Mit Polytec verbindet LB-acoustics seit nunmehr fast 10 Jahren eine intensive und partnerschaftliche Beziehung. Ing. Helmut Ryback: „Als Exklusivpartner mit hoher Problemlösungskompetenz für messtechnische Aufgaben in Österreich, Slowakei, Tschechische Republik, Slowenien, Kroatien und Ungarn können wir auf viele interessante Applikationen mit den ausgezeichneten Produkten ? Polytec wurde 2005 vom AMA Fachverband für Sensorik e.V. mit dem Sensorik-Innovationspreis geehrt ? verweisen. Die Vielseitigkeit der Vibrometer eröffnet ein ganzes
Spektrum interessanter Forschungsanwendungen jenseits unserer Kernmärkte. Da es sich um eine berührungslose Messmethode handelt, kann damit natürlich an Aufgaben herangegangen werden, bei denen man sich früher nur auf Schätzungen verlassen musste, weil das Anbringen von Aufnehmern zum Teil nicht möglich war. So kann man in Abwandlung eines bekannten Slogans
durchaus fragen: „Schätzen Sie noch, oder messen Sie schon?“
Eine der wichtigsten Anwendungen von Laservibrometern in der Biologie ist die Kommunikation unter Insekten.
Bestimmte Insekten sind so winzig, dass ihre Signale eigentlich nur Schwingungen sind, die sich durch die Pflanze fortsetzen. Diese unhörbaren Laute spüren die Insektenkundler mit den Systemen auf. Andere Forscher untersuchen den Reifegrad von Obst, die Bewegung von Spinnennetzen oder den Gehörmechanismus von Fröschen oder Fruchtfliegen.
In der Medizin ermöglichen die Systeme z.B. Forschungen am Mittel- und Innenohr. Die Vibrometrie ermöglicht auch Messungen
der Funktion künstlicher Herzklappen, der Mechanik von Sehnen, der Rissausbreitung bei Knochenbrüchen sowie die Untersuchung von Schwingungen, die beim Bohren oder bei der Laserabtragung von Gewebe auftreten. Weitere wichtige Anwendungen finden sich in der Entwicklung von Geräten für Medizintechnik und Körperpflege, beispielsweise elektrischen Zahnbürsten, Dentalwerkzeugen und Beatmungsgeräten.
In der Akustik erzeugen Musikinstrumente und Lautsprecher durch Schwingungen gezielt angenehme Töne. Geigen, Cembalos, Hackbretter und andere Instrumente wurden schon mit Polytec-Geräten erforscht. Vibrometer werden auch für Resonanzuntersuchungen an Lautsprechern benötigt, um die beste Bauform für die Membranen zu finden. Vibrometermessungen schaffen experimentelle Grundlagen für anspruchsvolle akustische Fragestellungen, beispielsweise Schallabstrahlberechnung, akustisches
Imaging, Antischall und viele andere. Eine stark zunehmende Bedeutung gewinnt die Akustik in der Produktentwicklung.
Im Mittelpunkt steht dabei die Frage, ob und wo störende Geräusche am Bauteil entstehen und an welchen Stellen Gegenmaßnahmen am effektivsten ansetzen können.
Sehr viele schwingungstechnische Fragestellungen bietet die industrielle Forschung und Entwicklung. In der Kraftfahrzeug und
Luftfahrtindustrie müssen unerwünschte Schwingungen der Komponenten bereits in einer frühen Entwicklungsphase erkannt und verhindert werden. Die Laservibrometrie ermöglicht es, dynamische FE-Modelle mit Hilfe experimenteller Schwingungsmessungen an Mustern oder Prototypen zu optimieren. Dies gilt auch für kleinste schwingende Teile in elektronischen Schaltungen,
Datenspeichermedien und mikro-elektromechanischen Systemen (MEMS).
Auch als ideales Werkzeug für Materialuntersuchungen hat sich die Laservibrometrie bestens bewährt, sowohl für Messungen der Strukturdynamik als auch zur zerstörungsfreien Erkennung von Riss-, Ermüdungs- oder Delaminierungsschäden. Sehr viele Anwendungen gibt es bei der Funktions- und Langzeitüberwachung von Bauwerken und Anlagen, beispielsweise zur Ermittlung der Dynamik von Windrädern, der Schwankung von Hochhäusern oder der Resonanz von Drahtseilbrücken, die in der Vergangenheit schon mehrfach zu deren Zerstörung geführt hatte.
Auch exotische Effekte wie das laute Hupgeräusch (bis 110 dB), das bei der Entleerung von Futtersilos auftritt, konnten mit Polytec-
Vibrometern aufgeklärt werden.
Die „sprechende“ Wabe
Die Laservibrometrie hat sich in den letzten Jahren in vielen Bereichen als das Mittel der Wahl bei den unterschiedlichsten Anwendungen etabliert. Ob nun in der Werkstoff- und Materialforschung, in Meteorologie, Kalibration oder der Akustik, die Laservibrometer von Polytec (ÖV: LB-acoustics) empfehlen sich als hochpräzises Messsystem hier genauso wie in der Medizin, dem Gesundheitswesen und der Biologie. Der folgende Beitrag informiert über einen Teil der Kommunikation im „Superorganismus
Bienenstaat“.
Honigbienen leben in Staaten von im Mittel etwa 50.000 Individuen. Wir beginnen erst so allmählich den Reichtum des Informationsaustausches dieser faszinierenden
Geschöpfe zu verstehen. Moderne physikalische Methoden wie die Laservibrometrie gestatten es dabei, unsere Kenntnisse zum Einsatz mechanischer Signale in der Kommunikation zwischen den Honigbienen stark zu erweitern.
Sammelbienen, die eine neue Futterstelle entdeckt haben, führen im dunklen Stock den so genannten Bienentanz auf. Im zeitlich-räumlichen Aufbau der Tanzfigur steckt die Information über die geographische Lage des Futterplatzes. Diese Information wird während der Tanzbewegungen von der Tänzerin auf die im direkten Körperkontakt
mittanzenden Nachfolgebienen übertragen. Die hochkomplexe Kette der Informationsweitergabe beginnt im Stock damit, dass die anderen Bienen auf eine Tänzerin aufmerksam werden und sie aufsuchen. Oft bewegen sich mehrere Tänzerinnen
in Abständen von wenigen Bienenlängen voneinander, wobei unterschiedliche Futterstellen gleichzeitig angezeigt werden können.
Die anlockenden Signale, die diese Tänzerinnen aussenden, sollten, um gegenseitige Störungen zu minimieren und um nicht zu viele Bienen anzulocken, eine geringe Reichweite besitzen.
Diese Funktion erfüllen Wabenvibrationen, die durch die Tänzerinnen generiert werden. Die Messung dieser Wabenschwingungen erwies sich als extrem schwierig, da ein aktives Volk für einen ständigen enormen Rauschpegel sorgt. Mittels berührungsloser Laser-Doppler-Vibrometrie konnte jedoch, wenn die Bewegungsphasen der Biene und die Zeitfenster der Analyse sehr exakt abgestimmt wurden, auf der Wabe direkt neben einer Tänzerin gemessen werden.
Die tanzbedingten Frequenzen, die man dabei messen kann, liegen im Bereich zwischen 200 und 300 Hz. Dabei treten Pulse von ca. 30 ? 50 Millisekunden Länge auf. Eine wichtige Rolle der
für uns auffallenden Schwänzelbewegung besteht darin, die Vibrationspulse der Flugmuskulatur effektiv an die Wabe anzukoppeln.
Wie gut leiten Waben Schwingungen?
Unter einigen vereinfachenden Annahmen kann man davon ausgehen, dass eine Tänzerin während der Schwänzelstrecke die Kraft von maximal 1 mN auf die Ränder der Zellen ausübt. Auf dieser Grundlage wurden im Experiment die Ränder der Zellen einer leeren Wabe mit dieser Kraft und dem Frequenz- und Zeitmuster, wie es für Tänzerinnen gemessen wurde, angeregt, um zu untersuchen, ob, wie, welche und wie gut Schwingungen über die Wabe geleitet werden. Dabei zeigte sich, dass die Waben die Schwingungen im untersuchten Frequenzbereich am besten als horizontale Verschiebungen des Netzes, gebildet aus den Zellrändern, weiterleiten.
Versteckt im Rauschen
Ein Problem taucht auf, wenn man bedenkt, dass in einer rauschartigen Anregung, wie sie durch die Aktivität aller Bienen auf einer Wabe auftritt, ebenfalls Wabenschwingungen im Sendebereich
der Tänzerinnen auftreten. Das Signal kann also im Rauschen versteckt sein.
Die Verhaltensreaktionen der Bienen, die in
der Nähe einer Tänzerin auf einer Wabe stehen oder gehen, zeigen aber, dass die Tänzerin sehr zuverlässig erkannt wird. Neben der hohen Wahrscheinlichkeit, dass parallel weitere Informationskanäle (Luftbewegung, höhere Körpertemperatur der Tänzerin, chemische Reize) genutzt werden, bietet auch die Wabenschwingung selbst Optionen zur Lösung dieses Signal/Rauschproblems.
Bienen stehen mit sechs Füssen auf den Zellrändern und verfügen somit über sechs simultan arbeitende Sensoren. Mit Hilfe
zweier identischer Polytec OFV Einpunkt-Laservibrometer wurde an leeren Waben die Schwingung der Zellränder an zwei Stellen
gleichzeitig gemessen. So konnte nachvollzogen werden, was zumindest zwei der sechs Bienenbeine gleichzeitig wahrnehmen können.
Schwingungsknoten
Bei der bestübertragenen Frequenz in einer gesamten Reihe von Zellen quer über die ganze Wabe hinweg schwingen alle gegenüberliegenden Wände jeder einzelnen Zelle in die gleiche
Richtung. Man findet jedoch in jeder Zellreihe eine einzige Zelle, deren Wände in exakter Gegenphase schwingen (Schwingungsknoten).
Diese Zelle ist je nach Lage des Anregungspunktes zwischen einer und sieben Zellen vom Anregungsort entfernt. Es ist denkbar, dass die auf den Zellrändern stehenden oder gehenden Bienen diese besondere Zelle erkennen und als Nähe zu einer Tänzerin deuten. Der maximale Abstand, aus dem die Folgebienen noch von einer Tänzerin angelockt werden, liegt nämlich bei genau sieben Zellen.
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