Entwicklung eines akustischen Messsystems für aerodynamisch optimierte Windkanäle

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines akustischen Messsystems für den Einsatz in Windkanälen ohne akustische Optimierung am Beispiel des Laminarwindkanals des Instituts für Aerodynamik und Gasdynamik, Universität Stuttgart. Dieser Kanal zeichnet sich durch einen extrem niedrigen Turbulenzgrad und eine geschlossene Messstrecke aus. Die Nachteile der aerodynamisch optimalen Auslegung sind ein hoher Hintergrundlärmpegel und Reflexionsanteil in der Messstrecke. Das akustische Messsystem basiert auf der Mikrofonarray-Technologie. Diese ermöglicht es, auf der Grundlage von örtlich verteilt synchron erfassten Mikrofonsignalen ein komplexes Schallfeld in einzelne Quellen aufzulösen und deren Position und Frequenzinhalt zu bestimmen. Der Einsatz der Array-Technologie war bislang auf Kanäle mit offener bzw. hinreichend großer Messstrecke und einem reduzierten Hintergrundlärmpegel beschränkt. Die existierenden kommerziellen Komplettsysteme sind entweder nicht flexibel genug oder zu teuer. Daher wurde der überwiegende Teil der Hardware sowie die gesamte Software am Institut entwickelt und hergestellt. Die Gesamtkosten liegen bei ca. 25 000 €. Der resultierende 96-Kanal Array kann aufgrund eines Verstärkungsumfangs von 80 dB sowohl im LWK als auch in akustisch optimierten Windkanälen mit einem extrem niedrigen Hintergrundlärmpegel eingesetzt werden. Zur Lösung der Reflexionsproblematik wird der herkömmliche Array-Algorithmus (Classical Beamforming) durch ein Reflexionsmodell basierend auf Spiegelquellen erweitert. In Simulationen zeigt sich, dass der erweiterte Algorithmus (Reflection Canceller) ein im Vergleich zum herkömmlichen Algorithmus verbessertes räumliches Auflösungsvermögen zeigt. Dieser Effekt wird auf der Grundlage von Messungen des Reflexionsverhaltens in der Messstrecke sowie aeroakustischen Messungen an Punktquellen verifiziert. Zur Lösung der Problematik des Hintergrundlärms wurde ein In-Flow-Array entwickelt. Dabei werden die Mikrofone in den Staupunkt von NACA0015-Profilen eingebaut. Aufgrund der im Staupunkt vernachlässigbaren Anströmung kann so auf den üblicherweise verwendeten Mikrofonschaum verzichtet werden. Vier dieser Profile mit insgesamt 72 Mikrofonen werden in unmittelbarer Nähe des interessierenden Windkanalmodells angebracht. Eine Abdeckung, bestehend aus feinmaschiger Gaze, gewährleistet selbst bei Schiebewinkeln bis 45 ° eine laminare Strömung über den Mikrofonkapseln. Damit ist eine dreidimensionale Mikrofonanordnung möglich. Der In-Flow-Array wurde bei der Messung des Hinterkantenlärms eines NACA-0012-Profils erfolgreich eingesetzt.

The dissertation describes the development of an acoustic measurement system for the use in wind tunnels without an acoustic optimization. The wind tunnel used as example is the Laminar Wind Tunnel (LWK)of the Institute of Aerodynamics and Gasdynamics, University of Stuttgart. This wind tunnel has an extremely low turbulence level and a closed test section. The major drawback of these optimized aerodynamic conditions is a high background noise level and reflections in the test section. The acoustic measurement system is based on the microphone array technique. Here a complex sound field is sampled synchronously with a multitude of microphones distributed in space. The data processing allows to locate and quantify the spectra of single sources in the sound field. Up to now arrays are successfully used in wind tunnels with an open test section and a low background noise level. The existing systems, that are commercially available, are either not versatile enough or too expensive. Therefore the majority of the hardware and the complete software has been developed and produced at the institute. The overall costs of the system are 25000 €. The resulting 96-channel array can be used in the LWK as well as in acoustic wind tunnels with an extremely low background noise level due to an amplification range of 80 dB. The software allows to perform all basic steps from the array design up to the visualisation of the measurement results. To solve the problem of the reflections in a small closed test section the most often used array algorithm (Classical Beamforming) is expanded with a reflection model based on mirror sources. In simulations this expanded algorithm (Reflection Canceller) shows an increased spatial resolution compared to the traditional algorithm. To verify this effect first the reflection pattern in the test section has been measured using a monopole sound source. The results have been used to optimize the reflection model in the Reflection Canceller. The optimized algorithm then showed an increased spatial resolution for measurements of the noise produced by aeroacoustic point sources. To solve the background noise level problem an In-Flow-Array has been developed. The Wall-Array used during the reflection analysis of the test section worked satisfactorily for the measurement of aeroacoustic point sources. It failed to detect the noise of trailing edges, because these sources are significantly quieter. The main reasons for this are the extreme background noise level in the test section, the distance between the Wall-Array and the measurement object and finally the turbulent boundary layer on the wind tunnel wall. The developed In-Flow-Array avoids these problems. The microphones are placed in the stagnation point of NACA0015 profiles. Because of the negligible stream velocity in this point there is no need for the usually used wind shield foam. Instead the microphones are covered by a sheet with a hole diameter of 0.055 mm. With that, even for yaw angles up to 45 degree the resulting flow past the microphones remains laminar. Therefore, a three dimensional microphone pattern could be used. Four profiles with 72 microphones overall are placed in the near field of the interesting sound sources. The In-Flow-Array has been successfully tested with measurements of the trailing edge noise produced by a NACA-0012 profile.