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Skizzen zur numerischen Akustik - Kolerus.de

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Beitrag soll skizzenhaft einige Verfahren <strong>de</strong>r <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong> einführen. Ziel ist hier keineswegs die vollständige und exakte mathematische Ableitung. Es soll lediglich ein Schulterschluss <strong>zur</strong> bekannten mathematischen Theorie erreicht wer<strong>de</strong>n, speziell in Bezug auf•Lösung partieller Differentialgleichungen •Separationsansatz(Fouriertransformation)<br />

Dieser<br />

•Eigenwertproblem<br />

•Helmholtzgleichung/Helmholtzintegral Vom klassischen Lösungsansatz sind analytische Lösungen nur für sehr einfache Strukturen wie Zylin<strong>de</strong>r, Kugeln o<strong>de</strong>r Halbräume möglich, was für die Praxis von sehr eingeschränktem Wert ist. Bei verschie<strong>de</strong>nen Verfahren <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong> wer<strong>de</strong>n äquivalente Lösungen messtechnischer Basis gewonnen, die Lösung bezieht sich dann nicht mehr auf eine vereinfachte I<strong>de</strong>alstruktur son<strong>de</strong>rn auf das reale Objekt. Die knappe Einführung dieser Stelle hat lediglich das Ziel, <strong>de</strong>n Leser Grundlagen zu liefern, Angebote von Firmen (Hersteller von Analysatoren) zu interpretieren und hinsichtlich <strong>de</strong>r Anwendungsmöglichkeiten zu bewerten. 1 Ingenieure für <strong>Akustik</strong> <strong>Kolerus</strong>: J.<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Anlage <strong>zur</strong> Vorlesung <strong>Akustik</strong> für f<br />

Ingenieure<br />

Prof. Josef <strong>Kolerus</strong>


zunächst eine bloße Aufzählung von Verfahren, die sich mit einschlägiger Problematik befassen. Man kann weitgehend als fertige Produkte Markt kaufen –als erprobte und bewährte Produkte. Hier wer<strong>de</strong>n keine esoterischen Phantasien vorgestellt. Meist sind die Wurzeln Verfahren nicht neu, reichen bis ins späte neunzehnte Jahrhun<strong>de</strong>rt <strong>zur</strong>ück. So hat sich etwa Norbert Wiener eingehend mit Signalanalyse befasst. Die untersuchten Hier<br />

waren damals solche mit vergleichsweise niedriger Frequenz, Signale<br />

da noch keine schnellen ADCs <strong>zur</strong> Verfügung stan<strong>de</strong>n: Die Gezeiten <strong>de</strong>s Meeres, die Periodizität <strong>de</strong>r Sonnenflecken. Immerhin, die bekannten Probleme, allgemein gerne als Artefakte bezeichnet (z.B. Leakage) sind auch damals schon aufgestoßen (spurious frequencies). Ein netter und interessanter Überblick ist folgen<strong>de</strong>m Buch zu fin<strong>de</strong>n: S. Lawrence Marple, Jr: Digital Spectral Analysis with Application. Prentice Hall 1987 NAH = Near Field Acoustic Holography<br />

2 Ingenieure für <strong>Akustik</strong> <strong>Kolerus</strong>: J.<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Anwendungen<br />

• Akustische Holografie (NAH)<br />

• Spatial Transformation of Sound Field (STSF)<br />

• Operational Modal Analysis (OMA)<br />

• Musikalische <strong>Akustik</strong><br />

• Psychoakustik<br />

– Principal Component Analysis (PCA)<br />

– In<strong>de</strong>pen<strong>de</strong>nt Component Analysis (ICA)<br />

• Statistik<br />

– Faktorenanalyse<br />

– Projection Pursuit<br />

• Analyse von Transienten<br />

Principal Component Analysis 2


Wellengleichung mit ihren Lösungsansätzen •D´Alembertsche Lösung (Zeitbereich) •Bernoullilösung(Frequenzbereich)<br />

Soll hier aus vielen Bereichen als prinzipiell bekannt vorausgesetzt sein. Den folgen<strong>de</strong>n Betrachtungen ist die Bernoullilösung zugrun<strong>de</strong> gelegt. Die<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 3<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Lösung <strong>de</strong>r Wellengleichung<br />

Frequenzbereich<br />

(stationärer Fall)


<strong>de</strong>r Bernoullischen Lösungsmetho<strong>de</strong> wird klassisch ein Separationsansatz gewählt, bei <strong>de</strong>m die Lösung das Produkt einer Zeitfunktion und einer Ortsfunktion ist. Für die Zeitfunktion wird dann<br />

Exponentialansatz getroffen. Gleichwertig, aber im gegebenen Zusammenhang transparenter ist eine Fouriertransformation <strong>de</strong>r Dgl, die auf eine reine Ortsgleichung führt, die Helmholtzgleichung. Bei<br />

Dgln dieser Art bieten sich unter an<strong>de</strong>rem zwei Lösungsmetho<strong>de</strong>n Für<br />

an: Entwicklung nach Lösung mit <strong>de</strong>r Greenschen Funktion<br />

nach Eigenfunktionen entsteht aus einem Randwertproblem eine bestimmte Strukturberandung. Analytische Lösungen sind nur für sehr einfache Strukturen möglich, für akustische Probleme von eher eingeschränktem Wert. Die Greensche Funktion ist Integralkern, über <strong>de</strong>n die Lösung <strong>de</strong>r Ortsfunktion im Raum außerhalb einer geschlossenen Oberfläche S aus <strong>de</strong>r Feldgröße auf dieser Oberfläche berechnet wird.<br />

4 Ingenieure für <strong>Akustik</strong> <strong>Kolerus</strong>: J.<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Lösung <strong>de</strong>r Wellengleichung<br />

2 2 2<br />

2<br />

∂ p ∂ p ∂ p 1 ∂ p<br />

+ + = ∆p<br />

=<br />

2 2 2<br />

2 2<br />

∂ x ∂ y ∂ z c ∂ t<br />

Fouriertransformation (Bernoullische Lösung)<br />

+∞<br />

− jωt<br />

= ∫ p(<br />

t ⋅e<br />

dt<br />

−∞<br />

pˆ(<br />

ω ) )<br />

⇒ Helmholtzgleichung (räumliche Verteilung)<br />

2<br />

ω<br />

∆pˆ(<br />

ω)<br />

+<br />

2<br />

c<br />

pˆ(<br />

ω)<br />

= 0<br />

Principal Component Analysis 4


ekannteste Lösung <strong>de</strong>r Helmholtzgleichung, das Helmholtzintegral, verwen<strong>de</strong>t die so genannte freie Greensche Funktion. allgemeine Form enthält sowohl Feldgrößen wie auch Greensche Funktion Stammform Ableitung. Man beachte, dass die Feldgröße pundvvoneinan<strong>de</strong>r abhängig sind, <strong>de</strong>r Zusammenhang ist über die strukturabhängige Impedanz gegeben. Die Greensche Funktion ist diesem Ansatz ebenfalls Die<br />

von <strong>de</strong>r Struktur. unabhängig<br />

Man kann sich an<strong>de</strong>rerseits leicht überlegen: Prägt man am Rand <strong>de</strong>r Struktur nur eine Feldgröße ein, so ist das Schallfeld vollständig bestimmt. Man <strong>de</strong>nke etwa ein Schall abstrahlen<strong>de</strong>s Maschinengehäuse: Eingeprägt ist lediglich die Schnelle. Schlussfolgerung: Das Helmholtzintegral ist überbestimmt. Es gibt noch an<strong>de</strong>re Lösungsansätze!<br />

5 Ingenieure für <strong>Akustik</strong> <strong>Kolerus</strong>: J.<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Lösung <strong>de</strong>r Wellengleichung<br />

Helmholtzintegral<br />

− jωr<br />

− j<br />

⎛<br />

c<br />

1 ⎜ e ∂ e<br />

pˆ(<br />

x,<br />

y,<br />

z,<br />

ω ) = ⋅∫<br />

⎜ jω<br />

v<br />

n<br />

( ω)<br />

+ pˆ(<br />

ω)<br />

4π<br />

S ⎜ r ∂ n r<br />

⎝<br />

− jωr<br />

c<br />

e<br />

r<br />

−<br />

e<br />

=<br />

r<br />

jkr<br />

ωr<br />

c<br />

⎞<br />

⎟<br />

⎟dS<br />

⎟<br />

⎠<br />

(freie) Greensche Funktion<br />

Allgemeine Lösung mit Greenscher Funktion G(r,r´)<br />

⎧<br />

∂G(<br />

r , r ′)<br />

⎫<br />

p( r ) = −∫ ⎨ jωρ<br />

v ( r ′<br />

n<br />

) G(<br />

r , r ′)<br />

+ p(<br />

r ′)<br />

⎬dS(<br />

r ′)<br />

⎩<br />

∂n<br />

⎭<br />

S<br />

Principal Component Analysis 5


man eine Greensche Funktion, die an Oberfläche S<br />

Schnelleterm. Wählt man eine Greensche Funktion, <strong>de</strong>ren Ableitung an <strong>de</strong>r Oberfläche S verschwin<strong>de</strong>t, entfällt im Integral <strong>de</strong>r Druckterm. In bei<strong>de</strong>n Fällen ist dann nur noch die Kenntnis eineran Stelle bei<strong>de</strong>r Feldgrößen auf <strong>de</strong>r Oberfläche notwendig. Die Greenschen Funktionen sind allerdings jetzt abhängig von <strong>de</strong>r Wählt<br />

Es gilt jetzt, geeignete Ansätze für eine Greensche Funktion Struktur.<br />

zu fin<strong>de</strong>n. einfache Konfigurationen sind analytische Lösungen möglich. reale Strukturen ist auch eine experimentelle <strong>de</strong>nkbar. Für bei<strong>de</strong> Varianten gibt es in diesem Beitrag praktische Beispiele. Die Integrale für die bei<strong>de</strong>n Spezialfälle wer<strong>de</strong>n erstes und zweites Rayleighintegral genannt.<br />

6 Ingenieure für <strong>Akustik</strong> <strong>Kolerus</strong>: J.<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Rayleighintegral<br />

⎧<br />

∂G(<br />

r , r ′)<br />

⎫<br />

p( r ) = −∫ ⎨ jωρ<br />

u ( r ′)<br />

G(<br />

r , r ′)<br />

+ p(<br />

r ′)<br />

⎬dS(<br />

r<br />

⎩<br />

∂n<br />

⎭<br />

-<br />

S<br />

n<br />

′<br />

Helmholtzintegral<br />

)<br />

[ G ( r , r ′)] ≡ 0 ⇒<br />

p<br />

S<br />

⎧ ∂G<br />

( r , r ′<br />

p<br />

) ⎫<br />

p( r ) = −∫<br />

⎨p(<br />

r ′)<br />

⎬dS(<br />

r ′)<br />

n<br />

S ⎩ ∂ ⎭<br />

1.Rayleighintegral<br />

⎡∂G<br />

′<br />

u<br />

( r , r ) ⎤<br />

⎢ ⎥<br />

⎣ ∂n<br />

⎦<br />

S<br />

= 0<br />

⇒<br />

{ j u ( r ′)<br />

G ( r , r ′)}<br />

p( r ) = −∫ ωρ<br />

dS(<br />

r<br />

S<br />

′<br />

n u<br />

2.Rayleighintegral<br />

)<br />

Principal Component Analysis 6


<strong>de</strong>r akustischen Holographie ist es, aus Schalldruck-Messungen über ein Mikrofon-Array das Schallfeld in an<strong>de</strong>ren Raumgebieten zu berechnen. Im Mikrofon-Array sind die Mikrofone in einer angeordnet. (Druckmessung) in einer ebenen Anordnung (Messebene), <strong>de</strong>m Hologramm, das Schallfeld in einer an<strong>de</strong>ren Ebene <strong>de</strong>s Raumes (Bil<strong>de</strong>bene) zu berechnen. Ziel<br />

Der aufmerksame Leser <strong>de</strong>nkt vielleicht jetzt schon an das 1.Rayleighintegral<br />

7 Ingenieure für <strong>Akustik</strong> <strong>Kolerus</strong>: J.<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Akustische Holografie<br />

Near Field Acoustic<br />

Holography<br />

NAH


für die Holgraphie: Man hat nur eine einzige Sinusschallquelle, also eine einzige Komponente. Alle Messungen <strong>de</strong>r einzelnen Mikrofone sind kohärent, die Kohärenzmatrix enthält nur Einsen. Man misst mit einem ebenen Mikrofonarray das Schallfeld und bestimmt daraus die Ausbreitung <strong>de</strong>n Raum. Voraussetzung<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 8<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Akustische Holografie<br />

• Annahme eines kohärenten Schallfel<strong>de</strong>s<br />

• Messung mit Mikrofonarray<br />

• Approximation eines Halbraumes<br />

Principal Component Analysis 8


Lösung <strong>de</strong>s Helmholtzintegrals bzw. <strong>de</strong>s 1.Rayleighintegrals. Geschlossene Hüllfläche, Halbkugel, <strong>de</strong>ren Radius ins Unendliche geht. Die Anteile auf <strong>de</strong>r liefern keinen Anteile (Sommerfeldsche Strahlungsbedingung). Die Halbebene wird durch ein Mikrofonarray approximiert. Grundgedanke:<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 9<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Helmholtzintegral Halbraum<br />

Principal Component Analysis 9


Mikrofonarray: Anordnung von Mikrofonen in einem rechteckigen Raster in einer Ebene. Das<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 10<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Principal Component Analysis 10


Ein kartesisches Koordinatensystem wird eingeführt.<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 11<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Principal Component Analysis 11


J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 12<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Lösung <strong>de</strong>r Wellengleichung<br />

Räumliches Schallfeld: Überlagerung von Wellen in<br />

verschie<strong>de</strong>nen Richtungen<br />

Lösungsansatz:<br />

jk jk y<br />

x x<br />

y jkzz<br />

( e + e + e )<br />

jω<br />

t<br />

p(<br />

x,<br />

y,<br />

z,<br />

t)<br />

= p0 e + K<br />

k<br />

2<br />

x<br />

+ k<br />

2<br />

y<br />

+ k<br />

2<br />

z<br />

= k<br />

2<br />

k<br />

=<br />

2π<br />

ω<br />

=<br />

λ c<br />

Principal Component Analysis 12<br />

Im dreidimensionalen Fall kann die Lösung <strong>de</strong>r Wellengleichung<br />

immer als Überlagerung von ebenen Wellen in <strong>de</strong>n<br />

Koordinatenrichtungen dargestellt wer<strong>de</strong>n. Für die Wellenzahlen in<br />

<strong>de</strong>n Achsrichtungen gilt die Bedingung <strong>de</strong>r quadratischen Summierung<br />

<strong>zur</strong> Wellenzahl.


J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 13<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Lösung <strong>de</strong>r Wellengleichung<br />

• Messung in xy-Ebene<br />

• Ausbreitungsrechnung in z-Richtung<br />

• Fouriertransformation in xy-Richtung<br />

k x , k y<br />

2 2<br />

( k k )<br />

2<br />

k<br />

z<br />

= k −<br />

x<br />

+<br />

Ausbreitung in z-Richtungz<br />

y<br />

Principal Component Analysis 13<br />

Im dreidimensionalen Fall kann die Lösung als Überlagerung von<br />

Wellen in <strong>de</strong>n Koordinatenrichtungen dargestellt wer<strong>de</strong>n, z. B.<br />

kartesische Koordinaten x, y, z.<br />

Die Wellenzahlen <strong>de</strong>r Teilwellen hängen über quadratische<br />

Summation zusammen. k x und k y wer<strong>de</strong>n über die Druckverläufe im<br />

Array (xy-Ebene) gemessen, k z daraus berechnet.<br />

Die Messung <strong>de</strong>r Wellenzahlen entspricht einer Fouriertransformation<br />

in x- und y-Richtung.


J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 14<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Lösung <strong>de</strong>r Wellengleichung<br />

• Messung in xy-Ebene<br />

• Ausbreitungsrechnung in z-Richtung<br />

• Fouriertransformation in xy-Richtung<br />

k x , k y<br />

2 2<br />

( k k )<br />

2<br />

k<br />

z<br />

= k −<br />

x<br />

+<br />

Ausbreitung in z-Richtungz<br />

y<br />

Principal Component Analysis 14<br />

Im dreidimensionalen Fall kann die Lösung als Überlagerung von<br />

Wellen in <strong>de</strong>n Koordinatenrichtungen dargestellt wer<strong>de</strong>n, z. B.<br />

kartesische Koordinaten x, y, z


<strong>de</strong>r vorigen Ableitungen in einem Ansatz. So sieht eine allgemeine Lösung für die Ausbreitung in z-Richtung aus. In x und y-Richtung wur<strong>de</strong> eine räumliche Fouriertransformation durchgeführt, z nicht. Man kann sich vorstellen: Schalldruckverteilung am Mikrofonarray weist Periodizitäten in x und y- Richtung entsprechend <strong>de</strong>n partiellen Wellenzahlen auf. Man kann sich leicht überlegen: Die Lösung erfolgt Basis einer Zusammenfassung das 1.Rayleighintegral. Die Schalldruckmessung<br />

Ausbreitungsfunktion in z-Richtung entspricht hier <strong>de</strong>r gesuchten Greenschen Funktion.<br />

15 Ingenieure für <strong>Akustik</strong> <strong>Kolerus</strong>: J.<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Lösung <strong>de</strong>r Wellengleichung<br />

Gewöhnliche Dgl. - Exponentialansatz<br />

α z<br />

( ω , k , k , z) pˆ<br />

( ω,<br />

k , k ) e<br />

pˆ =<br />

x<br />

y<br />

Nichttriviale LösungL<br />

2<br />

α<br />

= k<br />

α = ±<br />

pˆ<br />

2<br />

k<br />

−<br />

2<br />

A<br />

2 2<br />

( kx<br />

+ k<br />

y<br />

)<br />

2 2<br />

− ( k + k )<br />

x<br />

y<br />

x<br />

2 2 2<br />

j k −( kx<br />

+ ky<br />

)<br />

( ω,<br />

k , k , z) = pˆ<br />

( k , k , ω ) e<br />

x<br />

y<br />

+<br />

+ pˆ<br />

−<br />

x<br />

y<br />

2 2 2<br />

− j k −( k x + ky<br />

)z<br />

( k , k , ω ) e<br />

x<br />

y<br />

y<br />

z<br />

+<br />

Principal Component Analysis 15


nach Lösung für die Wellenzahl kz(Seite 14) erhält man Fernfeldkomponenten (trigonometrische Lösung), die eine Wellenausbreitung in z-Richtung beschreibt und Nahfeldkomponenten, die einen exponentiellen Druckabfall be<strong>de</strong>uten. Man beachte die unterschiedlichen Maßstäbe <strong>de</strong>r x-Achse. Vorstellungsbeispiel: Man drückt <strong>de</strong>m Gegenüber mit <strong>de</strong>m Zeigefinger quasistatisch in die Backe (Delle-Nahfeld) o<strong>de</strong>r man verpasst ihm Je<br />

schallen<strong>de</strong> (!) Ohrfeige, dass die Backen zittern und es aus<strong>de</strong>n eine<br />

Latschen kippt (Fernfeld). In Fall <strong>de</strong>r Fernfeldkomponente wird Energie abgestrahlt, Schallwellen wer<strong>de</strong>n abgestrahlt. Nahfeldkomponenten bewirken keine Schallabstrahlung ins Fernfeld.<br />

16 Ingenieure für <strong>Akustik</strong> <strong>Kolerus</strong>: J.<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Fernfeld - Nahfeld<br />

k<br />

k<br />

2<br />

z<br />

2<br />

z<br />

> 0<br />

< 0<br />

Fernfeldkomponente<br />

Nahfeldkomponente<br />

(evanescent wave)<br />

Principal Component Analysis 16


kann das Schallfeld in einer berechnen (auf einem parallel verschobenen Gitter), also etwa <strong>de</strong>m Fenster, das durch das Array beschrieben wird. Die (fouriertransformierte) Druckverteilung in <strong>de</strong>r Messebene wird Hologramm genannt. Das in <strong>de</strong>r Parallelebene daraus berechnetet Feld entspricht <strong>de</strong>m rekonstruierten in <strong>de</strong>r optischen Holographie. Man auch hier von <strong>de</strong>r Bil<strong>de</strong>bene. Man<br />

Verfahren entspricht signaltheoretisch genau <strong>de</strong>m aus <strong>de</strong>r Optik Das<br />

bekannten Verfahren <strong>de</strong>r Holographie.<br />

17 Ingenieure für <strong>Akustik</strong> <strong>Kolerus</strong>: J.<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Akustische Holografie<br />

Transformation auf eine parallele Bil<strong>de</strong>bene<br />

Principal Component Analysis 17


auch für eine Ebene Richtung zum Objekt, bis direkt an die Oberfläche (aber immer nur im gleichen Medium). Jetzt wer<strong>de</strong>n auch die Nahfeldkomponenten mit erfasst (bzw. jetzt sind sie wesentlich). Wegen <strong>de</strong>s starken Abfalls Nahfeld-Komponenten muss man aber mit <strong>de</strong>m Array innerhalb <strong>de</strong>r halben Wellenlänge liegen. Das Problem ist schlecht gestellt, da man aus kleinen Größen auf große hochrechnen muss. Man vergleiche dazu die Diagramme Seite 16: Das (rechtes Funktioniert<br />

fällt extrem stark mit <strong>de</strong>m Abstand ab. Die Rückrechnung Diagramm)<br />

in <strong>de</strong>r Holographie in Richtung von <strong>de</strong>r Messebene zum Objekt erfolgt im Diagramm von rechts nach links. Ein kleiner Fehler in <strong>de</strong>r Messebene (Hologramm), z. Rauschen, wird also stark hoch gerechnet. Schlechte Konditionierung dieser Art ist typisch für numerische Verfahren, die auf das strahlen<strong>de</strong> Objekt rückrechnen. Im wesentlichen immer ein Kampf gegen das (unvermeidliche) Rauschen. Die Rückrechnung auf die objektnahe Ebene gelingt wegen <strong>de</strong>s starken Nahfeldabfalls nur, wenn die Hologrammebene (=Messebene) hinreichend nahe am Objekt liegt, also innerhalb einer halben Wellenlänge. Anmerkung: Jetzt sieht man, warum hier Fragen auftauchen, die verglichen mit <strong>de</strong>r Optik neu sind: In <strong>de</strong>r Optik wird man mit Aufnehmern einfach nie ins Nahfeld kommen. 18 Ingenieure für <strong>Akustik</strong> <strong>Kolerus</strong>: J.<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Akustische Holografie<br />

Transformation auf eine parallele Bil<strong>de</strong>bene<br />

Principal Component Analysis 18


Unsere Technik (Mikrofonarray) beruht auf reiner Druckmessung …<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 19<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Helmholtzsche Integralgleichung<br />

Principal Component Analysis 19


…also <strong>de</strong>m 1. Rayleighintegral.<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 20<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

1. Rayleighintegral<br />

⎧<br />

∂G(<br />

r,<br />

r ′)<br />

⎫<br />

p( r ) = −∫ ⎨ jωρ<br />

u ( r′<br />

) G(<br />

r,<br />

r ′)<br />

+ p(<br />

r ′)<br />

⎬dS(<br />

r<br />

⎩<br />

∂n<br />

⎭<br />

S<br />

n<br />

′<br />

)<br />

[ G ( r,<br />

r ′)] = 0<br />

p<br />

S<br />

1. Rayleighintegral<br />

⎡∂G<br />

( , ′<br />

u<br />

r r ) ⎤<br />

⎢ ⎥<br />

⎣ ∂n<br />

⎦<br />

S<br />

= 0<br />

2. Rayleighintegral<br />

⎧ ∂G(<br />

r,<br />

r ′)<br />

⎫<br />

p( r ) = −∫<br />

⎨p(<br />

r ′)<br />

⎬dS(<br />

r ′)<br />

⎩ ∂n<br />

⎭<br />

S<br />

Principal Component Analysis 20


Für Fall <strong>de</strong>s allgemeinen Schallfel<strong>de</strong>s.<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 21<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Räumliche Schallfeldtransformation<br />

Spatial<br />

Transformation of Sound<br />

Fields<br />

STSF


Messtechnik bei <strong>de</strong>r STSF ist gleich wie bei <strong>de</strong>r Holographie.Es wird die Druckverteilung einem ebenen Mikrofonarray gemessen. Die Beschränkung auf eine einzige monofrequente Komponente entfällt allerdings jetzt.<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 22<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Spatial Transform of Sound Fields STSF<br />

• Messung mit Mikrofonarray<br />

• Zerlegung <strong>de</strong>s Schallfel<strong>de</strong>s in inkohärente<br />

Komponenten<br />

• Metho<strong>de</strong>n <strong>de</strong>r Holografie komponentenweise<br />

Principal Component Analysis 22


über das Mikrofonarray gemessene Schallfeld wird rechnerisch in unabhängige (unkorrelierte) Komponenten zerlegt. Für je<strong>de</strong><br />

wird dann das zuvor skizzierte Verfahren <strong>de</strong>r akustischen Holographie angewandt. Zur Zerlegung Komponenten wer<strong>de</strong>n korrelativen Daten für die Messpunkte in einer Matrix angeordnet, die Zerlegung in Komponenten erfolgt auf Basis einer Eigenwertberechnung. Die Das<br />

kann sowohl im Zeitbereich wie im Frequenzbereich Berechnung<br />

erfolgen. Im Frequenzbereich (Kreuzleistungsspektren) hat man <strong>de</strong>n Vorteil, dass man invariant gegen Laufzeitunterschie<strong>de</strong> ist, sofern diese geringer sind als die Blocklänge <strong>de</strong>r FFT. Im folgen<strong>de</strong>n Abschnitt wird System <strong>zur</strong> Prognose <strong>de</strong>r Wasserschallabstrahlung eines Schiffes vorgestellt, An Hand dieses Systems wer<strong>de</strong>n die Verfahren <strong>zur</strong> Komponententrennung etwas eingehen<strong>de</strong>r erläutert. Wie sie auch bei <strong>de</strong>r STSF <strong>zur</strong> Anwendung kommen. Also bitte weiterlesen!<br />

23 Ingenieure für <strong>Akustik</strong> <strong>Kolerus</strong>: J.<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Spatial Transform of Sound Fields STSF<br />

• Messung mit Mikrofonarray<br />

• Zerlegung <strong>de</strong>s Schallfel<strong>de</strong>s in inkohärente<br />

Komponenten<br />

– Kovarianzmatrix<br />

– Kohärenzmatrix<br />

– Kreuzleistungsspektren<br />

• Metho<strong>de</strong>n <strong>de</strong>r Holografie komponentenweise<br />

• Basiert auf 1.Rayleighintegral<br />

Principal Component Analysis 23


praktisch durchgeführtes Projekt: Aus Schwingungsmessungen im Innenbereich eines Schiffes soll eine Prognose <strong>de</strong>s ins Wasser abgestrahlten Schalls berechnet wer<strong>de</strong>n. Ein<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 24<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Schallabstrahlung einer Struktur


Bild visualisiert das Grundproblem: Maschinen im Inneren <strong>de</strong>s Schiffes erzeugen Schwingungen, die <strong>zur</strong> Außenhaut übertragen und von dort ins Wasser abgestrahlt wer<strong>de</strong>n. Die Maschinen wer<strong>de</strong>n als unkorrelierte Schallquellen angenommen (die Methodik für teilweise<br />

Maschinen ist prinzipiell gleich, es sind allerdings aufwändigere Klassierungs-und Kalibrierverfahren notwendig, die das grundsätzliche Verfahren jedoch nicht tangieren; dieser Aspekt kommt daher nicht <strong>zur</strong> Sprache). Das<br />

Schwingungen an <strong>de</strong>n verschie<strong>de</strong>nen Außenhautmesspunkten Die<br />

bestehen aus einer Überlagerung verschie<strong>de</strong>ner Komponenten, sind also teilweise korreliert, teilweise unkorreliert. Ein einheitlicher Summationsalgorithmus kann nicht angegeben wer<strong>de</strong>n. Korrelierte Anteile (gleiche Quelle -gleiche Farbe) müssten phasenrein, unkorrelierte Anteile müssten energetisch summiert wer<strong>de</strong>n. Bei rein energetischer Rechnung (Abstrahlgrad) besteht sogar die Gefahr, dass die Prognose mit steigen<strong>de</strong>r Messpunktzahl an Genauigkeit verliert (Grundgedanke: Bei nur einem entsteht grundsätzlich kein Summationsfehler)! Außer<strong>de</strong>m: Das Abstrahlverhalten <strong>de</strong>r Komponenten ist stark unterschiedlich, nur wenige Komponenten strahlen wirklich ins Fernfeld ab. Die Nahfeldkomponenten ( s. Holographie) strahlen nicht ab, dürfen also nicht berücksichtigt wer<strong>de</strong>n. Da sie außer<strong>de</strong>m praktisch keine Energie ins Wasser abgeben, also keiner Strahlungsdämpfung unterliegen, sind sie im Körperschall überrepräsentiert. 25 Ingenieure für <strong>Akustik</strong> <strong>Kolerus</strong>: J.<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Komponenten (Bild)<br />

Principal Component Analysis 25


<strong>de</strong>r Außenhaut wird Körperschall gemessen, Messgröße ist die Schwinggeschwindigkeit. Das Verfahren basiert also auf <strong>de</strong>m 2.Rayleighhintegral. An<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 26<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Schallabstrahlung aus KS<br />

• KS Messung an <strong>de</strong>r Oberfläche<br />

• Komponententrennung<br />

• Abstrahlung komponentenweise<br />

– 2.Rayleighintegral<br />

– G u (r,r‘) experimentell<br />

Principal Component Analysis 26


<strong>de</strong>r Schiffshaut können auch von außen induziert wer<strong>de</strong>n (Seegang, externe Quellen). Für die Schallabstrahlung <strong>de</strong>s Schiffes sind jedoch nur die aus <strong>de</strong>m Inneren induzierten Schwingungen maßgeblich. Damit man wirklich nur Anteile erfasst, die von <strong>de</strong>n Maschinen im Inneren kommen, legt man die akustisch relevanten Schallquellen (Maschinen) fest, montiert darauf zusätzliche Messpunkte<br />

und berücksichtigt nur Anteile, die damit korreliert (Referenzpunkte)<br />

sind.<br />

<strong>Akustik</strong> für Ingenieure 27 <strong>Kolerus</strong>: J.<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Komponententrennung<br />

Selektion relevanter Komponenten<br />

• Auswahl relevanter Quellen<br />

• Messpunkte auf Quellen (Referenzpunkte)<br />

• Messpunkte auf <strong>de</strong>r Oberfläche<br />

Principal Component Analysis 27


die im folgen<strong>de</strong>n erläuterte Principal Component Analysis PCA erfolgt die Trennung unkorrelierter Komponenten. Über<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 28<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Kalibrierung<br />

Strategie<br />

• PCA <strong>de</strong>r Referenzpunkte (Übersprechen)(<br />

• PCA <strong>de</strong>r AH Punkte<br />

• Korrelation AH – Referenz<br />

– Selektion relevanter AH Komponenten<br />

– Transferfunktion (el. Lagerung)<br />

• Kalibrierung<br />

Principal Component Analysis 28


Zweig („Maschine“): erfolgt zunächst Referenzpunkte –<strong>de</strong>r Messpunkte auf <strong>de</strong>n -um Übersprechen über die elastischen Maschinenlagerungen zu eliminieren. Die (Quellenkomponenten) sind jetzt die reinen Maschinensignale. Grüner Zweig („Außenhaut“): erfolgt eine Komponententrennung <strong>de</strong>r Außenhautpunkte. Man erhält jetzt nicht nur die von <strong>de</strong>n Maschinen an erregten Komponenten son<strong>de</strong>rn ggf. auch solche, die auf an<strong>de</strong>re<br />

<strong>zur</strong>ückzuführen sind. Roter<br />

die aus <strong>de</strong>n Simultanmessungen abzuleiten<strong>de</strong>n Übertragungsfunktionen Maschinen →Außenhaut kann aus <strong>de</strong>n Quellenkomponenten eine Prognose <strong>de</strong>r an Über<br />

<strong>de</strong>r Außenhaut erregten Komponenten errechnet wer<strong>de</strong>n. Über ein Ähnlichkeitsverfahren wer<strong>de</strong>n aus <strong>de</strong>n Außenhautkomponenten diejenigen selektiert, die <strong>de</strong>n Maschinen im Inneren zuzuordnen sind. Solche Ähnlichkeitsverfahren sind <strong>de</strong>r Modalanalyse gebräuchlich (Modal Assurance Criteria MAC). Blauer Zweig („Fernfeld“): In einer Kalibriermessung wer<strong>de</strong>n für einen Wasserschall-Messpunkt im nach <strong>de</strong>m gleichen Schema Komponenten im i<strong>de</strong>ntifiziert und Maschinen im Schiff zugeordnet. Dort sind nur Fernfeldkomponenten auffindbar, die Nahfeldkomponenten sind dieser Distanz bereits abgeklungen. An <strong>de</strong>r sind jetzt diejenigen Komponenten i<strong>de</strong>ntifiziert, die tatsächlich Fernfeld abstrahlen (Fernfeldkomponenten). Die Außenhaut →Fernfeld (Greensche Funktion) können aus <strong>de</strong>m Kalibriermessungen abgeleitet wer<strong>de</strong>n. Im regulären Betriebsfall (rot/grün) wer<strong>de</strong>n die aktuellen Komponenten <strong>de</strong>n bei <strong>de</strong>r Kalibrierung ermittelten zugeordnet (MAC), aus <strong>de</strong>n jetzt bekannten Übertragungsfunktionen wird die Wasserschallprognose berechnet. 29 Ingenieure für <strong>Akustik</strong> <strong>Kolerus</strong>: J.<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Außenhaut<br />

Fernfeld<br />

Transferfunktion Außenhaut - Wasser<br />

Maschine<br />

KS Signale<br />

KS Signale<br />

WS Signal<br />

FFT<br />

FFT<br />

FFT<br />

PSD PSD<br />

PSD PSD PSD<br />

PCA<br />

(SVD)<br />

PCA<br />

(SVD)<br />

Transferfunktion<br />

x→ y<br />

Principal Component Analysis 29<br />

Transferfunktion<br />

x → z<br />

Transferfunktion<br />

y → z<br />

26


J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 30<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Was steckt hinter <strong>de</strong>r PCA?


Principal Component Analysis PCA ist ein Überbegriff, Verfahren <strong>zur</strong> Trennung unkorrelierter Komponenten. Im Bild sind einige Begriffe aus diesem Sachgebiet aufgeführt (auch wenn sie zum Teil diesem Beitrag nicht weiter angesprochen wer<strong>de</strong>n), einfach als Stichworte, etwa <strong>zur</strong> Recherche im Internet. Die<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 31<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Blind Source Separation BSS<br />

• Singular Value Decomposition SVD<br />

• Faktorenanalyse<br />

• Karhunen Loeve Entwicklung KLE<br />

• Principal Component Analysis PCA<br />

• Projection Pursuit (Strukturauf<strong>de</strong>ckung)<br />

• In<strong>de</strong>pen<strong>de</strong>nt Component Analysis ICA<br />

Principal Component Analysis 31


Basis ist die Karhunen Loeve Entwicklung. Ausgangspunkt ist Ensemble nicht ergodischer stochastischer Prozesse. Beispiel: Strömungsvorgänge einem Fluid in einem abgeschlossenen Raum. Durch vielfache Versuche mit unterschiedlichen erhält man ein Ensemble solcher Prozesse, <strong>de</strong>r einzelne Prozess hängt stark, vielleicht sogar Physikalisch-mathematische<br />

von <strong>de</strong>n Anfangsbedingungen ab. chaotisch<br />

Karhunen sucht einen Ansatz, um das gesamte Ensemble mit einem Minimalaufwand analytisch zu beschreiben. Im konkreten Fall Schallabstrahlungsind die Prozesse die Signale an <strong>de</strong>n Außenhautmesspunkten, als statistische Größe kann die Position <strong>de</strong>r Schwingungsaufnehmer betrachtet wer<strong>de</strong>n. Anmerkung: Die Interpretation fester Größen als Repräsentanten eines stochastischen Prozesses ist <strong>de</strong>r Wahrscheinlichkeitslehre durchaus zulässig üblich. Stellt man sich an Stelle einer festen Aufnehmermontage einen Messtechniker vor, <strong>de</strong>r mit seinem Messgerät Run<strong>de</strong> macht und <strong>de</strong>n Aufnehmer immer von Hand anhält, wird die Vorstellung erleichtert.<br />

32 Ingenieure für <strong>Akustik</strong> <strong>Kolerus</strong>: J.<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Karhunen Loeve Entwicklung<br />

KLE<br />

Zerlegung in Komponenten


λ<br />

ψ<br />

θ<br />

ψ<br />

θ<br />

Prozess u(Schwingungssignale) wird angesetzt als Produktsumme eines Systems orthogonaler Eigenvektoren fimit entkoppelten ψi(Θ). Die Eigenvektoren sind auf die Länge Eins, die Zufallsgrößen auf die Varianz Eins normiert. Die Entwicklung ist grob gesprochen eine Inversion <strong>de</strong>s Bernoullischen Lösungsansatzes für die Wellengleichung (Separationsansatz: Produkt aus Ortsfunktion und Zeitfunktion). Der<br />

Der eigenartige Koeffizient √λist ein heuristischer Ansatz: Anmerkung:<br />

wie man später sehen wird, ist es <strong>de</strong>r Zusammenhang zwischen Entwicklungskoeffizienten und Matrizeneigenwerten. Einfach weiter lesen!<br />

33 Ingenieure für <strong>Akustik</strong> <strong>Kolerus</strong>: J.<br />

ψ<br />

θ<br />

δ<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Karhunen Loeve Entwicklung<br />

• Messung<br />

Messung<br />

– Zustandsvektor u(θ)<br />

• Ansatz<br />

– Orthogonale Basisvektoren f i<br />

– Entkorrelierte Zufallsgröß<br />

ößen<br />

ψ i (θ)<br />

u ( )<br />

f<br />

T<br />

i<br />

∑<br />

= f<br />

i i i<br />

i<br />

θ<br />

f<br />

j<br />

ij<br />

( )<br />

{<br />

i<br />

( )<br />

j<br />

( )} ij<br />

= , E<br />

=<br />

δ<br />

Principal Component Analysis 33


λθ<br />

ψ<br />

θ<br />

θ<br />

λ<br />

als Reihenentwicklung. Man kann die Größen <strong>de</strong>r Reihenentwicklung bestimmen, in<strong>de</strong>m man die Entwicklung die Kovarianzmatrix Cu<strong>de</strong>r Elemente <strong>de</strong>s Zufallsvektors einsetzt. Ansatz<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 34<br />

ψ<br />

θλ<br />

ψ<br />

ψ<br />

θ<br />

θ<br />

λ<br />

ψ<br />

θ<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Karhunen Loeve Entwicklung<br />

Ansatz:<br />

u(<br />

∑<br />

) = λ f<br />

i i i<br />

i<br />

θ<br />

( )<br />

T<br />

⎧<br />

T<br />

{ u(<br />

) u ( } = E⎨∑<br />

i<br />

fi<br />

i<br />

( )<br />

j<br />

f<br />

j j<br />

( )<br />

C<br />

u<br />

= E )<br />

∑<br />

⎩ i<br />

j<br />

C<br />

u<br />

∑<br />

i<br />

i<br />

i<br />

∑<br />

= f f<br />

j<br />

j<br />

T<br />

j<br />

E<br />

{ ( ) ( )}<br />

i<br />

j<br />

⎫<br />

⎬<br />

⎭<br />

Principal Component Analysis 34


λθ<br />

θ ψ<br />

θ<br />

λ<br />

als Reihenentwicklung. Einsetzen <strong>de</strong>r Orthogonalitätsbedingungen für die Zeitfunktion … Ansatz<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 35<br />

ψ<br />

θλ<br />

ψ<br />

ψ<br />

θ<br />

θ<br />

λ<br />

ψ<br />

θ<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Karhunen Loeve Entwicklung<br />

Ansatz:<br />

u(<br />

∑<br />

) = λ f<br />

i i i<br />

i<br />

θ<br />

( )<br />

T<br />

⎧<br />

T<br />

{ u(<br />

) u ( } = E⎨∑<br />

i<br />

fi<br />

i<br />

( )<br />

j<br />

f<br />

j j<br />

( )<br />

C<br />

u<br />

= E )<br />

∑<br />

⎩ i<br />

j<br />

C<br />

u<br />

∑<br />

i<br />

i<br />

i<br />

∑<br />

= f f<br />

j<br />

j<br />

T<br />

j<br />

E<br />

{ ( ) ( )}<br />

i<br />

j<br />

⎫<br />

⎬<br />

⎭<br />

Principal Component Analysis 35


λ<br />

ψ<br />

θ<br />

für die Ortsfunktion führt das Problem in das Eigenwertproblem für die Kovarianzmatrix Cuüber. Anmerkung: Man erkennt jetzt die Be<strong>de</strong>utung <strong>de</strong>s Koeffizienten beim Ansatz <strong>de</strong>r Reihenentwicklung. …und<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 36<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Karhunen Loeve Entwicklung<br />

Ansatz:<br />

u ( )<br />

C<br />

C<br />

∑<br />

= f<br />

f f<br />

λ<br />

i i i<br />

i<br />

T<br />

u<br />

i i i<br />

θ<br />

u<br />

f<br />

= ∑<br />

i<br />

j<br />

( )<br />

T<br />

= ∑ λ<br />

ififi<br />

f<br />

j<br />

= ∑<br />

i<br />

j<br />

λ f<br />

j<br />

j<br />

Principal Component Analysis 36<br />

( C − I) = 0<br />

u<br />

j<br />

λ<br />

f<br />

j


Singular Value Decomposition ist ein Ansatz für die Lösung <strong>de</strong>s Eigenwertproblems einer Matrix. Ableitungen fin<strong>de</strong>t man in Standardwerken <strong>de</strong>s Matrizenrechnung (Zurmühl). Die<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 37<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Singular Value Decomposition<br />

SVD<br />

Basis <strong>de</strong>r KHE


σ<br />

σ<br />

values)σ<br />

U<strong>de</strong>r Links-Eigenvektoren u<br />

Σ<strong>de</strong>r Eigenwerte (singular Die Matrix V<strong>de</strong>r Rechts-Eigenvektoren v Für reguläre Matrizen sind alle Eigenwerte positiv und <strong>de</strong>r Größe nach sortiert.<br />

Matrizen:<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 38<br />

σ<br />

σ<br />

σ<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Singular Value Decomposition SVD<br />

A<br />

∈ F<br />

m<br />

x n<br />

A = U<br />

*<br />

V<br />

U =<br />

V =<br />

⎡<br />

∑ = ⎢<br />

⎣<br />

[ u1,<br />

u2,<br />

Kum<br />

] ∈F<br />

n x n<br />

[ v , v , Kv<br />

] ∈F<br />

1<br />

0<br />

1<br />

2<br />

0⎤<br />

0<br />

⎥<br />

⎦<br />

Principal Component Analysis 38<br />

n<br />

m x m<br />

1<br />

⎡<br />

⎢<br />

⎢<br />

0<br />

=<br />

⎢ M<br />

⎢<br />

⎢⎣<br />

0<br />

1<br />

0<br />

M<br />

0<br />

2<br />

L<br />

L<br />

O<br />

L<br />

{ m n}<br />

1<br />

≥<br />

2<br />

≥ L ≥<br />

p<br />

≥ 0 , p = min , σ<br />

0 ⎤<br />

0<br />

⎥<br />

⎥<br />

M ⎥<br />

⎥<br />

p ⎥⎦<br />

Eine m x nMatrix Alässt sich immer darstellen als Produkt von drei


Mancher braucht das.<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 39<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Singular Value Decomposition SVD<br />

A<br />

∈ F<br />

m<br />

x n<br />

A = U<br />

*<br />

V<br />

⎡a<br />

⎢<br />

⎢<br />

a<br />

⎢ M<br />

⎢<br />

⎢<br />

⎢ M<br />

⎢<br />

⎢⎣<br />

am<br />

11<br />

21<br />

1<br />

a<br />

12<br />

L<br />

a<br />

a<br />

1n<br />

mn<br />

⎤ ⎡u<br />

⎥ ⎢<br />

⎥ ⎢<br />

u<br />

⎥ ⎢ M<br />

⎥ = ⎢<br />

⎥ ⎢<br />

⎥ ⎢ M<br />

⎥ ⎢<br />

⎥⎦<br />

⎢⎣<br />

um<br />

11<br />

21<br />

1<br />

u<br />

12<br />

L<br />

u<br />

u<br />

1n<br />

mn<br />

⎤<br />

⎥<br />

⎥ ⎡w<br />

⎥<br />

⎢<br />

⎥ ⋅ ⎢<br />

⎥<br />

⎢<br />

⎥<br />

⎢<br />

⎣<br />

⎥<br />

⎥⎦<br />

1<br />

w<br />

2<br />

O<br />

⎤ ⎡v11<br />

⎥ ⎢<br />

⎥ ⋅ ⎢<br />

v12<br />

⎥ ⎢ M<br />

⎥ ⎢<br />

w<br />

n ⎦ ⎣v1n<br />

v<br />

21<br />

L<br />

v<br />

v<br />

n1<br />

nn<br />

⎤<br />

⎥<br />

⎥<br />

⎥<br />

⎥<br />

⎦<br />

A U V T<br />

Principal Component Analysis 39


Testreihe: In einem Testversuch wer<strong>de</strong>n von Testpersonenm Stichproben eines Testobjekts an Hand von nMerkmalen beurteilt. Stichproben: mGeigen nMerkmale: Lautheit, Helligkeit, Schärfe, … Für je<strong>de</strong> Geige soll je<strong>de</strong>s <strong>de</strong>r Merkmale in einer Skale von 1 bis 5 Beispiel<br />

wer<strong>de</strong>n. Die Ergebnisse wer<strong>de</strong>n Matrix Agepackt. bewertet<br />

Horizontal die Merkmale (Versuchspersonen, A-Pegel, Lästigkeit, ... Vertikal die Stichproben. Die Ergebnisse sind meist unmittelbar nicht aussagekräftig. Typisch: Man erhält für je<strong>de</strong>s <strong>de</strong>r eine Beurteilung gut für 80% <strong>de</strong>r Geigen –es sind aber nicht immer die gleichen 80%.. Warum? –Die gewählten Merkmale sind i.a. voneinan<strong>de</strong>r abhängig.<br />

40 Ingenieure für <strong>Akustik</strong> <strong>Kolerus</strong>: J.<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Singular Value Decomposition SVD<br />

Merkmale<br />

Stichproben<br />

Principal Component Analysis 40


SVD liefert die unabhängigen Merkmale, die jetzt aber im allgemeinen nicht mehr sind (im Gegensatz also zu <strong>de</strong>n ursprünglichen, <strong>de</strong>n beobachtbaren Merkmalen). Die<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 41<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Singular Value Decomposition SVD<br />

p unabhängige Merkmale<br />

Principal Component Analysis 41


ist die Zahl p<strong>de</strong>r unabhängigen Merkmale geringer als die Zahl m<strong>de</strong>r ursprünglichen (anhängigen). Der Rang <strong>de</strong>r Matrix ist p., wegen<br />

Sortierung erhält die Eigenwertmatrix obige Form. Dieser I<strong>de</strong>alfall tritt aber nur im Fall völliger Rauschfreiheit auf. Rauschen entsteht z. B. schon durch Fuzzylogik (Beurteilungen als sehr groß–groß–mittel –klein–sehr klein ist unscharf). Meist<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 42<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Singular Value Decomposition SVD<br />

p unabhängige Merkmale - rauschfrei<br />

Principal Component Analysis 42


macht sich <strong>de</strong>n kleinsten SV bemerkbar. I.a. wird man <strong>de</strong>n Übergang durch einen <strong>de</strong>utlichen Abfall in <strong>de</strong>r Eigenwertreihe erkennen; die restlichen Eigenwerte sind dann oft von sehr ähnlicher Größe. Die einfachste Metho<strong>de</strong>, das System zu Entrauschen, ist das Nullsetzen <strong>de</strong>r rauschdominierten Eigenwerte. Anmerkung: Wen<strong>de</strong>t man die SVD auf Messsignale an, wird man die Rauschen<br />

durch Betrachten <strong>de</strong>s Spektrums <strong>de</strong>r Eigenfunktionen Grenze<br />

erkennen: Unterhalb <strong>de</strong>r Rauschgrenze sind die Signale stochastisch, oberhalb weitgehend <strong>de</strong>terministisch (Maschinengeräusche). O<strong>de</strong>r man hört sich die Komponenten im Kopfhörer an –dann merkt man schon, wenn sie lediglich rauschen.<br />

43 Ingenieure für <strong>Akustik</strong> <strong>Kolerus</strong>: J.<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Singular Value Decomposition SVD<br />

p unabhängige Merkmale - verrauscht<br />

Principal Component Analysis 43


J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 44<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Singular Value Decomposition SVD<br />

p unabhängige Merkmale - entrauschen<br />

Principal Component Analysis 44


Möglichkeit: Datenreduktion. Man nimmt als Näherung nur die r größten Eigenwerte. Das ergibt eine optimale Näherung im Sinne eine minimalen quadratischen Abweichung. An<strong>de</strong>re<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 45<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Singular Value Decomposition SVD<br />

Datenreduktion<br />

Principal Component Analysis 45


J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 46<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Singular Value Decomposition SVD<br />

Datenreduktion<br />

Principal Component Analysis 46


Linkseigenvektoren uund die Rechtseigenvektoren vsind Projektionen, eines Merkmals Stichproben, einmal die Projektion <strong>de</strong>r Stichproben über die Merkmale. Aus <strong>de</strong>n Eigenvektoren lässt sich die Grenze zum Rauschen ebenfalls bestimmen (wenn <strong>de</strong>r Abfall <strong>de</strong>r SV nicht ausreicht). Die<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 47<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Singular Value Decomposition SVD<br />

A<br />

∈ F<br />

m<br />

x n<br />

A = U<br />

*<br />

V<br />

U =<br />

V =<br />

[ u , u Ku<br />

]<br />

1 2,<br />

m<br />

[ v , v Kv<br />

]<br />

1 2,<br />

m<br />

⎡u<br />

=<br />

⎢<br />

⎢<br />

⎢⎣<br />

u<br />

⎡v<br />

=<br />

⎢<br />

⎢<br />

⎢⎣<br />

v<br />

11<br />

m1<br />

11<br />

m1<br />

u<br />

u<br />

v<br />

v<br />

12<br />

m2<br />

12<br />

m2<br />

u<br />

u<br />

v<br />

v<br />

1n<br />

mn<br />

1n<br />

mn<br />

⎤<br />

⎥<br />

⎥<br />

⎥⎦<br />

⎤<br />

⎥<br />

⎥<br />

⎥⎦<br />

Principal Component Analysis 47


Die Eigenvektoren sind unitär (orthogonal, spaltenorthogonal)<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 48<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Singular Value Decomposition SVD<br />

A<br />

∈ F<br />

m<br />

x n<br />

A = U<br />

*<br />

V<br />

⎡<br />

⎢<br />

⎢<br />

⎢⎣<br />

U<br />

T<br />

⎡<br />

⎢<br />

⎤<br />

⎢<br />

⎥<br />

⎢<br />

⎥<br />

⋅<br />

⎢<br />

⎥⎦<br />

⎢<br />

⎢<br />

⎣<br />

U<br />

⎤<br />

⎥<br />

⎥<br />

⎡<br />

⎥ =<br />

⎢<br />

⎥<br />

⎢<br />

⎥<br />

⎢⎣<br />

⎥<br />

⎦<br />

⎡<br />

=<br />

⎢<br />

⎢<br />

⎢⎣<br />

V<br />

1<br />

T<br />

⎤<br />

⎥<br />

⎥<br />

⎥⎦<br />

⎤ ⎡<br />

⎥ ⎢<br />

⎥<br />

⋅<br />

⎢<br />

⎥⎦<br />

⎢⎣<br />

V<br />

⎤<br />

⎥<br />

⎥<br />

⎥⎦<br />

Principal Component Analysis 48


σ<br />

Lösungsweg skizziert. Die Zusammenhänge links lassen sich leicht nachvollziehen. Durch Multiplikation erhalt man rechts das klassische Eigenwertproblem, nur dass die Sigmaquadrat an <strong>de</strong>r Stelle <strong>de</strong>r üblichen Lambdas stehen. Der<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 49<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Singular Value Decomposition SVD<br />

A<br />

∈ F<br />

m<br />

x n<br />

A = U<br />

*<br />

V<br />

Av<br />

i<br />

*<br />

A u<br />

i<br />

=<br />

=<br />

u<br />

i i<br />

i<br />

vi<br />

σ<br />

*<br />

AA ui *<br />

A Av<br />

σ<br />

i<br />

=<br />

=<br />

u<br />

2<br />

i i<br />

2<br />

i<br />

vi<br />

Principal Component Analysis 49


σ<br />

σ<br />

σ<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 50<br />

σ<br />

σ<br />

σ<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Singular Value Decomposition SVD<br />

A<br />

∈ F<br />

m<br />

x n<br />

A = U<br />

*<br />

V<br />

Av<br />

i<br />

*<br />

A u<br />

i<br />

=<br />

=<br />

u<br />

i i<br />

i<br />

vi<br />

σ<br />

*<br />

AA ui *<br />

A Av<br />

σ<br />

i<br />

=<br />

=<br />

u<br />

2<br />

i i<br />

2<br />

i<br />

vi<br />

⎡<br />

∑ = ⎢<br />

⎣<br />

0<br />

1<br />

0⎤<br />

0<br />

⎥<br />

⎦<br />

Principal Component Analysis 50<br />

1<br />

⎡<br />

⎢<br />

⎢<br />

0<br />

=<br />

⎢ M<br />

⎢<br />

⎢⎣<br />

0<br />

1<br />

0<br />

M<br />

0<br />

2<br />

L<br />

L<br />

O<br />

L<br />

{ m n}<br />

1<br />

≥<br />

2<br />

≥ L ≥<br />

p<br />

≥ 0 , p = min , σ<br />

0 ⎤<br />

0<br />

⎥<br />

⎥<br />

M ⎥<br />

⎥<br />

p ⎥⎦


σ<br />

σ<br />

σ<br />

man also auf die Lambdas über, fin<strong>de</strong>t man <strong>de</strong>n Grund für die Wurzel im Ansatz <strong>de</strong>r KHE. Geht<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 51<br />

λ<br />

λ<br />

λ<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Singular Value Decomposition SVD<br />

A<br />

∈ F<br />

m<br />

x n<br />

A = U<br />

*<br />

V<br />

Av<br />

i<br />

*<br />

A u<br />

i<br />

=<br />

=<br />

u<br />

i i<br />

i<br />

vi<br />

σ<br />

*<br />

AA u =<br />

i<br />

*<br />

A Av =<br />

λv<br />

i<br />

i<br />

i<br />

u<br />

i<br />

i<br />

⎡<br />

∑ = ⎢<br />

⎣<br />

0<br />

1<br />

0⎤<br />

0<br />

⎥<br />

⎦<br />

1<br />

⎡<br />

⎢<br />

⎢ 0<br />

=<br />

⎢ M<br />

⎢<br />

⎢⎣<br />

0<br />

1<br />

0<br />

M<br />

0<br />

2<br />

L<br />

L<br />

O<br />

L<br />

{ m n}<br />

1<br />

≥<br />

2<br />

≥ L ≥<br />

p<br />

≥ 0 , p = min , σ<br />

0<br />

0<br />

M<br />

p<br />

⎤<br />

⎥<br />

⎥<br />

⎥<br />

⎥<br />

⎥⎦<br />

Principal Component Analysis 51


Karhunen Loeve Entwicklung basiert auf <strong>de</strong>r SVD. An<strong>de</strong>re Anwendungen fin<strong>de</strong>t man in <strong>de</strong>r Datenkompression bei Signalspeicherung Bild-und Tonverarbeitung. Die<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 52<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Singular Value Decomposition SVD<br />

Anwendungen<br />

• KLE<br />

• Datenkompression<br />

• Bildverarbeitung<br />

Principal Component Analysis 52


Ansatz soll jetzt, mit mehr Kenntnissen, noch einmal wie<strong>de</strong>rholt wer<strong>de</strong>n –erspart das <strong>zur</strong>ück Blättern. Der<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 53<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Zurück <strong>zur</strong> KLE


ψ<br />

θ<br />

Ansatz von Karhunen ist eine ganz allgemeine Formulierung. Er erläutert ihn am Beispiel einer Navier-Stokes Strömung einem abgeschlossenen Raum. Man macht eine Anzahl Experimenten. Die einzelne Strömung hängt von <strong>de</strong>n Anfangsbedingungen ab, stark ab, vielleicht chaotisch. Trotz<strong>de</strong>m muss Gemeinsamkeiten geben (Randbedingungen, Stoffparameter). Der Ansatz von K. hat möglichst kompakte Beschreibung <strong>de</strong>s gesamten Ensembles zum Ziel. Der<br />

Prozess, die Anfangsbedingung ist eine zusätzliche Stochastischer<br />

stochastische Größe (<strong>de</strong>r selbst könnte sogar <strong>de</strong>terministisch sein). Das Ensemble Prozesse ist nicht-ergodisch, d. h. die Scharmittelung lässt sich nicht durch zeitliche Mittelung einer einzigen Realisierung bestimmen. Im konkreten Fall ist die stochastische Größe die Lage <strong>de</strong>r Messpunkte. Das klingt zunächst befremdlich. Der zu Grun<strong>de</strong> liegen<strong>de</strong><br />

ist ein Messtechniker, <strong>de</strong>r herum geht und die Aufnehmer freihändig anlegt. Hier wird nur eine einzige Realisierung dieses Prozesses angesetzt. Diese Technik wird häufig bei bedingte Wahrscheinlichkeiten p(x|y) <strong>zur</strong> Berechnung angesetzt: Die eigentlich konstante Bedingung y wird als einzelne Realisierung eines hypothetischen stochastischen Prozesses interpretiert. 54 Ingenieure für <strong>Akustik</strong> <strong>Kolerus</strong>: J.<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Karhunen Loeve Entwicklung<br />

Ansatz:<br />

u(<br />

f<br />

∑<br />

) = λ f<br />

i i i<br />

i<br />

θ<br />

( )<br />

{ ψ<br />

i<br />

( θ ) ψ<br />

j<br />

( θ )} ij<br />

T<br />

i<br />

f<br />

j<br />

= δ<br />

ij,<br />

E = δ<br />

Principal Component Analysis 54


λθ<br />

θ ψ<br />

θ<br />

λ<br />

als Reihenentwicklung. Man kann die Größen <strong>de</strong>r Reihenentwicklung bestimmen, in<strong>de</strong>m man die Entwicklung die Kovarianzmatrix <strong>de</strong>r Elemente <strong>de</strong>s Zufallsvektors einsetzt. Ansatz<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 55<br />

ψ<br />

θλ<br />

ψ<br />

ψ<br />

θ<br />

θ<br />

λ<br />

ψ<br />

θ<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Karhunen Loeve Entwicklung<br />

Ansatz:<br />

u(<br />

∑<br />

) = λ f<br />

i i i<br />

i<br />

θ<br />

( )<br />

T<br />

⎧<br />

T<br />

{ u(<br />

) u ( } = E⎨∑<br />

i<br />

fi<br />

i<br />

( )<br />

j<br />

f<br />

j j<br />

( )<br />

C<br />

u<br />

= E )<br />

∑<br />

⎩ i<br />

j<br />

C<br />

u<br />

∑<br />

i<br />

i<br />

i<br />

∑<br />

= f f<br />

j<br />

j<br />

T<br />

j<br />

E<br />

{ ( ) ( )}<br />

i<br />

j<br />

⎫<br />

⎬<br />

⎭<br />

Principal Component Analysis 55


λθ<br />

θ ψ<br />

θ<br />

λ<br />

als Reihenentwicklung. Man kann die Größen <strong>de</strong>r Reihenentwicklung bestimmen, in<strong>de</strong>m man die Entwicklung die Kovarianzmatrix <strong>de</strong>r Elemente <strong>de</strong>s Zufallsvektors einsetzt. Man arbeitet jetzt auf die Lösung <strong>de</strong>s Eigenwertproblems hin, wie <strong>de</strong>r SVD skizziert, man bil<strong>de</strong>t also die Kreuzmatrix. Ansatz<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 56<br />

ψ<br />

θλ<br />

ψ<br />

ψ<br />

θ<br />

θ<br />

λ<br />

ψ<br />

θ<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Karhunen Loeve Entwicklung<br />

Ansatz:<br />

u(<br />

∑<br />

) = λ f<br />

i i i<br />

i<br />

θ<br />

( )<br />

T<br />

⎧<br />

T<br />

{ u(<br />

) u ( } = E⎨∑<br />

i<br />

fi<br />

i<br />

( )<br />

j<br />

f<br />

j j<br />

( )<br />

C<br />

u<br />

= E )<br />

∑<br />

⎩ i<br />

j<br />

C<br />

u<br />

∑<br />

i<br />

i<br />

i<br />

∑<br />

= f f<br />

j<br />

j<br />

T<br />

j<br />

E<br />

{ ( ) ( )}<br />

i<br />

j<br />

⎫<br />

⎬<br />

⎭<br />

Principal Component Analysis 56


λ<br />

ψ<br />

θ<br />

<strong>de</strong>r Orthogonalität ergibt sich eine Vereinfachung . Über Gewichtung mit <strong>de</strong>n Eigenvektoren wird das Problem in ein Eigenwertproblem überführt, für welches Algorithmen <strong>zur</strong> Verfügung stehen. Wegen<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 57<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Karhunen Loeve Entwicklung<br />

Ansatz:<br />

u ( )<br />

C<br />

C<br />

∑<br />

= f<br />

f f<br />

λ<br />

i i i<br />

i<br />

T<br />

u<br />

i i i<br />

θ<br />

u<br />

f<br />

= ∑<br />

i<br />

j<br />

( )<br />

T<br />

= ∑ λ<br />

ififi<br />

f<br />

j<br />

= ∑<br />

i<br />

j<br />

λ f<br />

j<br />

j<br />

Principal Component Analysis 57<br />

( C − I) = 0<br />

u<br />

j<br />

λ<br />

f<br />

j


Eigenwerte <strong>de</strong>s KLE repräsentieren die Schwingstärke einer Komponente, die Eigenfunktionen die Schwingform. Man geht also davon aus, dass die durch die Eigenfunktion, die Stärke durch <strong>de</strong>n Eigenwert beschrieben wird, dass sich also bei einer Erhöhung bzw. Än<strong>de</strong>rung <strong>de</strong>r Anregung die<br />

nichtän<strong>de</strong>rt son<strong>de</strong>rn nur <strong>de</strong>ren Amplitu<strong>de</strong>n. Än<strong>de</strong>rt sich die Schwingform, muss man unterschiedliche Betriebszustän<strong>de</strong> Die<br />

die dann auch individuell zu kalibrieren wären. <strong>de</strong>finieren,<br />

Auf Basis <strong>de</strong>r KLE ist bei einer ausreichen<strong>de</strong>n Anzahl von Schwingungsaufnehmern auch eine Betriebs-Modalanalyse durchführbar. Dabei ist die Zahl <strong>de</strong>r Aufnehmer an <strong>de</strong>r Struktur hinreichend großzu wählen, so dass die Schwingform aus <strong>de</strong>n Messpunkten rekonstruierbar ist. Im Fall <strong>de</strong>r Schallabstrahlung lediglich sicher stellen, dass die Komponenten immer einwandfrei richtig zuzuordnen sind, die Schwingform selbst ist dabei von untergeordneter Be<strong>de</strong>utung (nur bei benachbarten, schwer trennbaren Komponenten).<br />

58 Ingenieure für <strong>Akustik</strong> <strong>Kolerus</strong>: J.<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Principal Component Analysis PCA<br />

Quelle:<br />

– Gemessene Größ<br />

ößen<br />

u i (t)<br />

Ergebnis:<br />

– Eigenwerte λ i<br />

– Eigenfunktionen f i (t)<br />

Stärke<br />

Schwingform<br />

Zielrichtungen<br />

– Komponententrennung<br />

– Entrauschen<br />

– Datenreduktion<br />

Principal Component Analysis 58


wäre eine Begründung dafür, die numerische <strong>Akustik</strong> als eigenständige Disziplin zu klassieren und nicht als Erweiterung einer klassischen FE auf winzig kleine Elemente. Wegen <strong>de</strong>r schlechten Konditionierung bzw. <strong>de</strong>r hohen Mo<strong>de</strong>ndichte ist FE-Weg limitiert Die analytische Lösung geht DGL – Separationsansatz (Bernoulli)–Randwertproblem–Eigenfunktionen.<br />

Damit kommt man über Qua<strong>de</strong>r, Kugeln und Zylin<strong>de</strong>r nicht hinaus. Das<br />

reicht vielleicht für die untersten Eigenfrequenzen einer Lagerung, nicht aber für die <strong>Akustik</strong> Das<br />

Der akustische Weg: Man bestimmt die bzw. experimentell (Parameterschätzung) und setzt darauf eine analytische Behandlung auf. Man erhält damit Eigenfunktionen wie sie sind und beschränkt sich auch auf die, die auftreten.<br />

59 Ingenieure für <strong>Akustik</strong> <strong>Kolerus</strong>: J.<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Principal Component Analysis PCA<br />

• Die PCA ist eine Inversion <strong>de</strong>s<br />

Eigenwertproblems<br />

• Eigenfunktionen wer<strong>de</strong>n auf messtechnischer<br />

Basis i<strong>de</strong>ntifiziert<br />

• Beschränkung auf relevante Mo<strong>de</strong>n<br />

Principal Component Analysis 59


J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 60<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Betriebs-Modalanalyse<br />

Operational Modal Analysis<br />

OMA


Was es nicht alles gibt!<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 61<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

Operational Modal Analysis OMA<br />

• Messung KS<br />

• Messung <strong>de</strong>r Strukturantwort<br />

• Strukturerregung (nicht gemessen)<br />

– Umweltgeräusch<br />

– Betriebsgeräusch<br />

• Komponententrennung<br />

– Frequency Domain Decomposition (FDD)<br />

– Enhanced FDD (EFDD)<br />

• Komponente = Strukturmo<strong>de</strong><br />

Principal Component Analysis 61


Die OMA beruht auf <strong>de</strong>m 2.RI<br />

J. <strong>Kolerus</strong>: <strong>Akustik</strong> für Ingenieure 62<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

2. Rayleighintegral<br />

⎧<br />

∂G(<br />

r,<br />

r ′)<br />

⎫<br />

p( r ) = −∫ ⎨ jωρ<br />

u ( r′<br />

) G(<br />

r,<br />

r ′)<br />

+ p(<br />

r ′)<br />

⎬dS(<br />

r<br />

⎩<br />

∂n<br />

⎭<br />

S<br />

n<br />

′<br />

)<br />

[ G ( r,<br />

r′<br />

)] = 0<br />

p<br />

S<br />

1. Rayleighintegral<br />

⎡∂G<br />

( , ′<br />

u<br />

r r ) ⎤<br />

⎢ ⎥<br />

⎣ ∂n<br />

⎦<br />

S<br />

= 0<br />

2. Rayleighintegral<br />

{ j u ( r′<br />

) G(<br />

r,<br />

r ′)} dS(<br />

)<br />

p( r ) = −∫ ωρ<br />

r<br />

S<br />

n<br />

′<br />

Principal Component Analysis 62


Beitrag ist gedacht als Skizze zu Verfahren <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong> <strong>zur</strong> Ergänzung <strong>de</strong>r Vorlesung <strong>Akustik</strong> für Ingenieure. Es wird dabei kein Anspruch auf Vollständigkeit erhoben, so sind klassische Verfahren wie die Metho<strong>de</strong> <strong>de</strong>r finiten Elemente o<strong>de</strong>r die Metho<strong>de</strong> Ran<strong>de</strong>lemente hier auch nicht ansatzweise behan<strong>de</strong>lt. Das Paper soll lediglich einen Einblick geben in mo<strong>de</strong>rne Rechenverfahren, die auf Schallmessung und Signalanalyse basieren -für viele Verfahren in <strong>de</strong>r Der<br />

<strong>Akustik</strong> typisch. Ziel kann und soll es auf diesem Raum auch nicht sein, die Grundlagen für mathematische Entwicklungen technischen<br />

o<strong>de</strong>r für die Erstellung von Rechenprogrammen für solche Verfahren zu liefern. Der Studieren<strong>de</strong> soll lediglich jetzt <strong>de</strong>r Lage sein, Angebote von Herstellern hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit und Brauchbarkeit im Vorfeld zu beurteilen, aber auch einen Einstiegin Literaturrecherchen o<strong>de</strong>r Internetsuche zu fin<strong>de</strong>n.<br />

63 Ingenieure für <strong>Akustik</strong> <strong>Kolerus</strong>: J.<br />

<strong>Skizzen</strong> <strong>zur</strong> <strong>numerischen</strong> <strong>Akustik</strong><br />

ENDE

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