Analyse und Synthese akustischer Interaktionsmoden von Turbomaschinen

Abstract

Die Modenanalyse und die Modensynthese tragen wesentlich zur Entwicklung lärmarmer Turbomaschinen und von Schallminderungsmaßnahmen bei. Mithilfe der Modenanalyse wird die Amplitude jeder Mode im Strömungskanal bestimmt und so die Schallanregung einer Turbomaschine detailliert erfasst. Durch Modensynthese werden einzelne Moden gezielt angeregt, um die Übertragungseigenschaften von Turbomaschinenkomponenten zu untersuchen und Rotor-Stator-Interaktionsmoden durch destruktive Interferenz aktiv zu unterdrücken. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass Modenanalysen und Modensynthesen unter Verwendung wandbündig installierter Arrays von Mikrofonen bzw. Lautsprechern mit hoher Genauigkeit realisierbar sind. Die Anforderungen und Beschränkungen wurden eingehend untersucht und Einsatzrichtlinien formuliert. Eine systematische Optimierung der axialen Arraypositionen ermöglicht Modenanalysen bei hohen Frequenzen, wie sie bisher nur mit Mikrofonrechen erzielt wurden. Eine mit zunehmender Frequenz abnehmende Trennschärfe des wandbündigen Arrays muss jedoch durch eine größere Gesamtzahl an Messpositionen ausgeglichen werden. Die in der Optimierung der Modenanalyse gewonnenen Erkenntnisse lassen sich auf die Modensynthese übertragen. Weitere Effekte, die zu Ungenauigkeiten in der Modensynthese führen können, wurden experimentell und mit einem Modell des Modensynthesizers untersucht. Resonanzen in der Lautsprecheranordnung äußern sich in einer relativen Änderung der Pegel von Zielmode und unerwünschten Spillovermoden. Reflexionen im Kanal stören die Übertragungsfunktionen der Lautsprecherringe so, dass die Pegel der Spillovermoden stark angehoben werden und die Zielmode nicht dominant erzeugbar ist. Acoustic mode analysis and acoustic mode synthesis are essential tools for developing low-noise designs and of noise reduction techniques for turbomachinery. Mode analysis determines the amplitude of each mode in the flow duct, enabling a detailed assessment of the turbomachinery sound generation. Mode synthesis can selectively excite individual duct modes. This facilitates the thorough examination of the acoustic transfer functions of turbomachinery components, as well as the active elimination of rotor-stator interaction modes by destructive interference. The thesis demonstrates that high-accuracy mode analysis and synthesis are feasible using arrays of wall-flush mounted microphones resp. loudspeakers. The methods requirements and limitations were investigated, enabling the formulation of guidelines for its use within a prescribed frequency range. Systematic optimization of the axial array positions allows accuracies previously achievable only with microphone rakes. However, the decreasing resolution of the wall-flush array at higher frequencies must be compensated by increasing the number of measurement positions. The knowledge gained in the mode analysis optimization is transferable to the mode synthesis method. Further effects impairing the accuracy of the synthesis were investigated experimentally and using a model of the mode synthesizer. Resonances in the loudspeaker arrangement cause a relative change in the levels of the target mode and unwanted spillover modes. Reflections in the duct interfere with the transfer functions of the loudspeaker rings such that the levels of the spillover modes are strongly increased and the target mode cannot be generated dominantly.