PSD & Random Vibration – Grundlagen für Schwingungsprüfungen.
Diese Seite fasst die wichtigsten Begriffe rund um Power Spectral Density (PSD), Random-Vibration-Profile, typische Normen und Anwendungsbereiche zusammen – als praxisnahe Ergänzung zur App PSD Profile Calculator.
Was ist Power Spectral Density (PSD)?
In der Schwingungsprüfung ist die Power Spectral Density (PSD) eine Darstellung, wie sich die Schwingungsenergie über die Frequenz verteilt. Statt einzelne Amplitudenwerte zu betrachten, beschreibt die PSD ein Leistungsniveau pro Hz – angegeben z. B. in g²/Hz.
Ein Random-Vibration-Testprofil besteht typischerweise aus mehreren Frequenzpunkten mit zugehörigen PSD-Werten. Zwischen diesen Punkten wird meist linear im log-log-Diagramm interpoliert, sodass ein zusammenhängendes Profil entsteht.
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- Y-Achse: PSD-Level (g²/Hz)
- X-Achse: Frequenz (Hz), meist logarithmisch
- Integration über das Profil liefert grms und daraus xrms
Beziehung zu grms und xrms
Ist G(f) die PSD in g²/Hz, dann ergibt sich das gesamte grms aus dem Integral über das Frequenzband. Über das Übertragungsverhalten (hier: ideal verschobene Masse) lässt sich daraus eine Abschätzung von Weg und Kraft ableiten.
- grms² = ∫ G(f) df
- xrms² ∝ ∫ (G(f) / f⁴) df
Die App integriert bandweise zwischen den Eckpunkten, um grms, xrms sowie Hub p-p und Profilkräfte abzuschätzen.
Random vs. Sinus
In der Praxis werden Schwingungsprüfungen häufig als Random-Vibration (breitbandiges Rauschen) oder als Sinus-Scan durchgeführt. Randomtests mit PSD-Profilen sind besonders geeignet, um die Belastung aus realen Betriebszuständen zu simulieren (z. B. Straße, Turbulenz, Anregungen im Fahrzeug).
- Sinus: einzelne Frequenzen, Amplituden in m/s² oder g, meist mit Sweep über ein Band.
- Random: Leistungsdichte über ein Frequenzband, definiert über PSD (g²/Hz).
Für die Auslegung der Shakerkraft spielt grms in Verbindung mit der Prüflingsmasse eine zentrale Rolle.
Bezug zum PSD Profile Calculator
Der PSD Profile Calculator unterstützt zwei Wege:
- Einfach-Modus: direkte Eingabe von arms-Stufen je Frequenz.
- PSD-Modus: Eingabe von G(f) in g²/Hz, Integration zu grms und xrms.
So lassen sich aus vorhandenen Spezifikationen oder Normprofilen schnell Kraft und Hub p-p abschätzen – als Grundlage für Prüfplanung, Angebotsauslegung oder grobe Systembewertung.
Sinus auf Random (SoR)
Typische Normen & Profile (Auswahl)
Je nach Branche existieren unterschiedliche Normen und herstellerspezifische Spezifikationen für Random-Vibration. Die folgende Übersicht ist nicht vollständig, gibt aber ein Gefühl für typische Quellen von PSD-Profilen.
| Norm / Dokument | Anwendungsbereich | Hinweis |
|---|---|---|
| IEC 60068-2-64 | Allgemeine Umweltprüfungen, Random-Schwingung | Definiert Verfahren für breitbandige Random-Vibrationstests mit PSD-Profilen. |
| MIL-STD-810 (z. B. Method 514.x) | Militärische / robuste Anwendungen | Enthält typische Vibrationsprofile für Land, Luft und See – häufig als PSD angegeben. |
| ISO 16750-3 | Automotive Elektronik / Straßenfahrzeuge | Beschreibt u. a. Vibrationsbelastungen für Komponenten im Fahrzeug. |
| Herstellerspezifische Profile | OEM-Spezifikationen | Viele OEMs stellen eigene PSD-Profile für bestimmte Einbauorte und Einsatzfälle bereit. |
Für konkrete Prüfaufbauten ist immer die jeweils gültige Norm bzw. Kundenspezifikation maßgeblich. Diese Seite liefert lediglich eine Zusammenfassung und ersetzt keine Normenlektüre.
Typische Anwendungsbereiche
Random-Vibration-Profile und PSD-basierte Berechnungen kommen in vielen Branchen vor – vom Fahrzeug bis zur Elektronik im Labor.
Automotive
Komponenten im Fahrzeug sind häufig Vibrationen durch Straße, Antrieb und Umgebung ausgesetzt. Random-Vibration-Tests mit PSD-Profilen helfen, die Dauerhaltbarkeit im realistischen Frequenzspektrum zu prüfen.
- Steuergeräte, Sensoren, Aktoren
- Komponenten in Motorraum, Fahrgastraum, Fahrwerk
- Elektronikmodule in Nutzfahrzeugen und Off-Highway
Aerospace & Bahn
In Luft- und Raumfahrt sowie im Bahnverkehr wird Random Vibration genutzt, um Turbulenzen, Startvorgänge oder Gleisunebenheiten zu simulieren. Die resultierenden Kräfte an Shaker und Prüfling müssen dabei sicher beherrscht werden.
- Elektronikbaugruppen in Flugzeugen und Satelliten
- Komponenten in Schienenfahrzeugen
- Racks, Gehäuse und Befestigungen
Industrie & Labor
Auch in der allgemeinen Industrie, im Maschinenbau oder in Prüflaboren kommen PSD-Profile zum Einsatz, etwa zur Qualifizierung von Produkten für Transport-, Lager- oder Betriebsbelastungen.
- Elektronik- und Geräteprüfung
- Transport-Simulation auf dem Shaker
- Entwicklung und Optimierung von Halterungen
Wie die App unterstützt
In allen genannten Bereichen steht am Anfang oft die Frage: „Reicht mein Shaker aus?“ oder „Welche Kraftreserve benötige ich?“.
Der PSD Profile Calculator hilft, aus einem Profil mit wenigen Eckpunkten oder Stufen eine grobe Kraft- und Wegabschätzung zu erhalten – als Ergänzung zu detaillierten Simulations- oder Auslegungswerkzeugen.
