Ein Mikrofonarray-Verfahren zur Untersuchung der Schallabstrahlung von Turbofantriebwerken

Kurzfassung

Diese Arbeit zeigt die Entwicklung und die Validierung eines Mikrofonarray-Verfahrens, mit dem erstmals die Untersuchung der gerichteten Schallabstrahlung von Turbofantriebwerken und die Trennung der Schallfeldanteile des Einlaufs, der Düse(n) und des Strahls möglich ist. Das inverse Verfahren mit dem Namen SODIX (source directivity modeling in the cross-spectral matrix) reproduziert die Kreuzspektralmatrix eines Mikrofonarrays unter Verwendung eines neuartigen Ersatzschallquellenmodells, das den Multipolcharakter der aeroakustischen Schallquellen, die Abstrahlcharakteristiken des Triebwerks, konvektive Verstärkungseffekte im Strahl und die Richtwirkung kohärenter Quellgebiete im Strahl abbilden kann. Das Quellmodell basiert auf der Annahme, dass die Amplitude jeder punktförmigen Ersatzschallquelle in Richtung eines jeden Mikrofons unterschiedlich ist und dass sich die Phasen der Schallwellen kugelförmig ausbreiten. Durch die Berücksichtigung der physikalischen Nebenbedingung mathematisch positiver Quellstärken konvergiert das Verfahren unabhängig von der Startlösung zu plausiblen Ergebnissen. Die Dynamik der Methode ist größer als 20 dB und das räumliche Auflösevermögen ist vergleichbar mit dem von Entfaltungsverfahren. Für die Validierung von SODIX wurden Messungen mit einem Turbofantriebwerk und einem linearen Array mit 248 Mikrofonen auf einem Freifeldprüfstand durchgeführt. Die SODIX-Ergebnisse bestätigen, dass die breitbandigen Schallfeldanteile stark gerichtet sind. Es werden Verarbeitungsschritte gezeigt, mit denen die Fernfeldrichtcharakteristiken der einzelnen Quellregionen am Triebwerk und im Strahl aus den SODIX-Ergebnissen berechnet werden können. Ein Vergleich dieser Berechnungen mit Messdaten aus dem Fernfeld belegt die hohe Genauigkeit des Verfahrens: Die Ersatzschallquellen reproduzieren die Referenzmessungen im Fernfeld im Mittel auf 0,5 dB genau. Weiterhin wird gezeigt, dass eine Modifikation des Triebwerks im Bereich der Düse akustisch nachgewiesen werden kann. Strahllärm und Triebwerkstöne werden ebenfalls untersucht. Zusätzlich zu den Freifeldtests wurden Messungen mit demselben Triebwerk in einer Prüfstandshalle durchgeführt. Akustische Messungen in Prüfstandshallen - die bisher nur für Leistungstests verwendet werden - versprechen deutliche Zeit- und Kosteneinsparungen gegenüber den aufwändigen Freifeldtests. Die akustischen Randbedingungen in der Halle werden untersucht und SODIX wird mit Modellen zur Korrektur der Strömung und einer dominanten Reflexion erweitert. Die SODIX-Ergebnisse aus der Prüfstandshalle werden ausführlich mit denen aus dem Freifeld verglichen. Insbesondere für die Berechnungen der breitbandigen Schallabstrahlung aus der Düse sind die Abweichungen kleiner als 2,5 dB. Die Ergebnisse dieser Arbeit belegen, dass SODIX ein stabiles und gut validiertes Verfahren zur Untersuchung der Schallabstrahlung von Turbofantriebwerken ist, das zukünftig von den Herstellern für die effiziente Entwicklung und Validierung neuer, lärmarmer Triebwerkstechnologien im Freifeld und in Prüfstandshallen eingesetzt werden kann.