Akustischer Kohärenzverlust in offenen Windkanälen aufgrund der turbulenten Scherschicht (Acoustic coherence lossin open wind tunnels due to the turbulent shear layer)

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Kohärenzverlust von akustischen Wellen durch eine turbulente Scherschicht. Dieser Kohärenzverlust führt in aeroakustischen Windkanälen dazu, dass die Kohärenzen von Mikrofonpaaren außerhalb der Strömung mit steigendem Abstand, steigender Frequenz und steigender Strömungsgeschwindigkeit absinken. Bei Mikrofonarraymessungen, die mithilfe von Beamforming-Algorithmen ausgewertet werden, wird die Quellstärke folglich unterschätzt. Ziel dieser Arbeit ist es, diesen Kohärenzverlust messtechnisch zu erfassen, Einflussfaktoren zu identifizieren und eine theoretische Modellierung zur Vorhersage zu entwickeln. Mithilfe dieser Modellierung soll der Quellstärkenverlust beim Beamforming kompensiert werden. Der Kohärenzverlust wurde in zwei verschiedenen Windkanälen, mit einem in der Strömung angebrachten Lautsprecher, gemessen. Zum einen im DNW-NWB, einem industriellen Windkanal, mit einer Düsengröße von 2,8 m x 3,2 m und zum anderen in einem Modellwindkanal AKG mit einer Düsengröße von 0,4 m x 0,4 m. Der Fokus bei der Messung im DNW-NWB lag dabei auf der akustischen Messung des Kohärenzverlustes mithilfe eines 6 m langen, linearen Arrays, bestehend aus 60 Mikrofonen. Mithilfe einer Hitzdrahtsonde wurden Strömungsprofile der Scherschicht vermessen. Im Modellwindkanal AKG lag der Fokus auf der Messung der Zwei-Punkt-Korrelationen der Strömung in der Scherschicht mittels Stereo-PIV. Unter Anwendung des Selbstähnlichkeitsprinzips wurde aus den mittels Stereo-PIV gemessenen Daten ein generisches Scherschichtmodell für beliebige ZweiPunkt-Korrelationen erzeugt. Basierend auf dem generischen Scherschichtmodell wurde mithilfe dreier verschiedener theoretischer Ansätze der akustische Kohärenzverlust berechnet. Die größte Übereinstimmung mit den gemessenen Kohärenzverlusten hat die Theorie nach Rytov ohne Markov-Annahme. Innerhalb dieser Theorie, wird basierend auf der parabolischen Näherung der Helmholtz-Gleichung, die akustische Wellenausbreitung auf ein eindimensionales Problem zurückgeführt, welches analytisch lösbar ist. Es zeigte sich in den Messungen, wie auch in der Theorie, dass die Kohärenz sowohl exponentiell quadratisch mit der Machzahl als auch mit der akustischen Wellenlänge skaliert. Der Kohärenzverlust mit steigendem Mikrofonabstand wird bis auf wenige dB Abweichung von der Theorie nach Rytov ohne Markov-Annahme vorhergesagt. Wird der Kohärenzverlust mithilfe der vorgestellten Theorie beim Beamforming ausgeglichen, wird auch der sonst übliche Verlust der Quellstärke bis auf 2 dB Abweichung kompensiert. Ohne Kompensation sinkt die Quellstärke um bis zu 15 dB. The present work deals with the loss of coherence of acoustic waves travelling through a turbulent shear layer. In aeroacoustic wind tunnels this loss of coherence leads to a decrease in the coherence of microphone pairs outside the flow with increasing distance, increasing frequency and increasing flow velocity. For microphone array measurements that are evaluated using beamforming algorithms, the source strength is underestimated. The aim of this work is to measure this loss of coherence, to identify influencing factors and to develop a theoretical model that is capable of the prediction of the coherence loss. With the help of this modeling the source strength loss of beamforming results should be compensated. The coherence loss was measured in two different wind tunnels with a loudspeaker mounted in the flow. On the one hand in the DNW-NWB, an industrial wind tunnel, with a nozzle size of 2.8 m x 3.2 m and on the other hand in a small wind tunnel AKG with a nozzle size of 0.4 m x 0.4 m. The main focus of the measurement in the DNW-NWB was the acoustic measurement of the loss of coherence using a 6 m linear array consisting of 60 microphones. Using a hot wire probe, flow profiles of the shear layer were measured. In the small wind tunnel AKG, the focus was on the measurement of the two-point correlations of the flow in the shear layer by means of stereo PIV. Using the self-similarity principle, a generic shear layer model for arbitrary two-point correlations was generated from the data measured by stereo PIV. Based on the generic shear layer model, the acoustic coherence loss was calculated using theoretically three different approaches. The greatest agreement with the measured coherence losses is the theory according to Rytov without Markov assumption. Within this theory, based on the parabolic approximation of the Helmholtz equation, the acoustic wave propagation is reduced to a one-dimensional problem that is analytically solvable. In the measurement, as well as in the theory, the coherence 2 was found to be exponentially quadratic scaled with the mach number as well as with the acoustic wavelength. The loss of coherence with increasing microphone distance is predicted to a few dB deviation from the theory according to Rytov without Markov assumption. If the loss of coherence is compensated with the help of the presented theory in the beamforming process, the usual loss of the source strength is compensated with a remaining deviation of 2 dB. Without compensation, the source strength drops by up to 15 dB.