Validierung von Übertragungsmodellen für ortsfeste und rotierende Schallquellen in Strömungskanälen durch drucksensitive Farbe

Abstract

Die experimentelle Analyse von Schallfeldern in Strömungskanälen wird i.d.R. mit wandbündig installierten Mikrofonarrays unter Einsatz von Modellen zur Schallausbreitung umgesetzt. Neben dem analytischen Modell der Ausbreitung von akustischen Kanalmoden in einer konstanten Hintergrundströmung existieren verschiedene numerische Eigenlösungsverfahren für die Berücksichtigung des Einflusses von Strömungsprofilen in radialer und Umfangsrichtung. Zur Untersuchung der Modenausbreitung in einer über den Kanalquerschnitt ungleichmäßigen Hintergrundströmung, wie sie z.B. durch Einsaugung der Rumpfgrenzschicht bei eingebetteten Triebwerken auftritt, entwickelten Klähn et al. ein analytisches Modell. Die Validierung der Modenmodelle und der daraus abgeleiteten Quellmodelle in Form der Greenschen Funktion kann anhand von experimentell bestimmten Wellenzahlvektoren und hochaufgelösten Schalldruckverteilungen erfolgen. Diese lassen sich aufgrund der diskreten Abtastung durch Mikrofonarrays nur schwer realisieren, da für eine ausreichende Genauigkeit eine sehr hohe Mikrofonanzahl eingesetzt werden muss. Flächige Messungen des Schalldrucks mit optischen Verfahren bieten hier eine vielversprechende Alternative. Das Verfahren der drucksensitiven Farbe (engl. pressure-sensitive paint, PSP) ermöglicht räumlich hochaufgelöste Druckmessungen. Spezielle PSPs ermöglichen zudem zeitlich hochauflösende Druckmessungen und werden als iPSP bezeichnet (engl. instationary PSP). Die Einsatzfähigkeit von iPSP auch für akustische Anwendungen, bei denen die Druckniveaus bedeutend geringer sind als bei herkömmlichen Strömungsmessungen, konnte 2020 nachgewiesen werden. In dieser Studie wurde das Schallfeld in einem rechteckigen Resonanzkörper bei Lautsprecheranregung untersucht. Ähnliche Versuche wurden mit stehenden Wellen in rechteckigen Kanälen unter Einsatz von optischer Holografie-Interferometrie sowie von Speckle-Interferometrie veröffentlicht. In dieser Studie werden zwei Messaufbauten zum Einsatz der iPSP-Messtechnik vorgestellt. Der erste Aufbau dient zur Messung der Schalldruckverteilung der von einem Lautsprecher abgestrahlten, ausbreitungsfähigen Kanalmoden an der Kanalaußenwand. Mit dem zweiten Aufbau wird das akustische Nahfeld eines Lautsprechers untersucht. Den gewonnenen Messdaten werden Vergleichsmessungen mit einem Mikrofonarrray gegenübergestellt. Abschließend wird der Einsatz der iPSP-Messdaten zur Validierung der Moden- und Quellmodelle diskutiert.