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Vom leisen Flug der Eulenvögel zur Minderung der Schallentstehung an Tragflügeln

Während der aerodynamisch erzeugte Lärm beim Menschen erst seit vergleichsweise kurzer Zeit Aufmerksamkeit gefunden hat, hat ein solches Geräusch schon seit Millionen von Jahren Bedeutung für den Flug von beutegreifenden Vögeln. Die meisten Eulenvögel (Strigiformes) weisen verschiedene Anpassungen auf, um Flug für ihre Beutetiere praktisch unhörbar zu machen und minimieren auf diese Weise die Fluchtchancen der Beutetiere. Im Mittelpunkt eines vom Fachgebiet Technische Akustik durchgeführten Forschungsprojektes stand die Erforschung dieses leisen Fluges und die Nutzbarmachung für technische Anwendungen. Das im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms „Strömungsbeeinflussung in der Natur und Technik“ geförderte Vorhaben lieferte einen Beitrag zur Übertragung der Mechanismen des extrem leisen Eulenflugs auf die Technik. Eine der Möglichkeiten der Übertragung dieser Mechanismen ist der Einsatz poröser Oberflächen bzw. die Fertigung umströmter Körper aus porösem Material. [mehr]

Aeroakustischer Windkanal

Die Untersuchung der Schallentstehung an umströmten Körpern hat große Bedeutung für die Lärmminderung an Flugzeugen, Fahrzeugen und Triebwerken aber für viele andere technische Anwendungen. Neben theoretischen Analysen sind in vielen Fällen experimentelle Untersuchungen sinnvoll.

Für derartige Untersuchungen steht der Gruppe Aeroakustik ein spezieller aeroakustischer Windkanal zur Verfügung. Dieser Windkanal ermöglicht Messungen in nahezu lautloser Strömung. Damit sind akustische Untersuchungen an Modell-Flügelprofilen und anderen Messobjekten möglich.

Bei dem Windkanal handelt es sich um einen selbst entwickelten und realisierten Freistrahl-Windkanal, bei dem zahlreiche Maßnahmen für ein extrem geringes Eigengeräusch und eine hervorragende Strömungsqualität sorgen. So wird bei 50 m/s Windgeschwindigkeit ein Schalldruckpegel von nur 61 dB(A) erzeugt. [mehr]

Analyse von Schaufellärm

Die Fan- und Verdichterstufen eines Flugtriebwerks emittieren sowohl tonalen als auch breitbandigen Lärm. Bei modernen, auch unter akustischen Gesichtspunkten ausgelegten Verdichtern ist der ursprünglich dominierende tonale Anteil verringert, so dass beide Lärmkomponenten in etwa gleichen Stellenwert besitzen. Deshalb kommt nunmehr auch der Minderung des breitbandigen Anteils eine wichtige Bedeutung zu.
Es kann davon ausgegangen werden, dass die Geometrie von Rotor- und Statorschaufeln des Fans bzw. Verdichters einen signifikanten Einfluss auf die Schallentstehung hat. Dieser Einfluss wird am Fachgebiet Technische Akustik auf experimentellem Weg erforscht. Hierzu werden verschiedene Schaufelprofile im aeroakustischen Windkanal untersucht und hinsichtlich ihrer akustischen Parameter vermessen. Zum Einsatz kommen dabei diverse Messverfahren und -methoden, so Mikrofonarray-, Hitzdraht- und Wanddruck-Messungen. Die gemessenen akustischen und strömungsmechanischen Daten werden dann mittels statistischer Analyseverfahren gekoppelt ausgewertet. Ziel ist eine Identifizierung des Zusammenhangs von strömungsmechanischen Größen und abgestrahltem Schall. Ferner soll die Grundlage für Modelle geschaffen werden, die den genannten Zusammenhang beschreiben und eine Vorhersage der Lärmemission aus bekannten strömungsmechanischen Parametern gestatten.

Mikrofonarray-Messungen

Im Entwicklungsprozess von Fahrzeugen, Maschinen und Geräten spielt die Minderung der Lärmemission regelmäßig eine große Rolle. Der Einsatz von Messverfahren auf der Basis von Anordnungen mit einer großen Anzahl von Mikrofonen (Mikrofonarray) liefert dazu wichtige Informationen. Diese Mikrofonarray-Messverfahren, die auch für aeroakustische Messungen viele Vorteile bieten, werden in der Gruppe Aeroakustik verwendet und auch weiterentwickelt.

Dabei liegt der Schwerpunkt zum einen auf Verfahren zur automatischen Trennung mehrerer Quellmechanismen sowie auf Verfahren zur Steigerung der Qualität der Messergebnisse bei tiefen Frequenzen. [mehr]

Fluid-Struktur-Akustik-Interaktion

Ein sehr interessantes Forschungsfeld ist die Untersuchung der Fluid-Struktur-Akustik-Interaktion. Darunter versteht man die gegenseitige Beeinflussung von Struktur, Strömung und zugehöriger Schallentstehung. Dazu wird am Fachgebiet zum Beispiel experimentell untersucht, wie sich die regelmäßige Ablösung von Wirbeln an einem umströmten Zylinder (die sogenannte Kármán'sche Wirbelstraße) durch stromab angebrachte flexible Klappen (sogenannte Flaps oder Flaplets) beeinflussen lässt und welche Auswirkungen diese Beeinflussung auf die aerodynamische Schallentstehung hat. Ein weiteres Thema ist die mögliche Minderung der Schallentstehung an der Hinterkante umströmter Tragflügel durch flexible Klappen. [mehr]

Numerische Untersuchung der Schalldämmung strukturierter Bleche

Konstruktionen aus wabenförmig strukturierten Blechen bieten eine erhöhte Steifigkeit bei gleichem Masseeinsatz gegenüber Bauteilen aus glattem Blech und somit großes Potenzial im Fahrzeug- und Flugzeugbau. Zur Verwendung innerhalb der industriellen Entwicklung und Auslegung eines Produktes in der Verkehrstechnik ist die Möglichkeit einer Klassifizierung des akustischen Verhaltens nötig. Zu diesem Zweck wird die Schalldämmung von einschaligen Wänden und Doppelwänden aus strukturierten Blechen mit verschiedenen Werkstoff- und Geometrieeigenschaften experimentell durch Messungen im Fensterprüfstand sowie durch numerische Berechnungen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode untersucht.

Hochfrequenter Körperschall

Die Berechnung der Körperschallausbreitung in Strukturen spielt unter anderem für den Entwurf von Fahrzeugkonstruktionen eine Rolle. Herkömmliche deterministische numerische Methoden wie klassischen Finite-Elemente- oder Boundary-Elemente-Methoden kommen für die Berechnung bei hohen Frequenzen nicht zuletzt wegen des sehr hohen Berechnungsaufwandes allerdings nicht in Frage. Die für solche Probleme eingeführte Methode der Statistischen Energieanalyse (SEA) liefert jedoch in vielen Fällen zu wenig differenzierte Ergebnisse und lässt sich nicht immer optimal anwenden.

Verschiedene zur SEA alternative bzw. ergänzende Verfahren sind bereits vorgeschlagen worden. Eines dieser Verfahren, das an der JP Aeroakustik gegenwärtig weiter untersucht wird, ist eine Energie – Randelementemethode für hohe Frequenzen. Während die SEA für jedes Bauteil nur einen Mittelwert für die Schwingungsenergie liefert, wird bei diesem Verfahren eine ortsabhängige Schallenergiedichte berechnet.

Lärmminderung durch Schalldämpfer

Schalldämpfer dienen zur Unterbindung der Schallausbreitung zwischen zwei benachbarten Räumen durch Kanäle. Sie sind daher eine der grundlegenden Maßnahmen der sekundären Lärmbekämpfung, und die Vorhersage der erreichbaren Dämpfung von Schalldämpfern unterschiedlicher Geometrien und gegebenenfalls mit unterschiedlichen Eigenschaften des Absorbermaterials ist eine wichtige Aufgabe der technischen Akustik.

Im Rahmen diverser Forschungsprojekte wurden sowohl Absorptionsschalldämpfer als auch Reflexionsschalldämpfer für verschiedene Anwendungen ausgelegt. Die Konzeption erfolgt dabei analytisch auf Basis von Rechenmodellen oder numerisch mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode.

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