Schallmessungen in Strömungen Messverfahren und Praxisbeispiele Wilhelm von Heesen MÜLLER-BBM GmbH Niederlassung Gelsenkirchen hsn@mbbm.de, Fon 0209-98308-16 DEGA Workshop Mess- und Analysetechnik in der Fahrzeugakustik 29. und 30.09.2009 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
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
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
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
Frequenzgang von drei baugleichen Schlitzrohrsonden 10 frequency correction C2 [db] 5 turbulence screen: #1 #2 #3 0-5 -10 0 2000 4000 6000 00 10000 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] 5 0 0-5 0 1000 2000 3000 4000 00 frequency [Hz] -5 0 1000 2000 3000 4000 00 frequency [Hz] MÜLLER-BBM 10 5
C2 Schmalbandspektrum und Terzen (R = 1.7 ρ c) MÜLLER-BBM 11 Richtcharakteristik der Schlitzrohrsonde 15 10 5 0 angle of incidence 0 45 90 1 frequency correction C2 [db] -5-10 -15-20 -25-30 0 2000 4000 6000 00 10000 frequency [Hz] MÜLLER-BBM 12 6
self noise verschiedener Mikrofonvorsätze 15 m/s gemessen in einem leisen Freistrahlwindkanal sound pressure level [db] 90 70 60 40 30 flow speed = 15 m/s turbulence screen nose cone foam ball out of flow 20 10 25 31.5 40 63 100 125 160 200 2 315 400 0 630 0 1000 12 1600 2000 20 31 4000 00 6300 00 10000 120 16000 20000 frequency [Hz] MÜLLER-BBM 13 self noise verschiedener Mikrofonvorsätze 30 m/s 110 100 90 flow speed = 30 m/s turbulence screen nose cone foam ball out of flow sound pressure level [db] 70 60 40 30 25 31.5 40 63 100 125 160 200 2 315 400 0 630 0 1000 12 1600 2000 20 31 4000 00 6300 00 10000 120 16000 20000 frequency [Hz] MÜLLER-BBM 14 7
self noise verschiedener Mikrofonvorsätze 45 m/s sound pressure level [db] 120 110 100 90 70 60 flow speed 45 m/s turbulence screen nose cone foam ball out of flow 40 25 31.5 40 63 100 125 160 200 2 315 400 0 630 0 1000 12 1600 2000 20 31 4000 00 6300 00 10000 120 16000 20000 frequency [Hz] MÜLLER-BBM 15 Oberflächenmikrofon MÜLLER-BBM 16 8
Praxisbeispiel 1 Separation von turbulenten und akustischen Druckschwankungen MÜLLER-BBM 17 Windkanal für aerodynamische Untersuchungen an Bauwerksmodellen MÜLLER-BBM 18 9
Phase (degree) Phase (degree) Phase (degree) Bestimmung der Einfallsrichtung mit zwei Mikrofonen 360 1 0-1 90 seitlich: Phase = 0-360 0 1000 2000 3000 4000 00 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 360 1 1 0 0-1 -1-360 0 1000 2000 3000 4000 00 Frequency (Hz) -360 0 1000 2000 3000 4000 00 Frequency (Hz) MÜLLER-BBM 19 verschiedene Ausbreitungsgeschwindigkeiten Positiver Phasengradient = Schalleinfall von hinten MÜLLER-BBM 20 10
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 142 + 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
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. 631-634, 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. 960904, 1996 MÜLLER-BBM 24 12
Sound pressure level (db) Aeroakustik-Windkanal der BMW Technik GmbH A C D B MÜLLER-BBM 25 Störgeräusch im (leeren) Plenum 70 excess noise 60 40 30 10 100 1000 10000 log Frequency (Hz) MÜLLER-BBM 26 13
Einfluss der Gebläsedrehzahl (gemessen am Gebläseaustritt) Sound Pressure Level (db) 110 100 90 km/h 84 rpm 100 km/h 165 rpm 1 km/h 245 rpm 200 km/h 325 rpm 70 60 40 1000 2000 3000 4000 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) 90 141 rpm 19 deg. 124 rpm 26 deg. 111 rpm 34 deg. 70 60 1000 2000 3000 4000 Frequency (Hz) starke Veränderung der Gestalt des Spektrums MÜLLER-BBM 28 14
Phase (degree) Phase (degree) Phase (degree) Bestimmung der Einfallsrichtung mit zwei Mikrofonen von vorn: positiver Phasengradient 360 von hinten: negativer Phasengradient 360 1 1 0 0-1 -1-360 0 1000 2000 3000 4000 00 Frequency (Hz) Mikro 1 Mikro 2-360 0 1000 2000 3000 4000 00 Frequency (Hz) 90 seitlich: Phase = 0 360 1 0-1 ACHTUNG: Anderer Analysator als in Folie 19 mit umgekehrten Vorzeichen des Phasenspektrums. -360 0 1000 2000 3000 4000 00 Frequency (Hz) MÜLLER-BBM 29 Quellenortung mit zwei-mikrofon Mikrofon-Sonde A C D B MÜLLER-BBM 30 15
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
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
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 #: 5 7 9 11 13 1 3 5 7 9 11 13 1 one revolution of impeller synchronization signal Schaufel Nr. 6 ist am lautesten MÜLLER-BBM 36 18
frequency shift in % Kurzzeit-FFT FFT-Spektren 110 Blade 6 approaching Microphone Blade 6 moving away from Microphone Sound Pressure Level (db) 100 90 lower limit (khz) upper limit (khz) 70 1000 2000 3000 4000 center (khz) Frequency (Hz) frequency shift (%) 1.5 1.9 1.7 12 2.1 2.6 2.4 11 MÜLLER-BBM 37 Doppler-Frequenzverschiebung r S β Source r O Observer 15 10 source at tip source at hub 5 0-5 -10-15 -1-135 -90-45 0 45 90 135 1 azimutal position of source in degree MÜLLER-BBM 38 19
Ursache: Hohlräume in der Stirnseite der Laufschaufeln 2 1 3 4 5 Durchmesser: Nr. 1-4 = 17 mm Nr. 5 = 9 mm MÜLLER-BBM 39 Kopfspalt blade 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 # mm 3.2 2.4 2.0 2.8 2.2 4.0 2.4 2.7 2.7 2.6 2.6 2.8 2.2 1.8 MÜLLER-BBM 40 20
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) 70 60 40 1000 2000 3000 4000 Frequency (Hz) MÜLLER-BBM 41 Anblasen der Hohlräume mit Pressluftdüse im Stillstand Blade 6 Cavity 3 1674 Hz Cavity 5 2410 Hz MÜLLER-BBM 42 21
Spektrum im Plenum (Messpunkt D) 70 Sound pressure level (db) 60 40 30 10 100 1000 10000 Frequency (Hz) all cavities open all cavities closed MÜLLER-BBM 43 Praxisbeispiel 3 Störtöne durch einen Sondenträger im Windkanal MÜLLER-BBM 44 22
"seltsame Geräusche" an einem Windkanalgebläse 120 110 Fan at 210 rpm Fan at 270 rpm sound pressure level [db] 100 90 70 60 0 100 200 300 400 0 600 700 0 900 1000 1100 1200 1300 1400 10 frequency [Hz] MÜLLER-BBM 45 Sondenträger in der Messstrecke MÜLLER-BBM 46 23
Hinterkante des Sondenträgers MÜLLER-BBM 47 Frequenz und Schalldruckpegel (am Gebläse) frequency [Hz] 0 400 300 200 100 frequency for St = 0.16 frequency observed sound pressure level 110 100 90 70 sound pressure level [db] 0 60 0 10 20 30 40 60 70 90 100 flow speed [m/s] MÜLLER-BBM 48 24
Flexible Hinterkante MÜLLER-BBM 49 Gemessene Schalldruckspektren (Messstrecke) 120 sound pressure level [db] 110 100 90 70 as found floppy trailing edge tripped 60 0 1000 2000 3000 4000 00 6000 7000 00 9000 10000 frequency [Hz] MÜLLER-BBM 25