1.4.4 Berührungslose Schallfeldmessung für den Einsatz in Flugzeugtriebwerken
- Event
- 16. GMA/ITG-Fachtagung Sensoren und Messsysteme 2012
2012-05-22 - 2012-05-23
Nürnberg, Germany - Chapter
- 1.4 Optische Sensorik
- Author(s)
- D. Haufe, A. Fischer, L. Büttner, J. Czarske - Technische Universität Dresden
- Pages
- 143 - 150
- DOI
- 10.5162/sensoren2012/1.4.4
- ISBN
- 978-3-9813484-0-8
- Price
- free
Abstract
Die Belastung der Bevölkerung durch Fluglärm weltweit zu reduzieren ist das erklärte Ziel namhafter Hersteller, Forschungseinrichtungen und Behörden im Bereich des Flugwesens [Eur01]. Inbesondere die Lärmentstehung und -reduzierung in Triebwerken ist daher Gegenstand aktueller Forschung. So soll beispielsweise ein besseres Verständnis aeroakustischer Phänomene in sogenannten Bias-Flow-Linern erlangt werden, die zur Dämpfung von Triebwerkslärm eingesetzt werden [Heu10a].
Aus den gewonnenen Erkenntnissen soll schließlich eine Minimierung des abgestrahlten Schalls erzielt werden. Zu diesem Zweck werden berührungslosen Messverfahren benötigt, die in einem solchen Liner neben der Strömungsgeschwindigkeit auch die sogenannte Schallschnelle rückwirkungsfrei erfassen können. Die Schallschnelle ist ein Geschwindigkeitsvektor, der die schallinduzierte Teilchenschwingung beschreibt. Die Kenntnis der Schallschnelle erlaubt gegenüber der skalaren akustischen Größe Schalldruck zusätzliche Aussagen zur lokalen Ausbreitungsrichtung des Schalls.
Im Weiteren wird stets die Amplitude der Schallschnelle betrachtet, diese beträgt beispielsweise etwa 70 mm/s bei einem Schalldruckpegel von 120 dB in Luft. Bei den Bias-Flow-Linern ist die Schallschnelle von einer Strömungsgeschwindigkeit überlagert, welche in der Größenordnung von etwa 100 m/s liegt.
Um Schallschnelle und Strömungsgeschwindigkeit gleichzeitig zu erfassen, ist eine hohe Dynamik des Messbereichs erforderlich. Zur Bestimmung der Schallschnelleamplitude für Schallfrequenzen im Hörbereich (bis ca. 19 kHz) werden Geschwindigkeitswerte mit hoher Messrate benötigt. Weiterhin ist eine Messunsicherheit von ca. 1 mm/s anzustreben. Ferner wird eine simultane Mehrpunktmessung der Schallschnelle gefordert. Hierfür bieten sich optische Verfahren aus der Strömungsmesstechnik an. Erste Schallschnellemessungen wurden bereits 1976 mit einem Laser-Doppler-Anemometer (LDA) durchgeführt, dabei wurden Schallschnellen bis minimal 0,5 mm/s aufgelöst [Tay76]. Jedoch handelte es sich nur um eine punktförmige Messung. Eine bildgebende Schallschnellemessung erlaubt die Particle Image Velocimetry (PIV), was u. a. von [Han97] bei einer Schallschnelle von minimal 2 m/s demonstriert wurde. In [Fis09a] konnten mit PIV sogar Schallschnellen bis 1 mm/s aufgelöst werden. Standard-PIVMesssysteme bieten jedoch in der Regel eine zu geringe Messrate, um die Amplitude ohne Unterabtastung zu bestimmen. Dieser Nachteil entfällt bei der Doppler-Global-Velozimetrie (DGV). So wurden bereits in [Fis10] Schallschnellen mit DGV gemessen, jedoch bislang nur als Einpunktmessung mit einer Messdauer von 60 s.
In diesem Beitrag wird ein DGV-System mit sinusförmiger Frequenzmodulation (FM-DGV) erstmals für die Mehrpunktmessung der Schallschnelle eingesetzt. Im Ergebnis konnte der Schallschnelleverlauf in einem Kundtschen Rohr bestimmt werden. Zudem konnten bei einer Messrate von 50 kHz gleichzeitig mehrere Schallfrequenzen aufgelöst werden. Bei einer Messdauer von lediglich 1 s betrug die Messunsicherheit minimal 2 mm/s. Diese Unsicherheit wird gegenwärtig vom Rauschen bei der Photodetektion dominiert und kann durch längere Mittelung unterdrückt werden. Nach der Erhöhung der Messdauer auf 8 s wurde sogar eine minimale Unsicherheit von 1 mm/s erzielt, wobei diese Unsicherheit dann durch Langzeiteffekte (thermische Drifts) limitiert wird.