Thumbnail Image

One ring to find them all

Detection and separation of rotating acoustic features with circular microphone arrays

Herold, Gert

Sound emissions by rotating machinery are often connected to rotating acoustic sources. Efficient control of these emissions – whether by simply reducing them or by shaping their spectral characteristics – requires knowledge about the underlying sound generating mechanisms as well as the contribution of separate sources to the total radiation. The detection of sound sources is subject of ongoing research. In the presence of multiple sources, using microphone array methods for their spatial separation is state of the art. In this thesis, several novel data processing methods are presented whose application provides new insights based on acoustic measurements with circular array arrangements. Aside from the localization of rotating sound sources, it is shown how these measurements can be used for the detection of occurring rotational speeds and for the isolation of different spectral characteristics. Most importantly, the presented data processing allows the separation of acoustic features even if multiple sources with different rotational speeds are present in one data set. The general applicability of the methods and their limitations are investigated with the help of simulated acoustic data. For demonstrating their practical capabilities, two experimental setups featuring axial fans are evaluated: one with a microphone ring array measuring the sound radiated into a freefield and the other with a ring of wall-mounted microphones within a cylindrical duct. It is shown that with the new methods, previously inaccessible knowledge about present acoustic sources and the underlying sound generating mechanisms can be gained
Die Schallabstrahlung rotierender Maschinen steht häufig im Zusammenhang mit rotierenden Schallquellen. Eine effiziente Beeinflussung der Emissionen – sei es deren bloße Reduktion oder eine gezielte Veränderung der spektralen Charakteristika – setzt die Kenntnis von zugrundeliegenden Schallentstehungsmechanismen und des Anteils einzelner Quellen an der Gesamtabstrahlung voraus. Schallquellendetektion ist Gegenstand aktueller Forschung. Bei Vorhandensein mehrerer Quellen ist der Einsatz von Mikrofonarrayverfahren für deren räumliche Trennung Stand der Technik. In der vorliegenden Arbeit werden mehrere neuartige Datenverarbeitungsmethoden vorgestellt, deren Anwendung neue Erkenntnisse auf Basis akustischer Messungen mit ringförmigen Array-Anordnungen liefert. Neben der Lokalisierung von rotierenden Schallquellen wird gezeigt, wie diese Messungen zur Detektion auftretender Rotationsgeschwindigkeiten und zur Trennung unterschiedlicher spektraler Anteile genutzt werden können. Vor allem aber ist die Trennung akustischer Merkmale mithilfe der vorgestellten Datenverarbeitungsschritte auch dann möglich, wenn mehrere Quellen mit unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten in einem Datensatz auftreten. Mit Hilfe simulierter akustischer Daten werden die generelle Anwendbarkeit der Methoden sowie deren Grenzen untersucht. Zur Demonstration der Praxistauglichkeit werden zwei Versuche mit Axialventilatoren ausgewertet. Im ersten wird die Schallabstrahlung ins Freifeld mit einem darin befindlichen Mikrofonringarray ausgewertet. Im zweiten Versuch wird das Schallfeld in einem zylindrischen Strömungskanal mit einem Ring aus wandbündigen Mikrofonen gemessen. Es wird gezeigt, dass mit den neuen Methoden bislang unzugängliche Informationen über die vorhandenen Schallquellen und die zugrundeliegenden Schallentstehungsmechanismen gewonnen werden können.