Um moderne Luftfahrttriebwerke und Verkehrsflugzeuge leiser zu machen, ist es wichtig, die Schallquellen möglichst genau beschreiben zu können. Schallmessungen mit einzelnen Mikrofonen, wie sie z.B. bei der Lärmzertifizierung verwendet werden, könne Informationen über die spektrale Zusammensetzung der Lärmsignatur eines Flugzeugs und deren zeitliche Entwicklung geben. Für die Entwicklung lärmmindernder Maßnahmen fehlt hier aber die Information, wo die einzelnen Schallquellen eigentlich liegen. Nur wenn bekannt ist, wo die Lärmquellen sich befinden, können konstruktive oder operative Maßnahmen zur Lärmminderung ergriffen werden. Mit Hilfe der Mikrofonarray-Technik können Schallquellen an ruhenden und an bewegten Objekten geortet und analysiert werden. Die Abteilung Triebwerksakustik des DLR verwendet Mikrofonarrays seit 1978, zuerst für Untersuchungen an Hochgeschwindigkeitszügen und dann an fliegenden Flugzeugen. Heute ist die Schallquellenlokalisierung mit Mikrofonarrays ein Standardverfahren in Forschungseinrichtungen und in der Industrie.
Equipment
Die Abteilung Triebwerksakustik verfügt über mehrere Datenerfassungsanlagen, von denen die größten Systeme bis zu 256 Eingangskanäle besitzen. Alle Kanäle können zeitsynchron mit hohen Abtastraten bis ca. 50 kHz bei und einer Auflösung von 24 bit aufzeichnen. Einzelne Kanäle können für die Erfassung von Hilfssignalen wie Zeitcodes, Drehzahlsignalen und optischen Positionstriggern konfiguriert werden. Für die verschiedenen Messaufgaben stehen sowohl hochgenaue ¼ Zoll Kondensatormessmikrofone als auch eigens entwickelte Elektretmikrofone, die sich durch eine hohe Robustheit auszeichnen, zur Verfügung. Damit können Messungen in vielfältigen Umgebungen, insbesondere auch unter Umwelteinflüssen im Freien realisiert werden.
Erweitertes Beamforming
Das Prinzip des klassischen Beamformings ist relativ einfach: die Signale vieler Mikrofone werden zeitgleich aufgezeichnet, danach werden die einzelnen Signale so zeitlich gegeneinander verschoben, dass die Laufzeit des Schalls zwischen jedem einzelnen Mikrofon und den Punkt am Objekt, der analysiert werden soll kompensiert wird. Wenn die laufzeitkorrigierten Mikrofonsignale dann addiert werden, so addieren sich Anteile, die von Quellen in diesem Punkt abgestrahlt werden konstruktiv, während sich Anteile von Signalen von Quellen
an anderen Orten statistisch wegmitteln. Dieses Verfahren wird als delay-and-sum beamforming bezeichnet. Üblicherweise wird diese Prozedur mit vielen in einer Ebene liegenden Punkten durchgeführt. Für jeden Punkt wird ein Spektrum des Schalldrucks berechnet. Damit können dann Karten der Schallquellen des Messobjekts für alle erfassten Frequenzbänder erstellt werden. Die Schallquellen an Verkehrsflugzeugen können nur im Überflug untersucht werden. Zur Fokussierung des Arrays auf das Flugzeug und zur Kompensation des Doppler-Effekts müssen der Flugpfad und die Fluggeschwindigkeit bekannt sein. In der Abteilung Triebwerksakustik wurde für solche Analysen das Programm ProSigMA entwickelt, dass die Lokalisierung von Schallquellen an bewegten Objekten ermöglicht, wobei die Ergebnisse zusätzlich um die nachteiligen Abbildungseigenschaften eines Mikrofonarrays bereinigt werden (Entfaltung mit der Punktverbreiterungsfunktion), um eine größere Dynamik der berechneten Schallquellenverteilungen zu erhalten.
SODIX
Trennung des Schallfelds in die Beiträge der einzelnen Triebwerkskomponenten mit SODIX
Das gesamte von einem Flugzeugtriebwerk abgestrahlte Schallfeld setzt sich aus den einzelnen Beiträgen des Einlaufs, der Düsen und des Strahls zusammen. Zur detaillierten Untersuchung dieser gerichteten Teilschallquellen bedarf es Analyseverfahren, die absolute Quellstärken und Richtcharakteristiken bestimmen können. Gängige Array-Verfahren wie klassisches Beamforming liefern aufgrund von Überlagerungseffekten mit den keine absoluten Ergebnisse und können außerdem die Richtcharakteristik der einzelnen Quellen aufgrund der räumlichen Mittelung über alle Mikrofonpositionen nur in sehr beschränktem Maße auflösen. Mit dem inversen Array-Verfahren SODIX (Source Directivity Modeling in Cross-Spectral Matrix) können die absoluten Beiträge der gerichteten Schallquellen durch die Modellierung von gerichteten Ersatzschallquellen bestimmt werden. Dabei wird für jede zu modellierende Schallquelle eine Quellstärke in Richtung eines jeden Mikrofons bestimmt. Die Modellierung erfolgt durch die Minimierung der Differenz zwischen der gemessenen und der mit den Ersatzschallquellen simulierten Kreuzsprektralmatrix. Die Auswertung statischer Messungen von Turbofan-Triebwerken auf Freifeldprüfständen mit SODIX haben gezeigt, dass die breitbandigen Schallquellen mit einer hohen räumlichen Auflösung modelliert werden können und die resultierende Fernfeldrichtcharakteristik sehr gut reproduziert werden kann. Ein weiteres Anwendungsgebiet für SODIX ist die Schallquellenlokalisierung im Windkanal, wo die Signale der einzelnen Mikrofone durch unkorrelierte Strömungsgeräusche beeinflusst sind. Hier erlaubt SODIX im Gegensatz zu klassischen Beamforming-Verfahren eine mathematisch korrekte Entfernung der Hauptdiagonalen der Kreuzspektralmatrix in der Berechung, wodurch der Einfluss des unkorrelierten Störschalls minimiert werden kann.