Synchrone Particle Image Velocimetry und Mikrofonmessung am Freistrahl

Abstract

Die Forschung im Bereich der Aeroakustik am Freistrahl hat mittlerweile eine Geschichte von 60 Jahren, in denen kontinuierlich Fortschritte gemacht wurden. Den Anfang dieser Forschung prägte Lighthill (1952) durch seine Analogie zur Schallentstehung in Strömungen. Er formulierte in seiner Arbeit eine Gleichung, die sich aus den strömungsmechanischen Grundgleichungen ergibt und ohne Näherung die Ausbreitung des Schalls durch eine bestimmte Quellverteilung beschreibt. Mit Lighthills Gleichung ist es also möglich, bei einer bekannten Quellverteilung in einem bestimmten Volumen die Ausbreitung von Schallwellen zu berechnen. Dies gilt jedoch nur, wenn der turbulente Bereich mit den Quellen örtlich begrenzt und ohne feste Berandungen ist. Diese Voraussetzungen für aeroakustische Schallquellen, wie Lighthill sie beschreibt, erfüllt der Freistrahl, da der Schall sich frei ausbreiten kann und in einem annähernd begrenzten, rotationssymmetrischen, turbulenten Bereich seinen Ursprung hat. Trotz diverser aeroakustischer Analogien (Jordan und Gervais, 2008), die aus den Arbeiten von Lighthill entwickelt wurden, ist noch nicht geklärt, welchen Strömungsgrößen eine entscheidende Rolle im Quellmechanismus für aeroakustische Schallwellen zukommt. Hier war Ribner (1962) einer der ersten, der den Zusammenhang zwischen Strömungsgrößen im Quellgebiet und Druckschwankungen im Fernfeld mit Hilfe von Lighthills Gleichung diskutierte und nachweisen konnte. Die Methode, die Quellmechanismen durch eine synchrone Aufnahme von Nah- und Fernfeldgrößen zu identifizieren, wird Causality Correlation genannt. Im Nahfeld werden neben den für die Schallentstehung verantwortlichen Schwankungsgrößen auch unwesentliche hydrodynamische Schwankungen aufgezeichnet, wohingegen im Fernfeld nur noch Druckschwankungen, ausgelöst durch die ursächlichen Quellen, aufgezeichnet werden. Durch eine solche Messung lässt sich ein kausaler Zusammenhang zwischen der Strömung und der aeroakustischen Schallabstrahlung durch mathematische Methoden aus der Signalanalyse, wie der Kreuzkorrelation, aufzeigen.