Localization and quantification of rotating aeroacoustical sources

Ocker, Christof; Becker, Stefan; Schröder, Wolfgang

doi:HT021572454

Localization and quantification of rotating aeroacoustical sources = Lokalisierung und Quantifizierung rotierender aeroakustischer Quellen

Ocker, Christof^RWTH*

2022

VerantwortlichkeitsangabeChristof Ocker

Ausgabe1. Auflage

ImpressumMünchen : Verlag Dr. Hut 2022

Umfang88 Seiten : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-8439-5147-0

ReiheStrömungsmechanik

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schröder, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH* ; Becker, Stefan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-09-12

Online
URL: http://deposit.dnb.de/cgi-bin/dokserv?id=86020e634d4b4f59b8ee96cb5937f5a9&prov=M&dok_var=1&dok_ext=htm
URL: http://www.dr.hut-verlag.de/978-3-8439-5147-0.html

Einrichtungen

Lehrstuhl für Strömungslehre und Aerodynamisches Institut (415110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Mikrofonarray (frei) ; Quellenlokalisierung (frei) ; Ventilatorenlärm (frei) ; fan noise (frei) ; microphone array (frei) ; rotating sound sources (frei) ; rotierende Schallquellen (frei) ; source localization (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das Ziel dieser Forschungsarbeit ist die Entwicklung einer Methode zur Lokalisierung rotierender Schallquellen und die Bestimmung deren Quellstärken, um die Schallemission rotierender Maschinen wie Windenergieanlagen, Axialventilatoren und Flugzeugtriebwerke zu verringern. Ein Mikrofonarray wird zur Messung des Schalldrucks verwendet und akustische Bildgebungsverfahren werden auf rotierende Schallquellen angewendet, um die Schallquellenverteilung zu bestimmen. Da die Schallquellen zu spezifischen Schallerzeugungsmechanismen im Strömungsfeld zugeordnet werden können, können Optimierungsschritte der Schaufelgeometrie hinsichtlich Lärmminderung entwickelt, zueinander verglichen und bewertet werden. Die Schallfelder um rotierende Schallquellen werden zunächst im ruhenden Laborsystem ausgewertet. Insbesondere das zeitlich gemittelte akustische Intensitätsfeld um rotierende Schallquellen wird berechnet, um die Richtung des akustischen Energieflusses abzuleiten. Die Lokalisierung von rotierenden Schallquellen mit einem Mikrofonarray umfasst die Berechnung der Schallausbreitung von den Schallquellen zu den Mikrofonen und eine entsprechende Signalverarbeitung des gemessenen Schalldrucks. Für rotierende Schallquellen ist typischerweise eine Transformation in ein rotierendes Bezugssystem erforderlich, um die Schallquellen relativ zu den Mikrofonpositionen stationär erscheinen zu lassen. Die Mikrofone rotieren virtuell mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie die Schallquellen und die gemessenen Drucksignale müssen vom Laborsystem in das rotierende Bezugssystem transformiert werden. Darüber hinaus rotiert das zunächst ruhende Medium zwischen den Schallquellen und den Mikrofonen selbst infolge der Transformation. Daher müssen die Schallfelder und die -ausbreitung im rotierenden Bezugssystem berechnet werden. Auf Basis einer akustischen Strahlenmethode wird die Schallausbreitung von rotierenden Schallquellen bei Unterschall- und Überschallgeschwindigkeiten berechnet. Diese Methode liefert akustische Strahlen, Wellenfronten und Laufzeiten im rotierenden Bezugssystem. Die akustischen Strahlen entsprechen den Pfaden, entlang welcher die Schallenergie sich ausbreitet. Die Schalldruckamplituden werden entsprechend dem Konzept der geometrischen Aufweitung einer Strahlenröhre berechnet. Die mit der akustischen Strahlenmethode berechneten Schallfelder stimmen mit den Schallfeldern überein, die mit der Methode der sphärisch-harmonischen Reihenentwicklung berechnet wurden. Der Vorteil der akustischen Strahlenmethode gegenüber der sphärisch-harmonischen Reihenentwicklung ist die Berechnung der akustischen Strahlen, die unabhängig von der Frequenz des sich ausbreitenden Schalls sind. Daher ist die Berechnung der Schallfelder für breitbandige Schallquellen effizienter. Aufbauend auf einer detaillierten Analyse der Schallfelder um rotierende Schallquellen und der entsprechenden Mikrofonarray-Signalverarbeitung werden die Methoden zur Lokalisierung und Quantifizierung von rotierenden Schallquellen auf Benchmark- und reale Testfälle angewendet. Ein simulierter und ein experimenteller Benchmark werden untersucht, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der vorgeschlagenen Methoden zu bewerten. Anschließend werden Axialventilatoren mit geschlitzten Vorderkanten analysiert, um die Lärmminderung der Vorderkantenmodifikationen infolge der Wechselwirkung mit einer turbulenten Anströmung zu bewerten. Hierbei ist es sinnvoll, nur den Beitrag der Schallquellen zu bewerten, welcher an der Vorderkante entsteht. Schließlich werden zwei maßstabsgetreue Windturbinen in einem Windkanal gemessen und die Schallquellen an den Rotorblättern der Windturbine lokalisiert. Die vorgeschlagenen Methoden berechnen auch bei hohem Hintergrundlärm zuverlässige Ergebnisse und tragen zu einem besseren Verständnis der Schallerzeugungsmechanismen bei.

This thesis aims to develop a method to determine the locations and strengths of rotating sound sources in order to reduce the noise emission of rotating machinery, such as wind turbines, axial fans and aircraft engines. A microphone array is used to measure the sound pressure and acoustic imaging methods are applied to rotating sound sources to determine the source distribution. Since the sound sources are connected to specific noise generation mechanisms in the flow field, strategies to optimize the blade geometry can be developed, compared and evaluated with the aim of noise reduction. The sound fields around rotating sound sources are first evaluated in the laboratory frame of reference, which is at rest. In particular, the time-averaged acoustic intensity field around rotating sources is calculated to derive the direction of the acoustic energy flow. The findings evidence that the direction of the acoustic energy flow differs from the radial direction and depends on the rotational velocity. The localization of rotating sound sources with a microphone array includes the calculation of the sound propagation from the sound sources to the microphones and a signal processing of the measured pressure data. A transformation into a rotating frame of reference is typically required for rotating sound sources to make the sound sources appear stationary relative to the microphone positions. The microphones rotate virtually with the same angular frequency as the sound sources and the measured pressure data need to be transformed from the laboratory frame of reference to the rotating frame of reference. In addition, the medium between the sound sources and the microphones itself rotates due to the transformation. Hence, the sound fields and the sound propagation need to be calculated in the rotating frame of reference. An acoustic ray method is derived to calculate the sound propagation from sound sources at subsonic and supersonic rotation. This method provides acoustic rays, wave fronts and travel times in the rotating frame of reference. The acoustic rays correspond to the paths along which the acoustic energy propagates and the sound pressure amplitudes are calculated using the concept of the geometrical spreading of a ray tube. The sound fields calculated with the acoustic ray method agree well with the sound fields calculated with the spherical harmonic series expansion method. The advantage of the acoustic ray method compared to the spherical harmonic series expansion method is the calculation of the acoustic rays, which are independent of the frequency of the propagating sound. Hence, the calculation of the sound fields around broadband sound sources is computationally more efficient. After a detailed analysis of the sound fields around rotating sound sources and the corresponding microphone array signal processing, the framework for the localization and quantification of rotating sound sources is applied to benchmark and real-world application cases. A generic benchmark and an experimental benchmark are investigated to assess the accuracy and reliability of the proposed methods. Then, axial fans with different slitted leading edges are analyzed to evaluate the modifications' performance to reduce turbulence interaction noise, which is generated due to the interaction of the fan blade leading edge with inflow turbulence. Since turbulence interaction noise only occurs near the leading edge, it is reasonable to evaluate only the contribution of those sound sources, which are located there. Finally, two scaled wind turbines are measured in a wind tunnel and the sound sources are localized at the wind turbine blades. Even if background noise is high, the proposed methods work reliable and contribute to a better understanding of the noise generation mechanisms.

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