Analyse und Synthese akustischer Interaktionsmoden von Turbomaschinen

Die Verfahren der akustischen Modenanalyse und Modensynthese liefern wichtige Beiträge zur Entwicklung lärmarmer Designs und innovativer Maßnahmen zur Schallminderung von Turbomaschinen. Durch eine Modenanalyse werden die Amplituden aller Moden im Strömungskanal bestimmt und damit die Schallanregung einer Turbomaschine detailliert erfasst. Die Modensynthese wird zur gezielten Anregung einzelner Moden eingesetzt, um die akustischen Übertragungseigenschaften von Turbomaschinenkomponenten umfassend zu charakterisieren und um in aktiven Lärmminderungsverfahren Rotor-Stator-Interaktionsmoden durch destruktive Interferenz auszulöschen. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass sich Modenanalysen und Modensynthesen unter Verwendung wandbündig installierter Mikrofonarrays bzw. wandbündig installierter Lautsprecherarrays mit hoher Genauigkeit realisieren lassen. Eine Voraussetzung dafür ist die Abstimmung der Arrays auf den zu untersuchenden Frequenzbereich. Beide Verfahren wurden mit analytischen und experimentellen Methoden bezüglich ihrer Anforderungen, Beschränkungen und Genauigkeit untersucht. Die Ergebnisse ermöglichten die Formulierung von Richtlinien für den optimalen Einsatz der Modenanalyse und der Modensynthese an Turbomaschinen-Versuchsständen. Wandbündige Mikrofone besitzen im Vergleich zu radial im Kanal angeordneten Mikrofonrechen den Vorteil, die Strömung nicht zu verblocken und das Schallfeld nicht zu stören, können aber die radialen Eigenschwingungsformen der Moden nur anhand der axialen Wellenzahlen unterscheiden. Für die Modenanalyse wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem sich die axialen Messpositionen systematisch optimieren und die Fortpflanzung von Messfehlern auf die Modenamplituden detailliert bewerten lassen. Damit konnte nachgewiesen werden, dass optimierte wandbündige Mikrofonarrays Modenanalysen in vergleichbarer Genauigkeit ermöglichen, wie sie bei hohen Frequenzen bisher nur mit Mikrofonrechen erzielt wurde. Eine mit zunehmender Frequenz abnehmende Trennschärfe des wandbündigen Arrays muss allerdings durch eine größere Gesamtzahl an Messpositionen ausgeglichen werden. Die in der Optimierung der Modenanalyse gewonnenen Erkenntnisse lassen sich auf die Modensynthese übertragen. In der Kombination einer umfangreichen experimentellen Studie mit einem Modell des Modengenerators wurden weitere Effekte identifiziert, die zu Ungenauigkeiten in der Modensynthese führen können. Ein Effekt geht auf das resonante Verhalten der Lautsprecheranordnung zurück und äußert sich in einer relativen Änderung der Pegel von Zielmode und unerwünschten Spillovermoden. Ein weiterer Effekt wird durch Reflexionen im Kanal verursacht und stört die modalen Übertragungsfunktionen von Lautsprecherringen derart, dass die Amplituden der Spillovermoden bis auf das Niveau der Zielmode angehoben werden. Die Ergebnisse erklären die beschränkte Ausschöpfung theoretisch vorhandener Reduktionspotentiale, die in Versuchen zur aktiven Minderung von Rotor-Stator-Interaktionsmoden beobachtet wurden.

Author dc:creator

• Tapken, Ulf

Advisor dc:contributor.advisor

• Enghardt, Lars

Licence dc:rights.uri

• http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/

Language dc:language.iso

de

Identifier URI

http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5124

OAI identifier oai:identifier

oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/5453