Experimentelle Untersuchung der Minderung von Strömungsschall durch poröse Zylinderummantelungen

Experimentelle Untersuchung der Minderung von Strömungsschall durch poröse Zylinderummantelungen Thomas F. Geyer und Ennes Sarradj Lehrstuhl Technische Akustik, BTU Cottbus - Senftenberg Braunschweig, 13.11.2015

Gliederung Problemstellung Methode Ergebnis Zusammenfassung

1 Problemstellung Umströmte Zylinder Problem: Schallentstehung am Fahrwerk oder am Pantographen vereinfacht untersuchbar am Kreiszylinder enthält tonale und breitbandige Schallanteile verschiedene Methoden zur Unterdrückung des Hiebtons Verwendung poröser Materialien sehr vielversprechend aber: nur vergleichsweise wenige Arbeiten Vorliegende Untersuchung: Messung der Schallentstehung an Kreiszylindern, die mit porösen Materialien unterschiedlicher Parameter ummantelt sind

2 Problemstellung Studien zur Minderung von Zylinder-Umströmungsschall mit Hilfe poröser Materialien Nishimura et al. 1999: Zylinder bedeckt mit fellartigen Materialien; Hiebton fast komplett unterdrückt Yahathugoda and Akishita 2005: mikro-perforierte Zylinder; deutliche Pegelreduktion, aber keine komplette Unterdrückung des Hiebtons Sueki et al. 2009/2010: Zylinder ummantelt von verschiedenen, offen-porösen Materialien; komplette Unterdrückung des Hiebtons Liu et al. 2012: numerische Untersuchung porös ummantelter Zylinder; Hiebton wird schmaler und verschiebt sich Liu et al. 2015: poröse Zylinder in Tandemanordnung; Reduktion des Hiebtons, aber keine komplette Unterdrückung Inwiefern kann der Hiebton minimiert werden? Wie genau sieht der Einfluss des porösen Materials aus?

3 Problemstellung Umströmte Zylinder Problem: Schallentstehung am Fahrwerk oder am Pantographen vereinfacht untersuchbar am Kreiszylinder enthält tonale und breitbandige Schallanteile verschiedene Methoden zur Unterdrückung des Hiebtons Verwendung poröser Materialien sehr vielversprechend aber: nur vergleichsweise wenige Arbeiten Vorliegende Untersuchung: Messung der Schallentstehung an Kreiszylindern, die mit porösen Materialien unterschiedlicher Parameter ummantelt sind

4 Methode Aeroakustischer Windkanal rechteckiger Austrittsquerschnitt (0.23 m 0.28 m) maximale Strömungsgeschwindigkeit 60 m/s niedriger Turbulenzgrad Teststrecke mit Kevlarfenstern für 2D Strömung aerodynamisch geschlossen, akustisch offen

5 Methode Porös ummantelte Zylinder zusammengesetzt aus Kernzylinder (d = 10 mm) + porösem Mantel Außendurchmesser D = 30 mm Länge 0.28 m (Aspektverhältnis 10) 12 verschiedene offen-poröse Materialien (Schäume oder Gummi) + Referenzzylinder poröse Materialien charakterisiert durch längenbezogenen Strömungswiderstand Ξ Effekt der Rauheit nicht untersucht!

6 Methode Porös ummantelte Zylinder Nr. Name Material Beschreibung Ξ / Pa s/m 2 1 Referenz PVC 2 Gummi 1 Damtec black uni Gummigranulat 1.474.300 3 Gummi 2 Damtec standard Gummigranulat 594.200 4 Schaum 1 Oasis Rainbow Schaum PU-Schaum 416.200 5 Schaum 2 ArmaFoamm Sound Elastomer-Schaum 112.100 6 Gummi 3 Damtec USM Gummigranulat 86.100 7 Gummi 4 Damtec vibra ultra Gummigranulat 75.600 8 Gummi 5 Conmetall Gummimatte Gummigranulat 53.200 9 Gummi 6 Damtec Estra Gummigranulat 12.900 10 Schaum 3 Basotect Melaminharz-Schaum 9.800 11 Gummi 7 Damtec black rubber Gummigranulat 9.400 12 Schaum 4 Verpackungsschaum PU-Schaum 4.100 13 Schaum 5 Panacell 90 ppi PU-Schaum 4.000

7 Methode Akustische Messungen Kevlarfenster Düse Strömung 0,5 m D d Mikrofon 2 Kernzylinder poröser Mantel zwei 1/4 -Freifeld-Mikrofone auf gegenüberliegenden Seiten Abtastfrequenz 51,2 khz Messdauer 60 s 0,5 m Mikrofon 1 einfache Fremdgeräuschkorrektur

Ergebnis - Breitbandschall Ξ 10 kpa s/m2 10 kpa s/m2 < Ξ 100 kpa s/m2 Ξ > 100 kpa s/m2 ( Schaum 3, I Gummi 2, I Gummi 7, Schaum 4, Schaum 5, Schaum 1, Schaum 2, Referenz, 30 mm diameter) Gummi 3, Gummi 4, Gummi 5, Gummi 6, Hiebton nicht unterdrückt! skaliert mit D bessere Reduktion von Breitbandschall für Materialien mit niedrigen Strömungswiderständen 8 Gummi 1,

9 Ergebnis - Hiebton Parameter der Auswertung 100 90 L p,max bei Sr(L p,max ) 80 10 db L p / db 70 60 B 50 40 0,125 0,16 0,2 0,25 0,3 0,4 0,5 0,6 0,8 1 f / khz Schalldruckpegel L p,max des Hiebtons zugehörige Strouhalzahl Sr(L p,max ) Breite B oder Integral des Hiebtons

10 Ergebnis - Hiebton Schalldruckpegel des Hiebtons Ma 0,03 0,04 0,05 0,07 0,1 0,12 0,15 120 U 6 100 L p,max / db 80 60 U 4 40 1,5 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Re [10 4 ] Maximalpegel der porösen Zylinder oftmals höher kein klarer Trend bezüglich des Einflusses von Ξ erkennbar Pegel des Hiebtons skaliert mit U 4 bis U 6

11 Ergebnis - Hiebton Strouhalzahl des Hiebtons 0.24 Ma 0,03 0,04 0,05 0,07 0,1 0,12 0,15 0.22 Sr(L p,max ) 0.20 0.18 0.16 0.14 1,5 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Re [10 4 ] wieder kein klarer Trend bezüglich des Einflusses von Ξ gute Übereinstimmung mit Ergebnissen von nichtporösen Zylindern (z.b. Arbeit von Hutcheson und Brooks, 2012)

12 Ergebnis - Hiebton Integral des Hiebtons 120 Ma 0,03 0,04 0,05 0,07 0,1 0,12 0,15 110 100 Integral [db] 90 80 70 60 50 1,5 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Re [10 4 ] klarer Trend: poröse Ummantelungen mit niedrigem Ξ führen zu schmaleren Maxima (Übereinstimmung mit Liu et al., 2012) deutliche Lärmminderung möglich!

13 Ergebnis - Hiebton Modell zur Berechnung des Hiebton-Summenpegels 120 L p,σmax (1 m), Modell / db 110 100 90 80 70 60 60 70 80 90 100 110 120 L p,σmax (1 m), Messung / db Modellbildung basierend auf Messdaten (143 Daten-Tupel) symbolische Regression normiert auf Abstand r = 1 m Abhängigkeit von Ma und ɛ = Ξ D ρ c mittlerer absoluter Fehler 2,3 db L p,σmax (r = 1 m) = 10 log 10 [( 203, 7 + 61,2 ɛ ) Ma 5 + 3, 2 Ma 4 ] db + 130 db

14 Zusammenfassung Zusammenfassung experimentelle Untersuchung der Schallentstehung an porös ummantelten Zylindern im Windkanal 1. Effekt auf Breitbandlärm: Pegelreduktion nahe des Hiebtons und bei höheren Frequenzen 2. Effekt auf Hiebton: Hiebton nicht unterdrückt, jedoch Maxima deutlich schmaler ausgeprägt poröse Materialien mit niedrigen Strömungswiderständen besser einfaches Vorhersagemodell mit Hilfe der symbolischen Ausblick Regression erstellt Einfluss der Dicke des porösen Materials Hitzdrahtmessungen im Nachlauf

15 Zusammenfassung Vielen Dank für Ihr Interesse. Nishimura, M., Kudo, T., Nishioka, M., Aerodynamic noise reducing techniques by using pile-fabrics. 5th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, AIAA-Paper 99-1847 (1999) Yahathugoda, I., Akishita, S., Experimental investigation on surface impedance effect of sound radiation from low Mach number flow around a circular cylinder. JSME International Journal Series B, 48(2), 342-349 (2005) Akishita, S., Yahathugoda, I., Effect of surface impedance for reducing aerodynamic sound from circular cylinder. 11th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, AIAA-Paper 2005-2914 (2005) Sueki, T, Ikeda, M, Takaishi, T, Aerodynamic noise reduction using porous materials and their application to high-speed pantographs. Quarterly Report of RTRI, 50(1), 26-31 (2009) Sueki, T, Takaishi, T, Ikeda, M, Arai, N, Application of porous material to reduce aerodynamic sound from bluff bodies. Fluid dynamics research, 42(1), 015004 (2010) Liu, H, Wei, J, Qu, Z, Prediction of aerodynamic noise reduction by using open-cell metal foam. Journal of Sound and Vibration, 331(7), 1483-1497 (2012) Liu, H., Azarpeyvand, M., Wei, J., Qu, Z. Tandem cylinder aerodynamic sound control using porous coating. Journal of Sound and Vibration, 334, 190-201 (2015) Hutcheson, F. V., Brooks, T. F., Noise radiation from single and multiple rod configurations. International Journal of Aeroacoustics 11(3), 291-334 (2012)