Fluidakustik

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Einleitung Fluidakustik

Fragestellungen zur Schallausbreitung in Flüssigkeiten und Gasen beinhalten zumindest die vier folgenden Parameter:

  • Unterscheidung zwischen Innen- und Aussenräumen
  • Art einer Strömung, in der sich der Schall ausbreitet
  • Struktur-Fluid-Interaktion
  • Interaktion mit Verbrennungsprozessen

Die folgende Matrix zeigt typische akustische Fragestellungen und die Ausprägung der vier genannten Parameter. Links führen zu den jeweiligen Abschnitten der Fluidakustik:

Fluid

Innenraum vs. Aussenraum

Fluid- / Strukturinter- aktion

Verbrennungs- prozesse

Abstrahlung von dickwandigen, stationären Maschinen

ohne Fluidströmung (v=0)

Aussenraum

nein

nein

Abstrahlung von großflächigen, dünnwandigen Maschinenteilen

ohne Fluidströmung (v=0)

Aussenraum

nein

nein

Raketentriebwerke

turbulente Strömung

Innenraum

ja

ja

Windräder

turbulente Strömung

Aussenraum

ja

nein

Motorakustik

turbulente Strömung

Innenraum

ja

ja

Dopplereffekt in einfacher Strömung

uniforme Strömung beliebiger Machzahl

Aussenraum

nein

nein

Innenraumeigenfrequenzen

nein

Innenraum

möglich (bei dünnwandigen Strukturen)

nein

Windschott bei Cabrios

turbulente Strömung

Aussenraum

nein

nein

 

 

Interaktion zwischen Fluid und Struktur (ohne Strömung)

Bei der Analyse von Strukturschwingungen wird der Einfluss des umgebenden ruhenden Mediums meist vernachlässigt. Dies ist insbesondere dann zulässig, wenn

  • die Schallquelle klein ist im Vergleich zur betrachteten Wellenlänge im Medium
  • und die Schallquelle sehr steif ist im Vergleich zum Medium.

Der Trend zur Leichtbauweise z.B. bei Transportmitteln aller Art (Schiffe, Fahrzeuge und Flugzeuge) führt bei den beteiligten Akustikern oft zu der Fragestellung, ob es einen Frequenzbereich gibt, bei dem das umgebende Medium einen relevanten Einfluß auf die akustische Wahrnehmung hat. Die angegebene Referenz betrachtet den einfachsten Fall des Umgebungseinflusses auf einen schwingenden Kugelstrahler 0. Ordnung. Für diese Fragestellung existieren analytische Lösungen, die das Problem deutlich vereinfachen, allerdings ist es von nur geringer technischer Relevanz:

Literatur: Giljohann, A. Landfester: An introduction to fully coupled acoustical systems including damping mechanisms, Festschrift zum 65. Geburtstag von Prof. Dr. Ing. Dr. h.c. F. G. Kollmann, 1999

Dabei geht man davon aus, dass sich der akustische Druck auf der Oberfläche der Struktur durch die Oberflächenschwingungen der Struktur verursacht wird. Bei einer Betrachtung im Modalbereich nimmt man dann an, dass der Druck eine Funktion des Normalkomponente der Schwingungsmoden ist:

Fluid-Struktur-Kopplung: Druck als Funktion der Oberflächenstrukturmoden

 

Schwingungen von mit Wasser gefüllten Trinkgläsern als Beispiel für die Interaktion von Struktur und ruhendem Fluid:

Glasspieler Hamburg
Zum Video (0:15 min, 4 MB) des Glasspielers inkl. Tonspur

 

Akustik in einfachen homogenen Strömungen

Nach der Behandlung von ruhenden Fluids ist die Betrachtung von einfachen homogenen Strömungen der zweiteinfachste Fall: Diese vereinfachte Behandlung von Strömungen erlaubt bereits bescheidenere strömungsakustische Simulationen oder sogar analytische Lösungen. Die im folgenden behandelten sehr stark vereinfachte Modellierungsansätze bedeuten:

  • eine vereinfachte Betrachtung der Strahlergeometrie: Annahme einer akustischen Punktquelle
  • die Annahme einer homogenen Strömung
  • die Annahme eines großen Abstandes zwischen akustischer Quelle und dem Beobachter.

Literatur: A. Landfester, D. Giljohann: Finite/Infinite Element Methods for the Helmholtz Equation in large exterior Domains including Damping and Flow, 7. Int. Conf. on Sound & Vibr., Garmisch, 2000  +  Conference slides

 

Die Animation unten zeigt die Schalldrücke eines (ruhenden) Kugelstrahlers 0. Ordnung in Unterschall- (Machzahl M = 0,1) bis in den Überschallbereich (M = 1,5) unter Berücksichtigung der oben angeführten Annahmen. Der Machsche Kegel im Überschallbereich ist deutlich zu erkennen:

 

Geräuschbeispiele

Die folgenden Geräuschbeispiele simulieren die Geräuschabstrahlung eines bewegten Kugelstrahlers 0. Ordnung in Abhängigkeit der Frequenz und Machzahl M:

M=0.2, 1000 Hz  500k
  Machzahl M=0.2, Frequenz f=1000 Hz

 

M=0.2, 2000 Hz  500k
  Machzahl M=0.2, Frequenz f=2000 Hz

 

M=0.5, 1000 Hz  500k
  Machzahl M=0.5, Frequenz f=1000 Hz

 

M=0.5, 2000 Hz  500k
  Machzahl M=0.5, Frequenz f=2000 Hz

 

 

 

Windräder

Windräder bei Pamplona (Spanien)Strukturen, die turbulenten Strömungen ausgesetzt sind, lassen sich oft nur basierend auf Erfahrungen auslegen. Simulationsmodelle geeigneter Genauigkeit oder gar analytische Lösungen sind meist nicht verfügbar.  Z.B. sind die Abschätzungen der dynamischen Lasten bei der Winkradauslegung oft nicht konservativ genug durchgeführt worden, was zu Materialversagen bei Windrädern führt (siehe Spiegel-Wissen: Unerwartete Kräfte).

 

 

 

 

 

 

Kommen zur Struktur-Fluid-Interaktion zusätzlich noch weitere Parameter wie Verbrennungsprozesse hinzu, wird die Auslegung noch schwieriger (siehe Raketen-Killer: Zerstörerische Schallwellen erstmals gefilmt. Spiegel-Online, 2008).

 

 

 

Simulation und Strömungsakustik

Windschottpatent

Die Herausforderungen an die Simulation von strömungsakustischen Phänomenen sind enorm. Als nur ein Beispiel für ein strömungsakustisches Problem sei das Windschott-Patent von Daimler-Benz genannt. Kern dieses Patentes ist ein gelochtes Blech hinter den Vordersitzen von Cabrios zur Reduktion des Geräuschpegels am Ohr der Insassen.

Windschott Cabrio

Lochblech hinter den Vordersitzen von Cabrios

 

Ein Lochanteil von 30 Prozent führt zur Reduzierung des Geräuschpegels von ca. 6 dB am Fahrerohr. Die quantitative akustische Simulation dieses Problems mit genügender Genauigkeit scheint auf absehbare Zeit noch nicht wirtschaftlich:

  • Die kleinen Bohrungen im Lochblech von wenigen Millimetern Durchmesser bezogen auf die Fahrzeuglänge von einigen Metern bedeuten bereits eine Herausforderung für die Netzgenerierung.
  • Die Implementierung von Turbulenzmodellen für die strömungsakustische Simulation ist noch nicht auf einem Stand, um quantitativ verwertbare Ergebnisse für dieses Problem zu prognostizieren.

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