Akustische Modenanalyse in Strömungskanälen
Ein etablierter Ansatz zur Bestimmung der Modenamplituden besteht in der Messung bzw. Berechnung von Schalldruckamplituden auf einem regelmäßig aufgebauten Gitter von Kanalpositionen. Auf einem Ringgitter vorliegende Schalldruckdaten können mittels der Azimutalmodenanalyse in Wellen unterschiedlicher azimutaler Ordnungen zerlegt werden. Die Azimutalmodenamplitude hängt im allgemeinen Fall noch von der axialen und radialen Kanalposition ab und erlaubt keine quantitativen Aussagen z. B. zur transportieren Schallleistung. Werden jedoch Azimutalmodenanalysen an mehreren axialen und radialen Positionen durchgeführt, so können die Daten für eine vollständige Zerlegung in die radialen Ordnungen durch Anpassung an ein Schallausbreitungsmodell genutzt werden. In der experimentellen Umsetzung wird das Schalldruckfeld mit einem Array von Mikrofonen vermessen, die entweder bündig in die Kanalwand eingesetzt oder radial über den Kanalquerschnitt in Form von Rechen angeordnet sind (vergleiche nebenstehendes Bild). Vollständige Modenanalyse bei hohen Frequenzen erfordern Messungen an einer großen Anzahl von Messorten, die sich nur mit drehbaren Sensoranordnungen realisieren lassen
(X)TPP-Verfahren
Typischerweise stellt ein instationäres Strömungsfeld in einer Turbomaschine eine Überlagerung von einer zeitlich konstanten Hintergrundströmung und zeitlichen Schwankungen dar. Letztere wiederum bestehen aus Schallwellen, Entropieschwankunge und Wirbelstärkeschwankungen. Entropie- und Wirbelstärkeschwankungen können unter dem Begriff konvektive Schwankungen zusammengefasst werden, da sich diese konvektiv mit der mittleren Strömung ausbreiten und nur die akustischen Schwankungen eine omnidirektionale Ausbreitung mit klassischem Wellencharakter erfahren. Im Rahmen der konventionellen Modenanalyse (Tripple Plane Pressure mode matching (TPP)) von CFD-Daten wird das Schwankungsfeld im Strömungskanal als eine Überlagerung der unterschiedlichen Rohrmoden, also nur akustischen Komponenten, dargestellt. Sind im Strömungsfeld starke Wirbelstärke- oder Entropieschwankungen vorhanden, so stören diese die Ergebnisse der Modenanalyse. Die konventionelle Modenanalyse wird nun in der Hinsicht erweitert, dass das Schwankungsfeld in eine Summe aus Rohrmoden und konvektiven Schwankungen entwickelt wird. Die Analysequalität und Robustheit der Modenanalyse konnte auf diese Weise erheblich gesteigert werden. Mit dem eXtended Tripple Plane Pressure mode matching (XTPP) ist es möglich die akustische Auswertung der CFD-Daten in unmittelbarer Nähe stromab von Einbauten, wie z.B. Statorschaufeln, durchzuführen. Dies kann direkt in eine Reduktion der Gittergröße der CFD Simulation umgesetzt werden, wodurch die Rechenzeit reduziert werden kann.
Filterung turbulenter Druckschwankungen in der Analyse breitbandiger Geräuschkomponenten
Über die Bestimmung der Modalamplituden der Rotor-Stator Interaktionstöne hinaus, ist auch das von Turbomaschinen erzeugte Breitbandgeräusch von Interesse. Erfolgt eine Messung mit wandbündigen Mikrofonen, so werden die durch die Fanstufe aufgeprägten Wirbelstärkenschwankungen um die Schwankungen in der turbulenten Grenzschicht erweitert. Letztere breiten sich mit einer durch die Grenzschicht verminderten Strömungsgeschwindigkeit aus. Weiterhin kann das gemessene Signal auch durch akustische Reflektionen oder Störquellen fehlerbehaftet sein. Werden mehrere Mikrofone zu einem linearen Array zusammengeschlossen, lassen sich so die verschiedenen Signalanteile über ihrer Wellenzahl separieren. Basierend auf einer Kreuzspektralmatrix wird über eine räumliche Fourier-Transformation das Wellenzahl-Frequenzspektrum erzeugt. Aufgrund der an die Ausbreitungsgeschwindigkeit gekoppelten, festen Beziehung von Frequenz und Wellenzahl, können die hydrodynamischen und die akustischen Signalanteile identifiziert und separiert werden. Darüber hinaus ist es möglich, die akustischen Druckschwankungen nach ihrer Ausbreitungsrichtung zu trennen und entgegengesetzt zur betrachteten Quelle positionierte Störquellen zu isolieren. Spektren der einzelnen Signalkomponenten lassen sich mittels inverser Fourier-Transformation über den entsprechenden Wellenzahlbereich berechnen. Das Verfahren ermöglicht somit eine deutlich genauere Charakterisierung von Quellen und lärmmindernden Maßnahmen als das Autoleistungsspektrum. Es findet Anwendung in der Bestimmung des Einfügedämmmaßes von Linern, sowie in der Ermittlung von Referenzdaten für die Modellbildung von Schallentstehungsmechanismen.