Schallmessungen in Strömungen. Messverfahren und Praxisbeispiele

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1 Schallmessungen in Strömungen Messverfahren und Praxisbeispiele Wilhelm von Heesen MÜLLER-BBM GmbH Niederlassung Gelsenkirchen Fon DEGA Workshop Mess- und Analysetechnik in der Fahrzeugakustik 29. und FKFS Stuttgart MÜLLER-BBM 1 INHALT Mikrofonvorsätze für Messungen in Strömungen Schaumstoffball (Windschirm) Nasenkonus Schlitzrohrsonde Praxisbeispiele Separation von akustischen und turbulenzbedingten Mikrofonsignalen in einem Baudynamik-Windkanal Identifikation einer Störgeräuschquelle in einem Aeroakustik- Windkanal Störtöne durch einen Sondenträger im Windkanal MÜLLER-BBM 2 1

2 Beeinflussung des Mikrofonsignals durch Strömung Mikrofone sind Wechseldruckaufnehmer Schallwechseldruck strömungsbedingte Druckschwankungen (unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten) self-noise durch Wirbelablösung am Mikrofon vom Störkörper Mikrofon erzeugt Strömungsturbulenzen in der freien Strömung vorhanden MÜLLER-BBM 3 Mikrofonvorsätze (1) Windschirm offenporiger Schaumstoff (akustisch transparent) verhindert Vordringen der Strömung zum Mikrofon bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten Wirbelablösungen am Windschirm verschiedene Formen Kugel Elipse spezielle Bauformen äußere Hülle aus Stoff (z.b. für Messungen an Windkraftanlagen) MÜLLER-BBM 4 2

3 Mikrofonvorsätze (2) Nasenkonus vermeidet Wirbelablösung am Mikrofon ( self noise ) muss parallel zur Strömung ausgerichtet sein nur bei laminarer und richtungsstabiler Strömung einsetzbar nicht für Messungen im Freien geeignet im Vergleich zum Windschirm geringere Beeinflussung der Strömung bei schräger Anströmung hochfrequente Wirbelablösung an der scharfen Spitze möglich (Sonderbauformen mit abgerundeter Spitze und langem Körper) kein Schutz vor Strömungsturbulenzen MÜLLER-BBM 5 Mikrofonvorsätze (3) Schlitzrohrsonde (Turbulenzschirm) Rohr mit axialem Schlitz verringert den Einfluss der Strömungsturbulenz auf das Mikrofonsignal MÜLLER-BBM 6 3

4 Wirkungsweise der Schlitzrohrsonde Ausbreitungsgeschwindigkeit der Turbulenzen in der Strömung Strömungsgeschwindigkeit im Rohr Schallgeschwindigkeit Druck am Mikrofon = Mittelwert der turbulenzbedingten Druckschwankungen entlang des Schlitzes Für Turbulenzstrukturen < Schlitzlänge Druck am Mikrofon Null Der Beitrag der turbulenzbedingten Druckschwankungen zum Mikrofonsignal wird vermindert geringere Wirkung bei großvolumigen (tieffrequenten) Turbulenzstrukturen MÜLLER-BBM 7 Geschwindigkeitsbereiche Geschwindigkeitsbereiche (gemäß ISO 5136:2003) Windschirm 15 m/s Nasenkonus 20 m/s Schlitzrohrsonde 40 m/s ISO 5136:2003: Acoustics Determination of sound power radiated into a duct by fans and other air-moving devices In-duct method. DIN EN ISO 5136:2003 MÜLLER-BBM 8 4

5 Frequenzgang von drei baugleichen Schlitzrohrsonden 10 frequency correction C2 [db] 5 turbulence screen: #1 #2 # frequency [Hz] MÜLLER-BBM 9 Verschmutzung der Schlitzabdeckung 10 Neuzustand Strömungswiderstand R = 1.0 ρc computed -- R=1.0*(rho*c) measured -- TS#1 new 10 nach Messungen in Grubenlüftern Strömungswiderstand R = 1.7 ρc computed -- R=1.7*(rho*c) measured -- TS#1 after one year use frequency correction C2 [db] 5 frequency correction C2 [db] frequency [Hz] frequency [Hz] MÜLLER-BBM 10 5

6 C2 Schmalbandspektrum und Terzen (R = 1.7 ρ c) MÜLLER-BBM 11 Richtcharakteristik der Schlitzrohrsonde angle of incidence frequency correction C2 [db] frequency [Hz] MÜLLER-BBM 12 6

7 self noise verschiedener Mikrofonvorsätze 15 m/s gemessen in einem leisen Freistrahlwindkanal sound pressure level [db] flow speed = 15 m/s turbulence screen nose cone foam ball out of flow frequency [Hz] MÜLLER-BBM 13 self noise verschiedener Mikrofonvorsätze 30 m/s flow speed = 30 m/s turbulence screen nose cone foam ball out of flow sound pressure level [db] frequency [Hz] MÜLLER-BBM 14 7

8 self noise verschiedener Mikrofonvorsätze 45 m/s sound pressure level [db] flow speed 45 m/s turbulence screen nose cone foam ball out of flow frequency [Hz] MÜLLER-BBM 15 Oberflächenmikrofon MÜLLER-BBM 16 8

9 Praxisbeispiel 1 Separation von turbulenten und akustischen Druckschwankungen MÜLLER-BBM 17 Windkanal für aerodynamische Untersuchungen an Bauwerksmodellen MÜLLER-BBM 18 9

10 Phase (degree) Phase (degree) Phase (degree) Bestimmung der Einfallsrichtung mit zwei Mikrofonen seitlich: Phase = Frequency (Hz) Mikro 1 Mikro 2 cosα τ = d c' 2π f Θ 12( f ) = cos( α) d c' von vorn: negativer Phasengradient 360 von hinten: positiver Phasengradient Frequency (Hz) Frequency (Hz) MÜLLER-BBM 19 verschiedene Ausbreitungsgeschwindigkeiten Positiver Phasengradient = Schalleinfall von hinten MÜLLER-BBM 20 10

11 Mikrofonpositionen Rauhigkeitsfeld Ventilator Rauhigkeitsfeld MÜLLER-BBM 21 Kreuzspektrum - 20 m/s 0-3 khz 0-0 Hz Amplitude 20 m/s 20 m/s Phase 1 bei 3,4 khz 1 bei Imaginärteil - Kohärenz Richtung: berechnet: gemessen: Turbulenzen: von hinten 1 bei 143 Hz 1 bei 142 Hz Schall: von vorn 1 bei 2,3 khz 1 bei 3,4 khz (!!) (c = 324 m/s α = 0 ) MÜLLER-BBM 22 11

12 Hauptgeräuschquelle: Flügelspitzen Messwert 1 bei 3,4 khz ergibt einen Einfallswinkel α = 49 Rauhigkeitsfeld MÜLLER-BBM 23 Praxisbeispiel 2 Beseitigung eines Störgeräusches an einem Windkanalgebläse von Heesen, W., Reiser, P., Quellenortung an einem großen Axialventilator, Fortschritte der Akustik - DAGA '89, pp , DPG-GmbH, Bad Honnef, Germany, 1989 von Heesen, W., Lindener, N., Neise, W., Elimination of a High-Frequency Narrow-Band Noise Component in a Low-Noise Automobile Wind Tunnel, SAE Paper Nr , 1996 MÜLLER-BBM 24 12

13 Sound pressure level (db) Aeroakustik-Windkanal der BMW Technik GmbH A C D B MÜLLER-BBM 25 Störgeräusch im (leeren) Plenum 70 excess noise log Frequency (Hz) MÜLLER-BBM 26 13

14 Einfluss der Gebläsedrehzahl (gemessen am Gebläseaustritt) Sound Pressure Level (db) km/h 84 rpm 100 km/h 165 rpm 1 km/h 245 rpm 200 km/h 325 rpm Frequency (Hz) km/h fi 100 km/h: gleiche Gestalt, Pegelzunahme 100 km/h fi 1 km/h: Frequenzverschiebung, Pegelzunahme 1 km/h fi 200 km/h: Pegelabnahme MÜLLER-BBM 27 Einfluss des Schaufelanstellwinkels Sound Pressure Level (db) rpm 19 deg. 124 rpm 26 deg. 111 rpm 34 deg Frequency (Hz) starke Veränderung der Gestalt des Spektrums MÜLLER-BBM 28 14

15 Phase (degree) Phase (degree) Phase (degree) Bestimmung der Einfallsrichtung mit zwei Mikrofonen von vorn: positiver Phasengradient 360 von hinten: negativer Phasengradient Frequency (Hz) Mikro 1 Mikro Frequency (Hz) 90 seitlich: Phase = ACHTUNG: Anderer Analysator als in Folie 19 mit umgekehrten Vorzeichen des Phasenspektrums Frequency (Hz) MÜLLER-BBM 29 Quellenortung mit zwei-mikrofon Mikrofon-Sonde A C D B MÜLLER-BBM 30 15

16 Phasenspektrum, Sonde parallel zur Strömung Quelle befindet sich in der Laufradebene MÜLLER-BBM 31 ebene Welle mit unkorrelierten Störquellen Phasenspektren mit verschiedenem Signal/Rausch-Abstand R MÜLLER-BBM 32 16

17 Phasenspektrum, Sonde quer zur Strömung Quelle befindet sich an den Flügelspitzen MÜLLER-BBM 33 Abhören mit Stereo-Kopfhörern Microphone A A-weighting Filter Headphones Beobachtungen: Amplitudenmodulation und Frequenz-Sweep Zeitversatz zwischen den Mikrofonsignalen Microphone B A-w eighting Filter Folgerungen: rotierende Quelle eine Schaufel lauter als die anderen Breitband-Charakter verursacht vom Doppler-Effekt Mechanismus ist schmalbandiger Natur (im rotierenden System) MÜLLER-BBM 34 17

18 messtechnische Bestätigung A B zwei Töne (bzw. Gruppen von Tönen) MÜLLER-BBM 35 Analyse des Zeitsignals microphone A (no averages) microphone A (30 averages) blade #: one revolution of impeller synchronization signal Schaufel Nr. 6 ist am lautesten MÜLLER-BBM 36 18

19 frequency shift in % Kurzzeit-FFT FFT-Spektren 110 Blade 6 approaching Microphone Blade 6 moving away from Microphone Sound Pressure Level (db) lower limit (khz) upper limit (khz) center (khz) Frequency (Hz) frequency shift (%) MÜLLER-BBM 37 Doppler-Frequenzverschiebung r S β Source r O Observer source at tip source at hub azimutal position of source in degree MÜLLER-BBM 38 19

20 Ursache: Hohlräume in der Stirnseite der Laufschaufeln Durchmesser: Nr. 1-4 = 17 mm Nr. 5 = 9 mm MÜLLER-BBM 39 Kopfspalt blade # mm MÜLLER-BBM 40 20

21 Verschließen der Hohlräume (Messpunkt A) 90 All cavities open Cavity #3 in blade #6 open Cavity #5 in blade #6 open All cavities closed Sound pressure level (db) Frequency (Hz) MÜLLER-BBM 41 Anblasen der Hohlräume mit Pressluftdüse im Stillstand Blade 6 Cavity Hz Cavity Hz MÜLLER-BBM 42 21

22 Spektrum im Plenum (Messpunkt D) 70 Sound pressure level (db) Frequency (Hz) all cavities open all cavities closed MÜLLER-BBM 43 Praxisbeispiel 3 Störtöne durch einen Sondenträger im Windkanal MÜLLER-BBM 44 22

23 "seltsame Geräusche" an einem Windkanalgebläse Fan at 210 rpm Fan at 270 rpm sound pressure level [db] frequency [Hz] MÜLLER-BBM 45 Sondenträger in der Messstrecke MÜLLER-BBM 46 23

24 Hinterkante des Sondenträgers MÜLLER-BBM 47 Frequenz und Schalldruckpegel (am Gebläse) frequency [Hz] frequency for St = 0.16 frequency observed sound pressure level sound pressure level [db] flow speed [m/s] MÜLLER-BBM 48 24

25 Flexible Hinterkante MÜLLER-BBM 49 Gemessene Schalldruckspektren (Messstrecke) 120 sound pressure level [db] as found floppy trailing edge tripped frequency [Hz] MÜLLER-BBM 25