Was ist zufällige Vibration?
Zufällige Vibration ist jede Vibration, die keinem Muster folgt. Es ist zum Teil in einer Vielzahl von mechanischen und elektrischen Systemen vorhanden. Obwohl zufällige Vibrationen nicht genau vorhergesagt werden können, können Statistiken nützliche Informationen für Vibrationsumgebungen generieren. Autos auf der Autobahn und Raketenschüsse sind zwei Situationen, die starken zufälligen Vibrationen ausgesetzt sind. Ingenieure verwenden statistische Daten, um diese Schwingung im Labor zu simulieren.
Bestimmte Wahrscheinlichkeiten des zufälligen Schwingungsverhaltens können häufig vorhergesagt werden. Wenn beispielsweise ein Auto auf der Autobahn in vertikaler Richtung zufällig vibriert, können seine zukünftigen Positionen über dem Boden nicht genau ermittelt werden. Die Wahrscheinlichkeit, dass sich das Auto über einer bestimmten Höhe befindet, kann jedoch vorhergesagt werden. Dies ist möglich, weil das zufällige Verhalten einer Normalverteilung oder „Glockenkurve“ folgt. Das Verhalten eines solchen Systems kann mit statistischen Hilfsmitteln analysiert werden.
Die statistische Analyse kann Informationen wie den Durchschnittswert vieler Messungen liefern. Im Beispiel eines Autos kann die durchschnittliche Höhe über dem Boden etwa 30,5 cm betragen. In einer ausreichend großen Stichprobe von Messungen kann die Statistik auch Standardabweichungen ergeben. Eine Standardabweichung ist der Abstand vom Mittelwert, der 68,2% aller Datenpunkte enthält. Für den Auto-Vibrationstest können 68,2% der Höhenmessungen innerhalb von 2,54 cm (1 Zoll) von der mittleren Höhe liegen.
Wenn die Standardabweichung der Testdaten berechnet wurde, können Ingenieure damit Produkte entwerfen. Die zufälligen Vibrationsbedingungen auf vielen verschiedenen Autobahnen sind ähnlich, sodass die statistischen Daten ziemlich zuverlässig sind. Ingenieure verwenden diese Daten, um die Vibrationsbedingungen in einem Labor zu replizieren, in dem es einfacher ist, Tests an verschiedenen Produktkonstruktionen durchzuführen.
Eine andere Situation, in der zufällige Vibrationen auftreten, ist ein Raketenstart. Raketennutzlasten verspüren beim Zünden des Motors einen anfänglichen Vibrationsschub. Einige Sekunden später treten Vibrationen hauptsächlich durch das Verbrennen des Motors auf. Nachdem die Rakete die Schallgeschwindigkeit überschritten hat, werden Vibrationen hauptsächlich durch Stoßwellen und aerodynamische Effekte auf das Fahrzeug verursacht. Später können kleinere Triebwerke Vibrationen verursachen, die die Ausrichtung der Rakete korrigieren.
Wie beim Auto müssen Raketen und ihre Nutzlasten so konstruiert sein, dass sie zufälligen Vibrationen standhalten. Ingenieure müssen die statistischen Daten der Schwingung kennen, damit sie diese Bedingungen im Labor reproduzieren können. Es wäre unpraktisch, jedes Mal eine Testrakete zu starten, wenn ein neues Nutzlastdesign getestet werden musste. Die Ingenieure setzen vielmehr Sensoren auf die abgefeuerten Raketen und verwenden diese Daten später.