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Main Title: Analyse und Synthese akustischer Interaktionsmoden von Turbomaschinen
Translated Title: Analysis and synthesis of acoustic interaction modes of turbomachinery
Author(s): Tapken, Ulf
Advisor(s): Enghardt, Lars
Referee(s): Enghardt, Lars
Carolus, Thomas
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Die Verfahren der akustischen Modenanalyse und Modensynthese liefern wichtige Beiträge zur Entwicklung lärmarmer Designs und innovativer Maßnahmen zur Schallminderung von Turbomaschinen. Durch eine Modenanalyse werden die Amplituden aller Moden im Strömungskanal bestimmt und damit die Schallanregung einer Turbomaschine detailliert erfasst. Die Modensynthese wird zur gezielten Anregung einzelner Moden eingesetzt, um die akustischen Übertragungseigenschaften von Turbomaschinenkomponenten umfassend zu charakterisieren und um in aktiven Lärmminderungsverfahren Rotor-Stator-Interaktionsmoden durch destruktive Interferenz auszulöschen. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass sich Modenanalysen und Modensynthesen unter Verwendung wandbündig installierter Mikrofonarrays bzw. wandbündig installierter Lautsprecherarrays mit hoher Genauigkeit realisieren lassen. Eine Voraussetzung dafür ist die Abstimmung der Arrays auf den zu untersuchenden Frequenzbereich. Beide Verfahren wurden mit analytischen und experimentellen Methoden bezüglich ihrer Anforderungen, Beschränkungen und Genauigkeit untersucht. Die Ergebnisse ermöglichten die Formulierung von Richtlinien für den optimalen Einsatz der Modenanalyse und der Modensynthese an Turbomaschinen-Versuchsständen. Wandbündige Mikrofone besitzen im Vergleich zu radial im Kanal angeordneten Mikrofonrechen den Vorteil, die Strömung nicht zu verblocken und das Schallfeld nicht zu stören, können aber die radialen Eigenschwingungsformen der Moden nur anhand der axialen Wellenzahlen unterscheiden. Für die Modenanalyse wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem sich die axialen Messpositionen systematisch optimieren und die Fortpflanzung von Messfehlern auf die Modenamplituden detailliert bewerten lassen. Damit konnte nachgewiesen werden, dass optimierte wandbündige Mikrofonarrays Modenanalysen in vergleichbarer Genauigkeit ermöglichen, wie sie bei hohen Frequenzen bisher nur mit Mikrofonrechen erzielt wurde. Eine mit zunehmender Frequenz abnehmende Trennschärfe des wandbündigen Arrays muss allerdings durch eine größere Gesamtzahl an Messpositionen ausgeglichen werden. Die in der Optimierung der Modenanalyse gewonnenen Erkenntnisse lassen sich auf die Modensynthese übertragen. In der Kombination einer umfangreichen experimentellen Studie mit einem Modell des Modengenerators wurden weitere Effekte identifiziert, die zu Ungenauigkeiten in der Modensynthese führen können. Ein Effekt geht auf das resonante Verhalten der Lautsprecheranordnung zurück und äußert sich in einer relativen Änderung der Pegel von Zielmode und unerwünschten Spillovermoden. Ein weiterer Effekt wird durch Reflexionen im Kanal verursacht und stört die modalen Übertragungsfunktionen von Lautsprecherringen derart, dass die Amplituden der Spillovermoden bis auf das Niveau der Zielmode angehoben werden. Die Ergebnisse erklären die beschränkte Ausschöpfung theoretisch vorhandener Reduktionspotentiale, die in Versuchen zur aktiven Minderung von Rotor-Stator-Interaktionsmoden beobachtet wurden.
The acoustic mode analysis method and the acoustic mode synthesis method are essential tools in the development of low-noise designs and of innovative noise reduction techniques for turbomachinery applications. By means of mode analysis the amplitudes of all modes in the flow duct are determined and thus the sound generation of a turbomachine can be assessed in detail. The mode synthesis enables the selective excitation of individual duct modes, which is useful for the thorough characterization of acoustic transfer functions of turbomachinery components and for the elimination of rotor-stator-interaction modes by desctructive interference in active noise control concepts. In the thesis it is shown that using arrays of wall-flush mounted microphones respectively loudspeakers mode analysis and mode synthesis of high accuracies are feasible. A prerequisite is the appropriate layout of the arrays for the frequency range of interest. The methods requirements and limitations as well as the achievable accuracies were investigated by both theoretical and experimental approaches. The outcome of the studies allowed the formulation of guidelines for the optimal application of mode analysis and mode synthesis at turbomachinery test rigs. In contrast to radial microphone rakes, arrays of wall-flush mounted microphones do not disturb the flow and the acoustic field, but they have the drawback that modes of different radial order have to be distinguished solely by reference to their axial wave numbers. To overcome this problem a procedure was developed for the systematic optimization of the axial measurement positions. It enabled also the detailed assessment of the error propagation from the measured sound pressure to the mode amplitudes. Thus it could be proven that in analyses with optimized wall-flush microphone arrays at high frequencies accuracies can be realized that before were achievable only with microphone rakes. However, the fact that the resolution of the wall-flush array is reducing with increasing frequency has to be compensated by an enlarged overall number of measurement positions. The knowledge gained in the mode analysis optimization is transferable to the mode synthesis method. Further effects impairing the accuracy of the synthesis were identified with help of a comprehensive experimental study and a theoretical model of the mode generator. One effect results from the resonant behaviour of the loudspeaker arrangement and alters the relative levels of the target mode and the unwanted spillover modes. Another effect is caused by reflections within the duct and disturbs the modal transfer functions of loudspeaker rings in such a way that the amplitudes of spillover modes are elevated up to the level of the target mode. The findings give an explaination for the incomplete cancellation of rotor-stator interaction modes that was observed in several active noise controls tests.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5453
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5124
Exam Date: 11-May-2015
Issue Date: 2016
Date Available: 10-May-2016
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Turbomaschine
Akustik
Rotor-Stator-Interaktion
Modenanalyse
Modensynthese
turbomachinery
acoustics
rotor-stator-interaction
mode analysis
mode synthesis
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