Umströmungslärm bei Fahrzeugen. Umströmungslärm bei Fahrzeugen. W. Dobrzynski * und M. Helfer **
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- Melanie Fuchs
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1 Umströmungslärm bei Fahrzeugen Umströmungslärm bei Fahrzeugen W. Dobrzynski * und M. Helfer ** * Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. (DLR) Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik Braunschweig/Göttingen ** Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren (FKFS) Stuttgart Workshop Verkehrslärm im Forschungsverbund Leiser Verkehr Wissenschaftszentrum Bonn, 10. April 2003
2 Gliederung Problemstellung Physikalischer Hintergrund - Quellmechanismen und Parameter - Versuchs- und Messtechniken Straßenfahrzeuge - Quellbereiche - Relation Umströmungslärm zu Antriebs- und Rollgeräusch Schnellbahnen - Quellbereiche - Relation Umströmungslärm zu Rollgeräusch Zusammenfassung
3 Problemstellung Problem: Die turbulente Überströmung von Körpern erzeugt Lärm Der Umströmungslärm steigt extrem schnell mit der Geschwindigkeit an Daher kann Umströmungslärm bei großen Fahrgeschwindigkeiten höher sein als Antriebs- und Reifen-Fahrbahn- bzw. Rollgeräusche Daher kann Umströmungslärm an Autobahnen und an Schnellbahntrassen dominieren.
4 Wesentliche Quellmechanismen Wesentliche Quellmechanismen Mechanismus Periodische Wirbelablösung: V Hohlraumschwingungen: Schallintensität und Frequenz I v 6 f d / v = konstant I ist abhängig von vielen Parametern; f = nahezu konstant Richtwirkung Kantenschall: I v 5 f / v = konstant
5 Messung von Umströmungslärm Messung von Umströmungslärm Vorbeifahrtmessung: Vorteile: Reale Umgebungsbedingungen mit Bodenumströmung und drehenden Rädern Relative Bedeutung von Rollgeräusch und Umströmungslärm Preisgünstige Messung Nachteile: Messsignal instationär Konfigurationsänderungen nur begrenzt möglich Isolierung des Umströmungslärms bei niedrigen Geschwindigkeiten schwierig Windkanalmessung: Vorteile: Umströmungslärm direkt messbar Stationäres Messsignal Konfigurationsänderungen leicht möglich Nachteile: Schlechte Simulation der Strömung in Radhäusern und längs des Unterbodens Unrealistisch turbulenzarme Anströmung Teure Messung
6 Messtechniken - Datenanalyse Messtechniken - Datenanalyse Wie kann man im Vorbeifahrversuch den Umströmungslärm von Lärmbeiträgen anderer Quellen unterscheiden? A: Richtmikrofone B: Geschwindigkeitsgesetze (linear bzw. bei A-Bewertung): Reifen-Fahrbahngeräusch: v 3bzw. 4 Rad-Schienegeräusch v 3 bzw. 4 Umströmungsgeräusch v 6 bzw. 8 Messtechniken: Einzelmikrofon Intensitätsmessung Akustischer Hohlspiegel (Windkanal) Mikrofonarray Akustische Nahfeldholografie (STSF) Korrekturen bei Datenanalyse: Hintergrundgeräusch Konvektive Verstärkung Scherschichtkorrektur, Konvektion (Windkanal) Doppler Effekt (Vorbeifahrt) Bodenreflexion (Vorbeifahrt)
7 Umströmungslärmquellen am Kraftfahrzeug Umströmungslärmquellen am Kraftfahrzeug Hauptlärmquellen sind: Radhäuser Vorderwagen (Kühllufteintritt) A-Säulenwirbel (Wasserfangleiste) Quelle: Hucho Quellen durch äußere Anbauten: Seitenspiegel Antenne Dachträger Scheibenwischer Einige dieser Quellen tragen vornehmlich zum aerodynamischen Innenlärm bei und andere mehr zu dem ins Fernfeld abgestrahlten Umströmungslärm.
8 Erste Ergebnisse aus Vorbeifahrt-Messungen Erste Ergebnisse aus Vorbeifahrt-Messungen Messungen aus dem Jahr 1981 Vorbeifahrt im Leerlauf : A-bewerteter Umströmungslärm steigt mit v 7 Glatte Außenkontur ergibt Lärmminderung Umströmungslärm stärkste Lärmquelle bei PKW für Geschwindigkeiten über 130 km/h!
9 Aeroakustischer Windkanal des FKFS Aeroakustischer Windkanal des FKFS Absorbierende Auskleidung Schalldämpfer Strömung
10 Systematische Studien im Windkanal des FKFS Systematische Studien im Windkanal des FKFS Abstrahlcharakteristik eines PKW bei 140 km/h im Frequenzbereich zwischen 2 und 4,5 khz, gemessen mit einem Mikrofonarray:
11 Schallquellverteilungen am PKW Schallquellverteilungen am PKW Quelllokalisation mit einem akustischen Hohlspiegel: z-position / mm z-position / mm f m = 2500 Hz x-position / mm f m = 5000 Hz x-position / mm z-position / mm f m = 8000 Hz x-position / mm
12 Ist der Umströmungslärm bei LKW ein Problem? Ist der Umströmungslärm bei LKW ein Problem? Modellergebnisse auf Großausführung umgerechnet. Modeluntersuchung im AWB: LKW PKW Pegel-Relation LKW / PKW: LKW Quelllärm ca. 5 db lauter als der vom PKW Aber Begrenzung auf max. 80 km/h bei LKW ergibt gegenüber einer Referenzgeschwindigkeit von 120 km/h: L = 60 log (80 / 120) = -10,6 db
13 Einfluss der Fahrzeugart auf die Relation von Reifen-Fahrbahn- und Strömungsgeräuschen Bereich heutiger Reifen-Fahrbahn Geräusche Messabstand: r = 7,5 m
14 Umströmungslärm bei Schienenfahrzeugen Umströmungslärm bei Schienenfahrzeugen Hochgeschwindigkeits- Schienenfahrzeuge: Stromabnehmer Drehgestelle (Unterboden) Wagenzwischenräume Magnetschwebebahn Einlaufspalt und Unterboden Lokale Strömungsablösungen (auch durch Seitenwind) Detailirregularitäten in der Außenkontur Grenzschicht (?) Geschwindigkeit bis ca. 300 km/h Geschwindigkeit bis ca. 500 km/h
15 ICE Stromabnehmer im Windkanal ICE Stromabnehmer im Windkanal Aeroakustische Vermessung eines Original-Stromabnehmers der Deutschen Bahn AG im DNW-LLF: Ziel: Quantifizierung der Lärmabstrahlung Entwicklung lärmarmer Konfigurationen Quelle: DNW, NLR Parameter: Geschwindigkeit Zuströmturbulenz, Anordnung, Konfigurationsänderungen
16 Versuchsaufbau im DNW-LLF Versuchsaufbau im DNW-LLF Mikrofonarray Wind Quelle: DNW, NLR
17 Verteilung der Schallquellen am Stromabnehmer Verteilung der Schallquellen am Stromabnehmer f m = 1 khz f m = 2 khz f m = 4 khz Quelle: DNW, NLR
18 Lärmarme Gestaltung von Stromabnehmern Lärmarme Gestaltung von Stromabnehmern Entwicklung von Stromabnehmern in Japan: Konventionelles Design Lärmarme Auslegung Quelle: RTRI, Japan
19 Vorbeifahrtlärm bei Schienenfahrzeugen Vorbeifahrtlärm bei Schienenfahrzeugen A-bewerteter Vorbeifahrtpegel 100 db(a) IC-Züge p 2 v 3,6 Messabstand 25 m ICE Prognose Grenzschichtlärm km/h 400 Fahrgeschwindigkeit v Geschwindigkeitsgesetze für A-bewertete Lärmpegel verschiedener Quellen: Rad-Schiene: p 2 v 3,6 Grenzschichtlärm: p 2 v 8 TR-07 Grenzschichtlärm bedeutend bei hohen Geschwindigkeiten und glatter Außenkontur wegen großer überströmter Flächen. Quelle: DLR-AT/TF
20 Zusammenfassung Umströmungslärmpegel steigen sehr schnell mit der Geschwindigkeit an Wesentliche Quellen sind Strömungsablösungen an der Fahrzeugkontur und an Anbauten (Spiegel, Stromabnehmer, etc.) Bei Straßenfahrzeugen sind Kleintransporter ohne Geschwindigkeitsbegrenzung die größten aerodynamischen Lärmquellen (Kfz Vorbeifahrt-Lärmgrenzwerte berücksichtigen keine Strömungsgeräusche) Bei trassengebundenen Fahrzeugen wird angenommen, dass ab etwa 400 km/h der Grenzschichtlärm die untere Lärmgrenze bestimmt In der näheren Umgebung von Autobahnen und Schnellbahntrassen sind Fahrgeräuschpegel vergleichbar mit Fluglärmpegeln beim Anflug
21 Ausblick Was ist zu tun? Einmauern ist nicht die Lösung der Zukunft Forschung zur Entwicklung von Lärmminderungsmaßnahmen an der Quelle ist langfristig kostengünstiger
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