Um den abgestrahlten Lärm von Flugzeugen effektiv mindern zu können, ist es notwendig, die einzelnen Schallquellen am Flugzeug zu orten und ihre Beiträge zu trennen. Dabei wird zum einen das Flugzeug als Gesamtsystem mit seinen verschiedenen Lärmquellen untersucht, zum anderen werden die Triebwerke des Flugzeugs im Detail analysiert, weil sie eine bedeutende Lärmquelle darstellen und einen komplexen inneren Aufbau aufweisen.
Quellortung und -trennung im Triebwerk
Die Ortung von Schallquellen innerhalb eines Triebwerks stellt eine große Herausforderung dar, weil es einerseits viele verschiedene Schallquellen im Triebwerk gibt (Brennkammer, Turbine, ...) und weil andererseits bereits jede Quelle für sich ein komplexes Schallfeld erzeugt. Weiter gesteigert wird die Komplexität der Schallfeldstruktur noch durch die vielfältigen Reflexionen an den inneren Kanalwänden. Vor diesem Hintergrund entwickeln wir neue Ortungsverfahren, die sich auf Informationen von einer Vielzahl von Mikrofonen im Triebwerk stützen. Dabei werden Signale eines vollständigen Mikrofongitters mit den Signalen ausgewählter Referenzsensoren kombiniert, welche in der Nähe der Hauptschallquellen Verdichter, Brennkammer und Turbine platziert sind (siehe Bild). Durch das Mikrofongitter kann das lokale Schallfeld in seiner komplexen räumlichen Struktur vollständing erfasst werden; und die einzelnen charakteristischen Moden oder Wellen, aus denen das Schallfeld besteht, lassen sich extrahieren. Die Signale des Mikrofongitters werden mit den Signalen der Referenzsensoren so kombiniert, dass das Schallfeld in die verschiedenen Anteile zerlegt wird, welche von den einzelnen Triebwerksstufen stammen. Da es jedoch in vielen Triebwerken nur schwer möglich ist, Referenzsensoren zu installieren, entwickeln wir auch Verfahren, die ohne solche Referenzsensoren auskommen. Der dadurch auftretende Informationsmangel wird ausgeglichen, indem die Schallquellen im Triebwerk geeignet modelliert werden. Hierfür wird sowohl ein allgemeiner Punktquellenansatz als auch ein verfeinerter Linienquellenansatz verfolgt – letzterer ermöglicht die Modellierung der Schallentstehung an den Kanten von Triebwerksschaufeln. Die Verfahren zur Quelltrennung und -ortung lassen sich sowohl auf tonale wie auch auf Rauschquellen anwenden und sind insbesondere geeignet, um Schäden im Triebwerk zu detektieren.
Statische Triebwerkstests
as Gesamtsystem Flugzeugtriebwerk strahlt ein Schallfeld ab, das sich aus den Beiträgen der einzelnen Triebwerkskomponenten zusammensetzt. Dabei dominieren in Flugrichtung die aus dem Einlauf des Triebwerks abgestrahlten Geräusche des Fans und des Verdichters, in rückwärtiger Richtung sind neben dem durch die Nebenstromdüse abgestrahlten Fanlärm die aus der Kerndüse des Triebwerks abgestrahlten Geräusche der Brennkammer und der Turbine, sowie der turbulente Strahl hinter dem Triebwerk die Hauptschallquellen. Um die Wirksamkeit einzelner akustisch optimierter Komponenten des Triebwerks im Betriebszustand zu validieren, bedarf es akustischer Messverfahren, die die Schallfeldbeiträge der einzelnen Abstrahlgebiete trennen können. Zur Erfassung geeigneter akustischer Messdaten werden üblicherweise Freifeldtests mit ruhenden Triebwerken – sogenannte statische Triebwerkstests – durchgeführt. Solche Freifeldtests dienen ebenfalls zur behördlichen Zertifizierung marktreifer Triebwerksmodelle. Richtlinien und Grenzwerte für die Durchführung entsprechender Tests sind in den Regularien der International Civil Aviation Organization (ICAO) in Annex 16, Volume 1 festgelegt. Die Abteilung Triebwerksakustik entwickelt Mess- und Analyseverfahren, um mit Hilfe von großen linearen Mikrofonarrays mit bis zu 250 Mikrofonen die Schallabstrahlung des gesamten Triebwerks zu untersuchen. Dabei sind die Ziele sowohl die Bestimmung der absoluten Quellstärken als auch die Ermittlung der Richtcharakteristiken der einzelnen Teilschallquellen. Um diese Ziele zu erreichen wurde das inverse Ersatzschallquellenverfahren SODIX entwickelt. Ein weiteres aktuelles Forschungsgebiet ist die Erweiterung der Mess- und analyseverfahren für den Einsatz in geschlossenen Triebwerksprüfhallen zur Vermeidung zeit- und kostenintensiver Freifeldtests. Die Herausforderungen bei diesem Vorhaben sind sowohl die Kontrolle der Zuströmung in das Triebwerk als auch die Berücksichtigung der Schallausbreitung in der Triebwerksprüfhalle.
Überflugmessungen
Weitere Informationen
Alle zwei Jahre findet in Berlin die vom DLR, der TU Berlin und der GfaI gemeinsam organisierte "Berlin Beamforming Conference" (http://bebec.eu) statt. Auf der Internet-Seite der BeBeC gibt es eine Literaturdatenbank zum Thema Schallquellenlokaliserung mit Mikrofonarrays: http://www.bebec.eu/literature