Gegenschall: Eine wichtige Methode im Kampf gegen Lärm aus Flugzeugtriebwerken



 Fan-Modell am Verdichterprüfstand
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Triebwerke: Quelle vieler unterschiedlicher Geräusche

Triebwerke sind nach wie vor die lautesten Geräuschquellen ziviler Verkehrsflugzeuge. Triebwerkslärm setzt sich aus vielen verschiedenen Einzelschallquellen zusammen. Im Wesentlichen sind das Strahllärm, Fanlärm, Verdichterlärm, Verbrennungslärm und Turbinenlärm, deren relativer Beitrag zur Gesamtlautstärke stark vom Triebwerkstyp abhängt.
Das so genannte Bypass-Verhältnis eines Triebwerks ist in diesem Zusammenhang ein besonders wichtiger Parameter. Es charakterisiert das Verhältnis des Luftmassenflusses durch den Triebwerksbypasskanal zum Luftmassenfluss durch den Triebwerkskern. Flugzeugtriebwerke aus den 60er Jahren gewannen ihren kompletten Schub aus dem Luftmassenfluss durch den Triebwerkskern. Die Luftmasse verließ das Triebwerk mit einer so hohen Geschwindigkeit, dass der hierbei entstehende donnernde Strahllärm den abgestrahlten Triebwerkslärm dominierte.

Strahllärm wird verringert

In jüngerer Zeit wurde der Triebwerksdurchmesser erhöht, um einen Teil des Massenflusses mit niedrigerer Geschwindigkeit um den Triebwerkskern herum zu leiten. Dies ermöglichte eine Verringerung der mittleren Strahlgeschwindigkeit, die eine deutliche Minderung des Strahllärms und gleichzeitig eine signifikante Treibstoffersparnis mit sich brachte. Der Wunsch nach Treibstoffersparnis war und ist ausschlaggebend dafür, dass der Trend zu höheren Bypassverhältnissen bis heute anhält. Da sich der Strahllärm proportional zur sechsten Potenz der Strahlgeschwindigkeit reduziert, tragen heute die anderen Lärmquellen des Triebwerkes sehr viel stärker zum Gesamtlärm bei. 

 Prinzip der Aktiven Lärmbekämpfung
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Rotor- und Fanlärm ist unterdrückbar

Die wichtigste Lärmquelle neben dem Strahllärm sind die so genannten Rotor- oder Fantöne, die man erfolgreich mit Hilfe der Aktiven Lärmunterdrückung bekämpfen kann. Das Prinzip dieser Technik soll an Hand von Abbildung 2 verdeutlicht werden: Die primäre Schallwelle, die der Fan-Rotor erzeugt (schwarze Linie in Abb.2) wird mit einer zweiten Schallwelle, dem so genannten "Gegenschall" überlagert. Diese wird von mehreren im Einlauf der Triebwerksgondel montierten Schallquellen erzeugt (grüne Linie in Abb.2). Das hieraus resultierende Schallfeld wird kontinuierlich von einem stromauf der Gegenschallquellen wandbündig eingebauten Sensorarray überwacht. Das Messergebnis des Arrays wird in einen Controller eingespeist, der die Eingangssignale für das Gegenschallfeld so berechnet, dass die Überlagerung beider Schallfelder minimal wird.
Die Anwendung der Aktiven Lärmunterdrückung ermöglicht eine höhere Dämpfung der Rotortöne als die relativ kurzen realen Triebwerkseinläufe, die mit passiven Dämpfungsmaterialien ausgekleidet sind.

Erfolgreiche Lärmforschung

Im Rahmen eines vom Bundesministeriums für Bildung und Forschung geförderten nationalen Projekts "Turbotech II" konnte im Jahre 2000 die Anwendung der Aktiven Lärmunterdrückung auf Rotortöne an einem realistischen Primärschallfeld erfolgreich demonstriert werden. An diesem Projekt waren das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) an den Standorten Köln und Berlin, der deutsche Triebwerkshersteller MTU Aero Engines in München und EADS Cooperate Research Center in Ottobrunn bei München beteiligt.
Das Schallfeld wurde von einem Fan-Modell mit einem Meter Durchmesser (siehe Abb. 1) im Verdichterprüfstand des DLR Instituts für Antriebstechnik in Köln erzeugt. 32 Mikrofone wurden zur Überwachung und Regelung des Schallfelds im Einlauf des Fan-Modells eingesetzt, 32 Lautsprecher zur Anregung des Gegenschallfelds angebracht. Einzelne Rotortöne konnten mit Hilfe der Aktiven Lärmminderungstechnik um bis zu 30 Dezibel reduziert werden. Das entspricht einer Verringerung der abgestrahlten Schallleistung des Einzeltons um 99,9 Prozent. Die gleichzeitige Dämpfung von zwei Tönen wurde ebenfalls erfolgreich demonstriert.
Das menschliche Ohr nimmt eine Verringerung eines Geräuschs von 10 Dezibel, das entspricht einer Verringerung der Schallleistung um 90 Prozent, als Halbierung der Lautstärke war. Dies hängt mit der speziellen Empfindlichkeitscharakteristik unseres Hörorgans zusammen. Die erzielte Dämpfung von 30 Dezibel wird somit vom Menschen als Achtelung der wahrgenommenen Lautstärke des reduzierten Tons "erfasst". Ende des Jahres 2000 wurde das Forschungsprojekt mit großem Erfolg abgeschlossen. 

Die Forschung geht weiter

Aktuell entwickeln wir die Ergebnisse von Turbotech II weiter. Dies geschieht im Rahmen eines vom Bundeswirtschaftsministerium im Luftfahrtforschungsprogramm III geförderten nationalen Projektes. Auf europäischer Ebene arbeiten wir zusammen mit den Triebwerksherstellern SNECMA, Rolls-Royce und MTU an der Optimierung und industriellen Umsetzung der Technik der Aktiven Lärmminderung.
Den Themen der alternativen Gegenschallquellen und effizienteren Regelungsverfahren unter Berücksichtigung optimaler Anordnungen von Gegenschallquellen und Regelungsmikrofonen widmet sich in speziellen Laboruntersuchungen die Abteilung Turbulenzforschung des Instituts für Antriebstechnik in Berlin.


Kontakt
Prof. Dr. Lars Enghardt
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Antriebstechnik
, Triebwerksakustik
Tel: +49 30 310006-28

Fax: +49 30 310006-39

E-Mail: Lars.Enghardt@dlr.de
URL dieses Artikels
http://www.dlr.de/schoollab/desktopdefault.aspx/tabid-1918/2803_read-4320/