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Akustische Modenanalyse in Strömungskanälen

Schalldruckverteilung einer Mode der Ordnung (m, n) = (2, 2) im  Kanalquerschnitt . Schalldruckverteilung einer Mode der Ordnung (m, n) = (2, 2) an der Kanalwand . Mikrofonanordnung zur Schallfeldanalyse

Das von Turbomaschinen und Ventilatoren in die angeschlossenen Strömungskanäle abgestrahlte Schallfeld kann sehr komplex sein. Oberhalb einer für den Strömungskanal charakteristischen Frequenz breitet sich der Schall in Form höherer akustischer Moden aus. Eine akustische Mode ist durch die so genannte Modenordnung gekennzeichnet, welche die Anzahl Schalldruckmaxima und Schalldruckminima in Umfangsrichtung beziehungsweise in radialer Richtung des Kanals angibt. Das durch die Überlagerung der verschiedenen akustischen Moden im Kanal entstehende Schalldruckmuster ist in alle Raumrichtungen veränderlich.

Messprinzip

Ziel der akustischen Modenanalyse ist entweder die Bestimmung aller Moden oder nur der dominanten Moden im Kanal. Hierzu wird im ersten Schritt die Schallfeldstruktur mit Mikrofonen an der Kanalwand oder im Kanalinneren gemessen. Die Anzahl der für die Analyse notwendigen Messstellen hängt von der Anzahl Moden und den Modenordnungen ab. Für die Analyse hoher Modenordnungen kann der Einsatz einer drehbaren Mikrofonanordnung erforderlich sein, mit der das Schallfeld an zeitlich und räumlich aufeinander folgenden Stellen abgetastet wird. Im zweiten Schritt werden die Moden durch Anpassung der gemessenen Signale an ein Modell für die Schallausbreitung im Kanal ermittelt. Die Umgebungstemperatur, die Strömungsgeschwindigkeit und die Rohrgeometrie gehen dabei als Randbedingungen ein.

Anwendung

• Bestimmung der in und gegen die Strömungsrichtung abgestrahlten tonalen Schallleistung aller Moden
• Identifizierung dominanter Schallentstehungsmechanismen
• Bewertung von passiven Lärmminderungsmaßnahmen, z.B. durch veränderte Geometrie des Leitrades
• Untersuchung von aktiven Lärmminderungsmaßnahmen
  

Projekte

Einsatz der akustische Modenanalyse im Rahmen verschiedener national und durch die EU geförderter Forschungsvorhaben:
Turbotech II (AG Turbo), Leiser Flugverkehr, NASGeT (LuFo III), RESOUND, Ranntac, SILENCER

• mehr Informationen zur Schallfeldanalyse an einer Niederdruckturbine (RESOUND)

Literatur

• Holste, F., Neise, W.: Noise Source Identification in a Propfan Model by Means of Acoustical Near Field Measurements. Journal of Sound and Vibration, 203(4), pp. 641-665, 1997.
• Enghardt, L.; Zhang, Y.; Neise, W.: Experimental verification of a radial mode analysis technique using wall-flush mounted sensors. Invited Paper, Paper 3pPA5. Collected Papers from the Joint Meeting "Berlin 99" TU-Berlin, March 14-19, 1999, 137th regular meeting of the Acoustical Society of America, 2nd convention of the EAA: Forum Acusticum - integrating the 25th German Acoustics DAGA Conference; ISBN 3-9804568-5-4.