Experimentelle Untersuchungen zum Einfluss von Gaseigenschaften auf aerodynamisch erzeugte Schallleistungen umlaufender Kreisprofile

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss des Strömungsmediums in einem weiten Bereich von Geometrie- und Strömungsparameter auf die Generierung der Schallleistung von im Rundlauf bewegter Kreiszylinder experimentell untersucht. Das Strömungsmedium wird dabei durch Zumischung von Helium zu Luft geändert, wodurch insbesondere die Schallgeschwindigkeit im Gasgemisch im Verhältnis von etwa bis zu 1:3 verändert und damit bei gleich bleibender Geometrie der bewegten Objekte das für die Schallabstrahlung wesentliche Verhältnis von Objektabmessung zu Schallwellenlänge im gleichen Verhältnis variiert. Diese Untersuchung der Schallgenerierung von bewegten Kreiszylindern ist eine Fortführung der Arbeiten von Wittstock, bei der die Schallleistung der Kreiszylinder gleicher Abmessungs- und Geschwindigkeitsvariationen aber nur in einem Gas, in Luft, dies aber bei verschiedenen statischen Drücken gemessen wurden, also bei gleich bleibender Schallgeschwindigkeit. Schallleistungen wurden bei beiden Untersuchungsvorhaben mit dem Hallraumverfahren in einem speziellen Messraum durchgeführt, in dem Änderungen von Druck und Gaszusammensetzung in einem Bereich zwischen statischen Umgebungsdruck bis herab zu 1 kPa und für beliebige Stufungen zwischen Luft und einem Anteil von 98% Helium eingestellt werden konnten. Der für eine normgerechte Hallfeldschallleistungsbestimmung der Klasse 1 für Luft bis etwa 600 Hz herab qualifizierte Messraum machte es wegen der nun bei gleichen Frequenzen hierzu dreifach größeren Wellenlänge allerdings erforderlich tiefe Frequenzen bis herab zum Druckkammerfeld zu kalibrieren, um auch bei durch die Heliumbeimischung vergrößerten Wellenlängen hinreichend genaue Schalleistungsbestimmungen durchführen zu können. Die dazu zusammen mit einer eingehenden Diskussion der neusten Entwicklungen auf dem Gebiet der Bestimmung und Angabe von Messunsicherheiten nach ISO und GUM im Kapitel 3 und 5 durchgeführten sorgfältigen Untersuchungen führte zu Ergebnissen, die anlässlich der Tagung der Deutschen Akustischen Gesellschaft 2005 in München auch bereits in den Hauptaussagen vorgetragen und so in Fachkreisen zur Diskussion gestellt wurden. Damit kann die Verlässlichkeit der Ergebnisse dieser experimentellen Arbeit in ihrem akustischen Teil als abgesichert gelten. Eingeschlossen in diese sehr breit angelegten Voruntersuchungen sind dabei auch die Kalibrierungen der Mikrofone in der für diesen Wandler üblicherweise nicht vorgesehenen Anwendung in verschiedenen Schallträgermedien sowie die mit akustischen Mitteln durchgeführte Bestimmung der Schallgeschwindigkeit zu den jeweiligen Gasgemischen. Detailangaben zu diesen Grundlagen der ausgeführten akustischen Messungen sind in den Anhängen A.1, A.2 und A.3 wiedergegeben. Für die im Frequenzbereich unter 600 Hz erforderliche akustische Vergleichsschallquellen-Messung wurde sowohl eine aerodynamische Referenzschallquelle wie auch eine hierfür konstruierte Kolbenschallquelle verwendet, deren Schallleistungen unter Freifeldbedingungen mittels Schallintensitätshüllflächenverfahren bestimmt wurde. Die mit Hitzdraht- und Splitfilmsonden durchgeführte Strömungsmessung bedurften dementsprechend auch für die geänderten Gase spezielle Kalibrierungen, über die in Abschnitt 5 sowie in Anhang A.4 ausführlich berichtet wird. Hierfür war eine spezielle Kalibrierungsvorrichtung erforderlich, deren Entwurf und Realisierung ebenfalls in dem zuvor genannten Abschnitten beschrieben ist. Der insgesamt für die akustischen und strömungstechnischen Messungen durchgeführte Ablauf ist in den Abschnitten 6 und 7 beschrieben. Die Strömungsmessung erfolgte dabei mit einer Traversiervorrichtung parallel und entlang der Zylinderlänge im kleinen Abstand. Aus dem so in radialer Richtung erhaltenen Strömungsgeschwindigkeiten wurden für weitere Auswertungen der Mittelwert gebildet. Die eigentlichen Schallquellen sind Kreiszylinderstäbe, die zwischen zwei Scheiben eingepasst umlaufen und deren Länge zu Durchmesser im Verhältnis zwischen 1:1 bis 1:13 variiert. Dabei konnten Drehzahlen bis zu 9000 U/min entsprechend Machzahlen bis 0,4 in Luft eingestellt werden. Aus der stufenweise durchgeführten Variation von Drehzahl/Anströmgeschwindigkeit, Geometrie und Gas ergab sich eine Vielfalt von 433 einzelnen gemessenen Schallleistungsspektren. Das Ziel der aeroakustischen Auswertungen, die im Abschnitt 8 sowie detailliert in Anhang F beschrieben sind, ist die quantitative Beschreibung der generierten Schallleistung in Abhängigkeit relevanter Einflussgrößen. Jedoch galt es auch Abhängigkeiten von der Helmholtzzahl HeD und HeL und damit schallabstrahlungsrelevante Einflüsse zu untersuchen. Dazu wurde in dem Anhang A.7 eine Modellrechnung mit Hilfe der DFEM für den Dipollinienstrahler verschiedener Ordnungen ausgeführt.

As goods from industrialized countries have become mature, classical quality measures such as durability are taken for granted and the focus has been shifting to more sophisticated aspects of quality. Consequently, sound emission has become one of the most important differentiation characteristics of today's products. Sound emission is most efficiently tackled at the source. However, due to insufficient knowledge of the mechanisms effective in sound generation, secondary measures such as casing are often used. As these mechanisms are typically more expensive and therefore often fall victim to cost cuts, the legislation is forcing manufacturers to reduce the sound emission of their technical products and to seek more efficient means at the emission source. Sound emission is defined by the sound power. This physical quantity is independent of environmental conditions and can be measured in situ. Due to these favorable characteristics, sound power has become a definite indicator of quality. Being of such importance, the calculation of the sound power of a design should be available routinely in the construction process. With this support, designer could assess alternative versions already in the early stages of development. In order to make these tools possible, acoustics research is given the task to describe the emission of sound power of vibrating surfaces and aerodynamic sound generation in a way that allows their reliable prediction. This dissertation contributes to a general guideline for the calculation of the flow induced radiated sound of a circular cylinder. It considers a wide spectrum of geometric dimensions and relevant flow parameters in its experiments, and therefore allows general statements about the spectral distribution of the emitted sound power dependent upon the most important influencing variables. The studies conducted in the dissertation are realized with helium. The speed of sound in helium is three times larger than the speed of sound in air. Hence, the acoustical wave length at a constant frequency is also three times as large. If the object dimension is held constant this results in a modified ratio of wave length to object dimension and a different radiation of sound. The Helmholtz-Number is influenced directly.