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Ventilatoren - Experimentelle Untersuchungen - Akustik

Ventilatoren - Experimentelle Untersuchungen - Akustik
Ansprechpartner:

Dr.-Ing. Saban Caglar

Dipl.-Ing. Mohamed Zayani

 

Aeroakustische Messungen an Ventilatoren

 

Die Lärmemission des Axialventilators zur Motorkühlung rückt immer mehr in den Vordergrund der Untersuchungen zahlreicher Ingenieure, da dessen Beitrag zum Geräusch des Fahrzeugs beachtlich ist. Ziel vieler Untersuchungen ist es, am Axialventilator selbst Maßnahmen zur Geräuschminderung herauszuarbeiten. Hierzu ist ein Verständnis der unterschiedlichsten Geräuschentstehungsmechanismen unabdingbar. Das aerodynamisch erzeugte Geräusch bei Axialventilatoren setzt sich in der Regel aus tonalen (ausgeprägte Frequenzen im Schmalbandspektrum) und breitbandigen (ohne besonders ausgeprägte Frequenzen im Schmalbandspektrum) Komponenten zusammen.

 

 

Frequenzspektrum

 

Abbildung 1: Frequenzspektrum ohne besonders ausgeprägte Frequenzen (links)

 
 Frequenzspektrum mit tonalen Anteilen (rechts)

 

 

 

Die Geräuschentwicklung bei Axialventilatoren bei niedrigeren Machzahlen wird hauptsächlich auf die Schaufelkräfte zurückgeführt. Diese lassen sich in stationäre und instationäre Kräfte unterscheiden, wobei erstere aus der Aufgabenstellung des Ventilators resultieren und nicht zu vermeiden sind (sog. Gutin-Lärm). Die instationären Schaufelkräfte verursachen den größten Anteil am Gesamtgeräusch. Mögliche Geräuschmechanismen hierfür sind: Interaktion der turbulenten Zuströmung mit dem Laufrad, Strömungsablösungen an Laufradschaufeln, die Interaktion der turbulenten Grenzschicht mit der Schaufelhinterkante und die Spaltströmung.

Ziel der Untersuchungen ist eine systematische Variation einzelner Geometrieparamtern des Axialventilators (Schaufelzahl, Schaufelform, Schaufelprofil, Schaufelteilung, Spaltform, Motorhaltestreben, …) und Erfassung deren Einfluss auf die daraus resultierende Aerodynamik und Akustik. Hauptaugenmerk dabei ist der Einfluss und Anteil dieser Geräuschentstehungsmechanismen im Frequenzspektrum des Ventilators vom Gesamtgeräusch. Abbildung 2 zeigt eine „mögliche“ Zusammensetzung des Frequenzspektrums des Axialventilators [das zu erreichende Ziel (Zukunft)]

 

 

Zusammensetzung des Frequenzspektrums

 

Abbildung 2: Anzustrebendes Ziel der Arbeit: Zusammensetzung des Frequenzspektrums

 

 

Die strömungsakustischen Untersuchungen werden am Aero-Akustik-Prüfstand des Fachgebiet Strömungsmaschinen durchgeführt. Dieser Prüfstand erlaubt gleichzeitige Messungen der aerodynamischen (nach ISO 5801) sowie der akustischen Kenngrößen (nach ISO 3741).

 

Geräuschvorhersage von Axialventilatoren: Anwendung und Entwicklung vorhandener Geräuschvorhersage-Modelle

 

Bei der Anwendung vorhandener Geräuschvorhersage-Modelle werden verschiedene Eingangsgrößen (Schaufelzahl, Schaufellänge, Strömungsgeschwindigkeit, Turbulenzgrad, …) benötigt. Strömungsgeschwindigkeiten am Laufrad können durch gezielte Auslegungen angenommen werden. Zur Ermittlung von wichtigen Größen wie Turbulenzgrad oder zur Visualisierung der Spaltströmung findet ein optisches Messverfahren wie Particle Image Velocimetry Anwendung (Abbildung 3).

 

 

 

 

 Visualisierung

 
Abbildung 3: Visualisierung der Spaltströmung beim Axialventilator

Experimentelle Aeroakustik

Schallleistungsbestimmung von Ventilatoren nach dem Hallraumverfahren:

  • Ermittlung des Schallleistungspegels durch Messung des mittleren Schalldruckpegels im durch Mehrfachreflexionen erzeugten Diffusfeld des Hallraumes.
  • Mittlerer Schalldruckpegel: räumlicher und zeitlicher Mittelwert aller auf einem geschlossenen Messpfad ermittelten Maßwerte.
  • Frequenzabhängigkeit des ermittelten Schallleistungspegels führt zur Darstellung im Frequenz-Terzspektrum
  • Ventilatoren akustisch optimieren: ungesichelt - gesichelt

 

 

Hallraum-Prüfstand

Gemessenes Frequenzspektrum eines Ventilators (Beispiel)

 

 

Ungesichelter Ventilator

Gesichelter (akustisch verbesserter) Ventilator