Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3899
Main Title: Comparability of microphone array measurements in open and closed wind tunnels
Translated Title: Vergleichbarkeit von Mikrofon-Array Messungen in offenen und geschlossenen Windkanälen
Author(s): Kröber, Stefan
Referee(s): Nitsche, Wolfgang
Dillmann, Andreas
Peitsch, Dieter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die Mikrofon-Arraymesstechnik ist eine etablierte und weitverbreitete Messtechnik für die Lokalisierung und Quantifizierung von Schallquellen in aeroakustischen Experimenten. Derartige Messungen werden oft im Windkanal mit offener oder geschlossener Messstrecke durchgeführt. Die vorliegende Arbeit untersucht die Leistungsfähigkeit und Vergleichbarkeit von Mikrofon-Arraymessungen in offenen und geschlossenen Messstrecken und führt einen systematischen Vergleich durch. Die verschiedenen Effekte, welche die Ergebnisse aeroakustischer Messungen in unterschiedlichen Messstrecken beeinflussen, können in drei übergeordneten Gruppen zusammengefasst werden. Abweichungen können von Unterschieden in der aeroakustischen Schallgenerierung herrühren. Die zweite Gruppe von Einflüssen betrifft Unterschiede in der Versuchsanordnung. Die dritte und letzte Gruppe besteht aus Einflüssen infolge unterschiedlicher Randbedingungen in den verschiedenen Messstrecken sowie den messstreckenbedingten Effekten, welche die Schallausbreitung beeinflussen. Im Rahmen der Beurteilung der Vergleichbarkeit von Mikrofon-Arraymessungen in offenen und geschlossenen Windkanälen konzentriert sich diese Dissertation auf die dritte Gruppe - den Einfluss der Messstreckenrandbedingungen und die Auswirkung von Ausbreitungseffekten auf die Mikrofon-Arrayergebnisse. Nichtdestotrotz werden die ersten beiden genannten Punkte auch im Rahmen dieser Arbeit ebenso diskutiert. Die vorliegende Studie konzentriert sich auf die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Mikrofon-Arraymesstechnik in beiden Windkanaltypen bezüglich Quellposition, Quelltopologie, relativen und absoluten Pegeln, Signal-Rausch-Verhältnis sowie integrierter Spektren. Aus diesem Grund werden drei verschiedene Schallquellenkonzepte mit unterschiedlicher Komplexität verwendet, um einerseits Schallausbreitungs- und Randeffekte und andererseits den Einfluss der aerodynamischen Eigenschaften der unterschiedlichen Windkanaltypen auf die aeroakustische Schallgenerierung zu untersuchen. Das Ziel ist es, den Versuchsaufbau und die Versuchsbedingungen so identisch wie möglich in beiden Testeinrichtungen zu halten, weil so die Möglichkeit gegeben ist, die messstreckenabhängigen Effekte zu untersuchen und im Einzelnen zu quantifizieren. Alle drei verwendeten Modelle wurden den an sie gestellten primären Anforderungen an solche Vergleichsquellen gerecht, so dass eine Vielzahl von Effekten, welche aeroakustische Messungen beeinflussen, in den durchgeführten Experimenten identifiziert, untersucht und quantifiziert werden konnten. Zum einen gehören hierzu schallausbreitungsbeeinflussende Phänomene und Randbedingungen aufgrund der Messstreckenbegrenzungen und zum anderen sind strömungsinduzierte Einflüsse auf die aeroakustische Schallgenerierung in diesem Zusammenhang zu nennen. Im Allgemeinen, unabhängig vom installierten Modell, weist die offene Messstrecke ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis auf als die geschlossene Messstrecke. Das gilt insbesondere für tiefe Frequenzen in der geschlossenen Messstrecke, wo das Windkanalhintergrundrauschen (erzeugt durch das Gebläse, Kanalmoden, aeroakustische Schallquellen generiert von Halterungen, usw.) und die turbulente Grenzschicht die Messungen stark beeinflussen. Im Gegensatz dazu wird typischerweise das Signal-Rausch-Verhältnis der offenen Messstrecke bei hohen Frequenzen durch den von der turbulenten Scherschicht induzierten Kohärenzverlust der gemessenen Signale verringert. So lange die Strömungsverhältnisse in beiden Windkanälen vergleichbar sind weisen die Terzbandquellkarten für die drei verwendeten Modelle, gemessen in beiden Windkanaltypen, prinzipiell eine ähnliche und vergleichbare Quelltopologie auf. Nichtdestotrotz treten frequenzabhängige Unterschiede und Störungen in den Quellkarten auf, hervorgerufen durch die unterschiedlichen messstreckenabhängigen Randbedingungen und Ausbreitungseffekte sowie die windkanalspezifischen Strömungsverhältnisse. Auf der einen Seite verursachen die schallharten Kanalwände der geschlossenen Messstrecke Reflexionen, welche die gemessenen Schalldruckpegel erheblich verändern können im Vergleich zur offenen, reflexionsarmen Messstrecke, wo der Einfluss von Reflexionen vernachlässigbar ist. Die Reflexionen beeinflussen insbesondere die Ergebnisse im tieffrequenten Terzbandbereich. Abgesehen davon kann die lokalisierte Quellposition auch bei hohen Frequenzen von Reflexionen beeinflusst werden, aber dann beschränkt sich der Einfluss auf eine kleine Anzahl von schmalbandigen Quellkarten. Auf der anderen Seite verursacht die Streuung von Schallwellen an turbulenten Strukturen in der Scherschicht der offenen Messstrecke einen Kohärenzverlust der gemessenen Signale, was zu einer Verschlechterung der Qualität und Quantität der Mikrofon-Arrayergebnisse führt. Dieser Effekt wird speziell im hochfrequenten Bereich dominanter. Die maximal auftretende Pegeldifferenz zwischen den integrierten Spektren der Quellkarten ermittelt aus den Experimenten in beiden Messstreckentypen ist für alle drei Modelle ähnlich und beträgt nicht mehr als 4,6 dB.
The phased microphone array has become a widely used tool in aeroacoustic testing for the localization and quantification of sound sources. Measurements are often carried out in wind tunnels with open or closed test sections. The underlying thesis investigates the performance and comparability of microphone array measurements conducted in wind tunnels with open and closed test sections and carries out a systematic comparison. The various effects influencing the aeroacoustic results of testing in different wind tunnels can be summarized in three main groups. Deviations can result from influences which can affect the aeroacoustic sound generation. The second group concerns differences in the experimental setup. Finally, the third group consists of the varying test section boundary conditions and propagation effects. In the framework of the assessment of the comparability of microphone array measurements in open and closed wind tunnels, this thesis focuses on the third group - the influence of test section boundary conditions and propagation effects on microphone array results. Nonetheless, the first two points are also of concern and discussed in this thesis. The present study focuses on the beamforming accuracy and reliability in both wind tunnel types with respect to source position, source topology, relative and absolute levels of beamforming results, signal-to-noise ratio and integrated spectra. Therefore, three different wind tunnel model concepts with varying complexity are used in this thesis in order to examine on the one hand the propagation and boundary effects and on the other hand, the influence of the aerodynamic properties on the aeroacoustic sound generation in open and closed test sections. The aim is to keep the experimental setup and conditions as identical as possible in both test facilities, because it enables the examination of these test section-dependent effects and a distinction between them. All three used models have fulfilled the primary defined requirements on such sources so that a wide range of flow and boundary effects influencing the aeroacoustic sound generation and propagation have been identified, investigated and quantified in the conducted experiments. In general, being independent from the installed model, the open test section exhibits a higher signal-to-noise ratio than the closed test section, especially for lower frequencies where wind tunnel background noise (generated by the fan, channel modes, aeroacoustic noise from mountings, etc.) and the turbulent boundary layer are predominating in the closed test section. In contrast to this, the signal-to-noise ratio of the open test section is typically decreased by the coherence loss induced by the turbulent shear layer at higher frequencies. In principle, the 1/3 octave band source maps for all three different models, derived from measurements in both wind tunnels, show a similar and comparable source topology as long as the flow conditions were similar in both test facilities, whereby frequency-dependent differences in the source maps appear due to the different test section dependent boundary conditions and propagation effects. On the one hand the reflections caused by the reverberant walls of the closed test section can significantly alter the measured absolute sound pressure levels compared with the open anechoic test section results where almost no reflections are present. The reflections affect strongly the results in the low frequency domain if 1/3 octave bands are evaluated. Besides that, the retrieved source positions can also be influenced, even at high frequencies, but then, the impact is confined to a small number of narrow-band source maps. On the other hand the scattering of sound waves off turbulent flow structures in the shear layer of the open test section degrades the quality and quantity of the beamforming results caused by coherence loss of the measured signals. This effect becomes more dominant in the high-frequency regime. The maximum deviation in the underlying experiments between the absolute levels of the integrated spectra between both test sections is similar for all three models and does not exceed 4.6 dB.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-45640
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4196
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3899
Exam Date: 27-Nov-2013
Issue Date: 29-Jan-2014
Date Available: 29-Jan-2014
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Geschlossene Messstrecke
Mikrofon-Array
Offene Messstrecke
Schallquellenlokalisierung
Windkanalmessungen
Microphone array
beamforming
open test section
closed test section
wind tunnel testing
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