FG Technische Akustik
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Die Interaktion einer turbulenten Zuströmung mit der Vorderkante eines aerodynamischen Profils ist ein dominierender Schallentstehungsmechanismus, der beispielsweise an Ventilatoren in Klimaanlagen, Windkrafträdern und Rotor-Stator-Konfigurationen in Turbomaschinen auftritt. In der vorliegenden Arbeit wird die breitbandige Schallentstehung infolge dieses Mechanismus experimentell untersucht. Der Versuchsaufbau im aeroakustischen Windkanal besteht aus einem Profil und einem Zylinder mit kreisrundem Querschnitt, der zur Generierung der turbulenten Profilzuströmung stromauf des Profils installiert ist (Zylinder-Profil-Konfiguration). Die Profilzuströmung wird nacheinander durch Nutzung von fünf Zylindern unterschiedlicher Durchmesser und durch das Einstellen fünf verschiedener Abstände zwischen Zylinder und Profilvorderkante variiert. Insgesamt wird die aeroakustische Schallentstehung an der Profilvorderkante für 50 Zylinder-Profil-Konfigurationen untersucht, wobei die Zylinder-Zuströmgeschwindigkeit für jede Konfiguration zusätzlich in 26 Schritten zwischen 26 m/s und 72 m/s vorgegeben wird. Der von den Experimenten abgedeckte Machzahlbereich liegt zwischen 0,075 und 0,21 und der Bereich der mit dem Zylinderdurchmesser gebildeten Reynoldszahl liegt zwischen 8,3·10³ und 7,3·10⁴. Der generierte Schall wurde mit einem Mikrofonarray aufgezeichnet. Der infolge der turbulenten Zuströmung an der Profilvorderkante generierte Schall wird während der Analyse der Mikrofonarraymessdaten mit erweiterten Beamforming-Algorithmen (Entfaltungsverfahren) von den anderen Schallquellen getrennt. Somit ist sichergestellt, dass ausschließlich die Schallentstehung an der Vorderkante des Profils und hiermit die Schallentstehung durch turbulente Zuströmung untersucht wird. Insgesamt wurden über 2000 einzelne akustische Messungen durchgeführt, die zusammengenommen ein Datenvolumen von ca. 1,7 TByte aufweisen. Neben den akustischen Messungen wurden für ausgewählte Zylinder-Profil-Konfigurationen Hitzdrahtmessungen durchgeführt, um die Profilzuströmung im Bereich der Profilvorderkante zu charakterisieren. Auf Basis der Analyse der umfangreichen Messdaten wird mit Hilfe einer Dimensionsanalyse ein empirisches Modell zur Abschätzung der Schallentstehung bei inhomogener turbulenter Zuströmung entwickelt. Zudem werden einige für homogene Zuströmung vorhandene Modelle für inhomogene Zuströmbedingungen adaptiert. Die Eignung der getesteten Modelle wird anhand des Vergleichs von Modell- und Messergebnissen diskutiert.
The use of open-porous, flow-permeable materials is one possible method to reduce the generation of flow induced noise, for example at the trailing edge of wings or airfoils. Subject of the present dissertation is an experimental study of the noise generation at the trailing edge of porous airfoils compared to that of a non-porous reference airfoil of equal chord length. This includes the investigation of the mechanisms responsible for the noise reduction. Additionally, it is of special interest how the different parameters of the porous materials affect the noise generation. Detailed experiments were conducted on a non-porous reference airfoil and a set of 16 porous airfoils at various flow speeds in an open jet wind tunnel. All measurements were performed in subsonic flow, the corresponding maximum chord based Reynolds number is approximately 780,000. The porous materials are mainly characterized by their air flow resistivity. The acoustic measurements were performed using microphone array technology and the resulting data were processed by the application of an advanced three-dimensional beamforming algorithm. To include the aerodynamic efficiency of the porous airfoils in the analysis of the potential trailing edge noise reduction, the corresponding lift forces and drag forces have been measured. Additional hot-wire measurements in the turbulent boundary layer of a subset of the airfoils were performed to enable conclusions on the physical mechanisms that are responsible for the trailing edge noise reduction. In the examined range of frequencies, it was found that a noticeable trailing edge noise reduction can be achieved through the use of porous airfoils despite losses in aerodynamic efficiency. The highest noise reduction per unit lift force was measured for porous airfoils with medium to high air flow resistivities. While a trailing edge noise reduction was observed mainly at medium frequencies, the trailing edge noise spectra of porous airfoils with low and medium air flow resistivities were found to exceed the trailing edge noise of the reference airfoil at high frequencies. This is assumed to be a contribution of surface roughness noise, since the porous materials are characterized by an increased surface roughness compared to the rather smooth surface of the reference airfoil. The boundary layer thickness as well as the boundary layer displacement thickness of the porous airfoils are noticeably larger than that measured at the reference airfoil. The examination of spectra of the turbulent velocity fluctuations showed that the peak measured above the trailing edge of the porous airfoils is at a noticeably lower frequency than that measured at the reference airfoil. Additionally, turbulence spectra measured at different chord positions along the surface of the airfoils revealed that the cause of the measured trailing edge noise reduction at medium and high frequencies may be a shift of the spectra toward lower frequencies with increasing chord position. And while this shift could be observed for both the reference airfoil and the porous airfoils, it is notably stronger for the porous airfoils. The results of the hot-wire measurements also lead to the assumption that the high frequency range of the velocity fluctuations is damped when the turbulence convects over the surface of the porous airfoils, an effect called hydrodynamic damping. Based on turbulence spectra measured above the trailing edge of five airfoils, a simple trailing edge noise prediction model was developed following the fundamental theory by Ffowcs Williams and Hall on the generation of noise in the vicinity of the edge of a semi-infinite flat plate. It is thereby assumed that the spectral shape of the trailing edge noise is related to the spectral shape of the turbulent velocity fluctuations in close proximity to the trailing edge, while the overall amplitude is determined by a convection velocity that is proportional to the mean flow velocity of the fluctuations. One possible application of the resulting model is the prediction of the trailing edge noise based on the input of the measured turbulence spectrum and the corresponding mean flow velocity close to the trailing edge of an airfoil. A more convenient application of the model is the trailing edge noise prediction based on an estimated turbulence spectrum and the corresponding mean flow velocity based on approximations developed in the present dissertation, without the necessity of detailed constant temperature anemometry measurements. The agreement between predicted and measured trailing edge noise spectra was found to be satisfying for both cases, especially when considering the rather basic approach of the model.
Strukturierte Bleche besitzen eingeprägte, regelmäßige Beulungen und Geometrien, die ihre Biegesteifigkeit in einigen Bauteilachsen gegenüber glatten Blechen erhöhen. Somit bieten sie großes Potenzial für den Leichtbaueinsatz, etwa in der Fahrzeugtechnik oder der Luftfahrt. Jedoch hat diese erhöhte Steifigkeit einen nachteiligen Effekt auf die Schalldämmung. Nicht nur, dass bei Einsatz solcher Bleche mit ähnlicher Steifigkeit wie glatte Blechen eine Verringerung der Blechdicke und damit der flächenbezogenen Masse zu erwarten ist, auch da die strukturierten Bleche orthotrope Eigenschaften besitzen, verringert sich die Luftschalldämmung. Dies ist der Fall, da sich der Bereich der Koinzidenzfrequenzen, in dem das Schalldämmmaß vergleichsweise gering ist, über einen größeren Frequenzbereich erstreckt. Eine Möglichkeit, die Schalldämmung von leichten und steifen Wänden zu erhöhen, ist die Verwendung von Doppelwandkonstruktionen.
Die hier betrachteten strukturierten Bleche aus Stahl der Dicke 0,5 mm, 0,7 mm und 1,0 mm besitzen eine sechseckige Wabenstruktur und eine etwa dreifach höhere Biegesteifigkeit gegenüber glatten Blechen gleicher Dicke. Die Strukturen sind parametrisiert durch ihre Schlüsselweiten, die Wabengrößen, von 33 mm, 43 mm und 51 mm. Weiterhin werden kleinere Variationen dieser Strukturgeometrien verwendet.
In der vorliegenden Dissertation wird die Luftschalldämmung von Einfachwänden und von Doppelwänden aus glatten und aus strukturierten Blechen untersucht. Im Gegensatz zu den Kenntnissen über Vorhersage der Luftschalldämmung bei Einsatz von glatten Blechen ist diese Vorhersage für strukturierte Bleche nicht ohne Weiteres möglich. Es werden daher numerische Modellierungen und Berechnungen des Schalldämmmaßes dieser Konstruktionen mit der Finite-Elemente-Methode vorgestellt. In einem Fensterprüfstand erfolgte Messungen dieses Parameters an glatten und strukturierten Blechproben werden mit den Simulationsergebnissen verglichen. Ergänzend werden analytische Berechnungen zur Schalldämmung isotroper und orthotroper Platten durchgeführt. Der betrachtete Frequenzbereich erstreckt sich immer bis mindestens 10 kHz.
Die Schalldämmung strukturierter Einfachwände verhält sich unterhalb eines gewissen Frequenzbereiches gleich dem einer glatten Wand, ab etwa 4 kHz tritt in ähnlicher Form bei allen Blechdicken und Schlüsselweiten eine Verringerung des Schalldämmmaßes von bis zu 15 dB auf, diese erstreckt sich bis in sehr hohe Frequenzen.
In diesem Frequenzbereich ab 4 kHz aufwärts zeigen sich in der Modalanalyse der Bleche Moden einzelner Waben, die glatte Bleche nicht aufweisen. Auch die Wellenlängen der Biegewellen, die die Bleche in diesem Frequenzbereich ausbilden, besitzen Größenordnungen ähnlich der Wabengrößen. Neben der erhöhten Steifigkeit ist diese Übereinstimmung eine weitere Erklärung für die veränderte und verringerte Schalldämmung strukturierter Bleche.
Doppelwände aus strukturierten Blechen zeigen einen ähnlichen Verlauf des Schalldämmmaßes, hier verringert sich die Schalldämmung gegenüber glatten Blechen um bis zu 25 dB.
Die Ergebnisse der Simulationen und der Messungen stimmen dabei sehr gut überein und decken sich mit den analytischen Berechnungen. Darauf aufbauend werden Variationen der Schlüsselweite, der Strukturgeometrie, der Wabenhöhe, der Ausrichtung der Waben, des Werkstoffes durch Änderung der flächenbezogenen Masse sowie nur für Doppelwand Variationen des Wandabstandes, der Zwischenraumbedämpfung und der Verbindungsart der Schalen untersucht und die Ergebnisse diskutiert. Es zeigt sich, dass die Luftschalldämmung von Konstruktionen aus strukturierten Blechen berechenbar und somit vorhersagbar ist.
Guided waves hold great potential for applications in the field of ultrasonic nondestructive testing. Examples of possible applications are the ultrasonic testing and structural health monitoring of wheelset-axles as used in trains. Depending on the particular type, these axles can be described as either thick cylindrical rods or thick walled hollow cylinders with varying thickness.
Wheelset-axles are safety relevant components that have to be inspected on a regular basis. The use of guided waves would allow a full inspection while accessing only the front faces of the axle, thus potentially speeding up the inspection procedure. In order to develop such an inspection technique, however, detailed knowledge of wave propagation through the axle is required.
Established mesh-based procedures, like the finite element method, could be used to simulate guided wave propagation in such structures. However, due to the size of the axle itself and the comparatively fine mesh that is dictated by the wavelengths usually applied in ultrasonic testing, these mesh-based procedures would be very expensive in terms of computation times. The multimodal approach seems to be a very promising alternative that can be expected to provide results significantly faster.
The multimodal method uses the guided wave modes of a corresponding waveguide with a constant cross-section as basis in which the local sound field at any given position in a waveguide with varying thickness can be expressed. Thereby the numerical effort is reduced to solving the one dimensional differential equations that govern the evolution of the coefficients in the mode spectrum along the waveguide. Once the sound field has been calculated, a time dependence can easily be included, which allows the simulation of pulse propagation through the waveguide.
In this thesis, the multimodal approach, as described for the calculation of Lamb-waves in plates with non-constant thickness, is extended to other types of elastic waveguides such as cylindrical rods and thick walled hollow cylinders. For the sake of simplicity, investigations are restricted to axially symmetric wave modes. The results obtained with the multimodal approach are validated against FEM-simulations. It is shown that the multimodal method potentially holds a great advantage in terms of computation time over commercially available software based on the finite element method. Finally, the multimodal method is evaluated with respect to possible future applications on wheelset-axles.
The very soft and flow-permeable plumage is among the special adaptations of the owl that the silent flight is attributed to. Using a specially designed apparatus that provides a low-speed volume flow of air through a small sample of porous materials, measurements of the air flow permeability were performed in accordance to ISO 9053 on a total of 39 prepared wing specimen from six different bird species, including three species of silently flying owls and three non-silently flying bird species. The resulting data set described in the present paper contains the static airflow resistance measured at different positions on the wing.