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Strömungsakustik – Schall durch Strömungen

Strömungsakustik – Schall durch Strömungen. SET Fachliche Vertiefung Strömungstechnik und Akustik Simon Zovkic. Strömungsakustik – Schall durch Strömungen. Einführung Akustik/Strömungsakustik Wellengleichungen Schallquellenmodelle Beispiel umströmter Zylinder

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Strömungsakustik – Schall durch Strömungen

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Presentation Transcript

  1. Strömungsakustik – Schall durch Strömungen SET Fachliche Vertiefung Strömungstechnik und Akustik Simon Zovkic

  2. Strömungsakustik – Schall durch Strömungen Einführung Akustik/Strömungsakustik Wellengleichungen Schallquellenmodelle Beispiel umströmter Zylinder Beispiel überströmte Öffnung – Helmholtz-Resonator

  3. Wichtige akustische Größen Schalldruck = Druckschwankung: Periodische Druckschwankung, die sich in alle Raumrichtungen mit Schallgeschwindigkeit ausbreitet Schallwellen = Longitudinalwellen: Teilchen schwingen nur parallel zur Ausbreitungsrichtung (in Gasen und Flüssigkeiten) Schallgeschwindigkeit c istfrequenzunabhängig, abhängig von Medium und Temperatur, cLuft(20°c)= 344m/s Schallschnelle v: momentane Schwinggeschwindigkeit eines Teilchens [m/s] Wellenwiderstand = ρ∙c; 6dB-Regel...

  4. Strömungsakustik Grenzgebiet zwischen Strömungsmechanik und Akustik, beinhaltet: Schall (Schwingungen) durch Strömungen Strömungen durch Schall Wechselwirkungen zwischen Schall und Strömung Schallausbreitung in Strömungen Die akustischen Gleichungen lassen sich aus den Strömungsmechanischen ableiten, umgekehrt jedoch nicht.

  5. Homogene Wellengleichung (lineare Akustik) Gesucht ist eine Gleichung für den Druck Kontinuitätsgleichung Eulergleichung 1. Linearisierung: Euler Druck-Dichte Beziehung 2. Rechenoperation: 0

  6. Wellengleichungen Homogene Wellengleichung für den Schalldruck (eindimensional): Beschreibt die Ausbreitung kleiner Druckschwankungen, in einem ruhenden (akustischen) Fluid. Lösung: Anwendung der Rechenoperation auf die beiden Gleichungen in allgemeiner Form ergibt die inhomogene Wellengleichung:

  7. Schallquellenmodell der Lighthill-Analogie Theorie nach M.J. Lighthill für gasförmige Fluide bei Unterschallgeschwindigkeit: Reales Strömungsfeld wird ersetzt durch fiktives akustisches Quellenfeld, das sich in drei Elementstrahler einteilen lässt: Ermöglicht die Berechnung der Schallleistung, die durch unter- schiedliche strömungsmechanische Vorgänge produziert wird.

  8. Elementstrahler • Monopolquelle: auch als Volumenquelle bezeichnet (atmende Kugel) Schallentstehung durch zeitlich veränderlichen Volumenfluss Beispiele: pulsierende Ausströmung: Kolbenmotoren/-pumpen, Schraubenverdichter, Öl- und Gasbrenner, menschliche Stimme zusammenfallende Kavitationsblase: in Rohrleitungen hat den größten strömungsmechanisch- akustischen Umsetzungsgrad, dies wird genutzt für z.B. Sinussirene mit Trichter 50%, Schallreinigung von Kesseln (Typhon) • Dipolquelle: Impuls- oder Wechselkraftquelle zeitliche Änderung der Strömungskräfte im Raummittel wird zu keiner Zeit Volumen zugeführt Beispiele:umströmte/durchströmte Körper:Propeller, Kreissäge, Hochgeschwindigkeitszug, Staubsauger, Lüftungskanal, Turbine • Quadrupolquelle: freie Wirbelquelle ohne Wechselkräfte Beispielefreie Tubulenz: Freistrahl von Raketen, Druckluftgeräten, Ausströmung aus Ventilen, Armaturen, Druckluftmeissel Weiterer Elementstahler: Überschallknall

  9. Schallentstehung bei umströmten Körpern (Zylinder) Bei Re < 100 reversible Strömung Ab Re = 100 periodische Wirbelablösungen, Karmansche Wirbelstraße genannt Im Rückströmgebiet hinter dem Körper steigt der Druck an, wodurch sich die Grenzschicht ablöst Dipolquelle mit diskreter Frequenz Bei bekannter Strouhalzahl (St=0,2 gilt in großem Bereich) kann man die Frequenz der Wirbelablösungen ermitteln mit St = f*d/c Ab Re = 10E6 turbulenter Nachlauf am Zylinder, dies erzeugt ein breitbandiges Rauschen

  10. Umströmter Zylinder - Strouhalzahl Beispiel: 4mm dicke Autoantenne bei v =100km/h (Re = 5787)

  11. Theoretische Karmansche Wirbelstraße • Theorie trifft zu bei Re = 40 – 150 (stabile Wirbel ohne turbulente Strömung) • In Wirklichkeit Zerflattern ab dem 3. oder 4. Wirbelpaar wegen Reibung

  12. Helmholtz-Resonator Anwendungen: Geräuschquelle bei überströmter Öffnung (Kavität) Absorber: entzieht dem Schallfeld Energie in bestimmtem Frequenzbereich Bassrefelx-Gehäuse: erhöht den Wirkungsgrad in bestimmtem Frequenzbereich Wirkprinzip analog zum mechanischen Oszillator: m = Luftmasse im Hals + mitgerissene Luft R = akustischer Wellenwiderstand + Reibung ΔLo m Leff Lo ΔLi K R

  13. Versuch Helmholtz-Resonator Bestimmung der Frequenz verschiedener Helmholtz-Resonatoren mit Hilfe von Dasylab und Vergleich mit den theoretischen Werten

  14. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

  15. Quellenangabe Lips, Walter: Strömungsakustik in Theorie und Praxis 2. Aufl.. Expert-Verlag 1997 Lucas, J: Handbook of the Acoustic Characteristics of Turbomachinery Cavities. American Society of Mechanical Engineers 1997 Truckenbrodt , Erich: Fluidmechanik Band 2 4. Aufl. Springer Verlag 1999 Kameier, Frank: Skript Strömungsakustik. FH Düsseldorf 2001 Költzsch, Peter: Skript Geräuscherzeugung durch Strömungen. TU Dresden 2004 http://www.cfx-berlin.de/de/news/2007/img/2007-03-08_akustik_small.jpg

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