultraschallsensoren BS10 und BS30 für das SONAPHONE^® ist eine breitbandig empfindliche Mikrofonkapsel verbaut, die den Schalldruck in eine Wechselspannung umwandelt. Der Schalldruckpegel wird dabei auf die in der Akustik übliche physikalische Vergleichsgröße von 20 µPa bezogen. 20 µPa entsprechen dabei einem Schalldruck von 0 dB, weitere Beispiele sind:

20 µPa = 0 dB

1 Pa =   94 dB

2 Pa = 100 dB

Die Kalibrierung und Justierung der SONAPHONE^® Mikrofonkapsel erfolgt durch den Abgleich mit einem Referenzmikrofon (Abgleich der anliegenden Mikrofonspannungen) bei einem 40 kHz - Referenzsignal^(*1). Während der Justierung wird die Kennlinie der breitbandig empfindlichen Mikrofonkapsel anhand des Referenzsignals im kompletten Messbereich von 20…100 kHz verschoben.)
Im SONAPHONE^® werden die Pegelwerte aus der breitbandigen Schalldruck zwischen 20…100 kHz gebildet. Die Bedeutung der verschiedenen Pegelwerte wird in der FAQ (Bedeutung Pegelwerte) erläutert.

SONAPHONE^® Pocket (und vergleichbare analoge Prüftechnik)

Bei analogen Ultraschall-Prüfgeräten, die auf dem Markt verfügbar sind (z.B. auch SONAPHONE^® Pocket), ist eine derartige Signalkalibrierung nicht sinnvoll. Grund dafür ist die Verwendung einer Ultraschallkapsel (Murata-Kapsel), die für Ultraschallfrequenzen in einem relativ engen Frequenzbereich um 40 kHz empfindlich ist. Die Pegelwerte, die auf diesen Geräten angezeigt werden, müssen anders referenziert werden. Der Bezugswert ist 0 dBµV bei einer anliegenden Spannung von 1 µV (Effektivwert) und variiert demzufolge je nach Eigenschaft der einzelnen Ultraschallkapsel. Auf dem Gerätedisplay wird die Mikrofonspannung in dBµV angezeigt, bei Negativwerten liegt die Spannung unter 1 µV.

1 µV = 0 dBµV

Aufgrund der Verwendung von verschiedenen Kapseln und Kalibrierverfahren, unterschiedlichen Kennlinien sowie der Betrachtung verschiedener Frequenzbereiche (Schmalband/Breitband) können die angezeigten Werte der analogen Prüfgeräte in dBµV und des SONAPHONE^® in dB nicht auf einfache Weise miteinander verglichen bzw. umgerechnet werden. Die Gründe nochmals im Überblick:

*1 In der Akustik wird ein 1 kHz - Referenzsignal verwendet

Es gibt verschiedenste Anwendungen und dafür geeignete Verfahren, um undichte Stellen bzw. Leckagen zu finden und zu bewerten. Die akustische Überprüfung mit Luft-Ultraschall wird in der Praxis dort eingesetzt, wo Leckagen relativ schnell und ohne großen technischen Aufwand gefunden werden sollen. Durch Druckunterschiede tritt Luft aus einem System aus (Überdruck) oder in ein Vakuumsystem ein (Unterdruck). Bei bestimmten Voraussetzungen entsteht turbulente Strömung, die wiederum für die Erzeugung von Ultraschall verantwortlich ist.

Die nachweisbare Leckagerate ist bei der Prüfung mit Luft-Ultraschall durch das physikalische Wirkprinzip und die Leistungsfähigkeit der marktüblich verwendeten Komponenten beschränkt. Zum einen beeinflussen viele Faktoren, wann und in welcher Ausprägung turbulente Strömung entsteht. Turbulente Strömung tritt z.B. prinzipiell erst oberhalb einer Leckagerate von 10⁻² mbar l/s auf. Ebenso ist ein Druckunterschied von ca. 500 mbar zwischen dem System und der Umgebung notwendig. Zum anderen beschränkt die in der Praxis verwendete Technik die mögliche untere Messgrenze. So wird wirtschaftlich vertretbare Sensorik eingesetzt. Die Empfindlichkeit ist zudem durch die System-Rauschgrenze begrenzt.

Die zuvor genannten Gründe sind u.a. dafür verantwortlich, dass die Dichtheitsforderung von 10⁻² mbar l/s bzw. "wasserdicht" mit handelsüblicher Ultraschalltechnik in normalen Industrieumgebungen nicht zuverlässig und reproduzierbar zu erfüllen ist!

Es gibt jedoch Anwendungen, bei denen die Ortung und Bewertung von Leckagen oberhalb 10⁻² mbar l/s relevant sind, z.B. im Bereich Energieeffizienz in Druckluft- und Dampfsystemen (Luft- und Körperschall) sowie bei Dichtheitsprüfungen mit aktiven Ultraschallsendern (Transportwesen, Schiffs- und Bootsbau). Im Bereich der Qualitätssicherung von Komponenten und Baugruppen kann bei Dichtheitsanforderungen oberhalb 10⁻² mbar l/s über vom Kunden festgelegte Grenzwerte eine qualitative Aussage getroffen werden.

Dichtheitsangaben in Form von Leckageverlusten dienen der Orientierung, da sie von vielen Faktoren beeinflusst werden. Bei der Ultraschallprüfung hängt die akustische Abstrahlung in starkem Maße von der Leckgröße, Leckform, Oberflächen­beschaffenheit des Materials, Druckdifferenz, Ausströmgeschwindigkeit und Ausströmprofil sowie der Temperatur ab. Eine wichtige Rolle spielen ebenfalls die Messentfernung und der Messwinkel. Durch die Vielzahl der Faktoren entsteht eine Komplexität, die durch einfache Analysen nur schwer abgebildet werden kann.

Traditionelle, schmalbandige Gerätetechnik um 40 kHz ist für die Lokalisierung von Druckluft-Leckagen sehr gut geeignet. Allerdings ist die Aussagekraft des Schalldruckpegels in diesem engen Frequenzausschnitt bezüglich der Bestimmung der Verlustmenge (Quantifizierung) zu hinterfragen, da das Frequenzmaximum (Amplitude) des Ultraschall-Signals stochastisch in einem breiten Frequenzbereich auftritt. Daher sollte der Verlust einer Leckage in einem größeren Frequenzbereich bewertet werden, als praktikabel hat sich der Bereich von 20 bis 100 kHz erwiesen. Breitbandig ausgelegte, digitale Prüftechnik kann diese zusätzlichen Informationen auswerten und eine Leckage u.a. auf Basis ihrer Frequenzcharakteristik (integraler Schalldruckpegel) beurteilen.

Die Ermittlung des Volumenstromverlusts in l/min am einzelnen Leck bleibt jedoch durch die eingangs genannten Beeinflussungsfaktoren statistischen Schwankungen unterworfen. Nur durch die Möglichkeit der statistischen Analyse an vielen Lecks werden die Aussagen der Messungen hinreichend genau und zuverlässig. Daher wird empfohlen, eine monetäre Abschätzung von Leckageverlusten immer für den ermittelten Gesamtverlust von mehreren Leckagen durchzuführen. Ein Beispiel für einen Leckagerechner finden Sie hier.

Aus den gleichen Gründen – und im Besonderen dadurch, dass Leckagen in der Realität diverse Formen aufweisen – ist die mathematische Herleitung einer kreisrunden Leckgröße aus ermittelten Leckageverlusten in l/min bedingt aussagekräftig. Zum grundlegenden Verständnis und zur Orientierung sollen hier dennoch einige Lochgrößen mit abgeschätzten Leckageverlusten dargestellt werden (Basis: Leckageverlust-Berechnung der Firma Postberg+Co. GmbH).

* gerundete Werte ** für 70 kW Kompressor; Netto-Strompreis 0,14 EUR/kWh; Gesamtkosten 1,57 Cent/m³; Produktive Arbeitsstunden 8760 h/a

Fällt in einem Volumen von 1 Liter innerhalb von 1 s der Gasdruck um 1 mbar, so entspricht dies einer Leckagerate (ausgeströmter Gasmenge) von 1 mbar l/s. Die Einheit mbar l/s ist relativ schwer vorstellbar, wird aber typischerweise neben Einheiten wie Pa m³/s, Torr l/s oder atm cc/s in der Vakuumtechnik verwendet.

Die Angabe wird verständlicher, wenn die Verlustmenge in anderen Einheiten angegeben wird. Angaben wie g/a oder oz/y werden bspw. in der Klimatechnik genutzt. Für die Angabe von Leckageverlusten in Druckluftsystemen hat sich die Einheit l/min durchgesetzt.

Beispiele für die Umrechnung der Einheiten (bei ∆p = 1.013,25 mbar, 273,15K bzw. 0°C, Medium Luft):

• 10⁰ mbar l/s ≙ 1 mbar l/s
                      ≙ 10⁻¹ Pa m³/s
                      ≙ 1 cm³/s (≙ 1 cm³ Luft strömt in 1 Sekunde durch ein Leck)
• 10⁻²mbar l/s ≙ 0,01 mbar l/s
                       ≙ 10⁻³ Pa m³/s
                       ≙ 6*10⁻¹ ml/min ≙ 6*10⁻⁴ l/min
                       ≙ 4,3*10⁻⁵ kg/h ≙ 3,75*10⁺² g/a

Bei der Entspannung komprimierter Gase basiert die Ermittlung der Verlustmenge durch ein Leck u. a. auf der Strömungsgeschwindigkeit / Schallgeschwindigkeit. Diese beträgt beispielhaft:

Quelle: www.schweizer-fn.de/stoff/akustik/schallgeschwindigkeit.php

Der Algorithmus zur Verlustabschätzung in der LeakExpert^® App eignet sich nur für Gase ähnlich der Schallgeschwindigkeit von Luft (z. B. Stickstoff), da er zum großen Teil empirisch ermittelt wurde. Grundlegend für den Algorithmus ist der Zusammenhang zwischen dem Druck (Differenz Drucksystem - Atmosphäre) und dem Schallpegel (ermittelt durch das SONAPHONE^®). Für andere Gase weicht die Schallgeschwindigkeit vom Medium Luft stark ab, daher ist der Zusammenhang zwischen Druck und Schallpegel nicht bekannt und die LeakExpert^® App ermittelt keine Verlustmenge (Hinweis in der App).

Eine qualitative Bewertung ist jedoch über den Schallpegel auch für andere Gase möglich (z. B. Leckage ja / nein oder Verlust hoch / niedrig). Aus diesem Grund können auch andere Gase in der LeakExpert^® App zur Dokumentation ausgewählt werden.

Unter folgenden Links sind weitere Informationen zur Schallgeschwindigkeit leicht verständlich zusammengefasst:

www.chemie-schule.de/KnowHow/Schallgeschwindigkeit; www.schweizer-fn.de/stoff/akustik/schallgeschwindigkeit.php