DE102015111162B3

DE102015111162B3 - Verfahren zur Messung von instationären Druckschwankungen auf einer Oberfläche mittels drucksensitiver Farbe

Info

Publication number: DE102015111162B3
Application number: DE102015111162.4A
Authority: DE
Inventors: Carsten Spehr; Stefan Haxter
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2015-07-09
Filing date: 2015-07-09
Publication date: 2016-05-19
Anticipated expiration: 2035-07-10

Abstract

In einem Verfahren zur Messung von instationären Druckschwankungen (13) auf einer Oberfläche wird eine drucksensitive Farbe auf die Oberfläche aufgetragen und werden an ihr Signalintensitätsverteilungen (6) über eine Vielzahl von Messpunkten ermittelt, indem nacheinander mehrere Lichtintensitätsverteilungen (5) der drucksensitiven Farbe aufgenommen werden. In einer Korrelationsanalyse (7) der Signalintensitätsverteilungen (6) zwischen einzelnen Messpunkten wird eine Zweipunkt-Korrelationsfunktion der Signalintensitätsverteilungen (6) ermittelt.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von instationären Druckschwankungen mittels einer drucksensitiven Farbe.
Unter instationären Druckschwankungen werden im Folgenden sowohl Druckschwankungen verursacht durch Schallereignisse (d. h. akustische Druckschwankungen) als auch hydrodynamische (d. h. nicht akustische) Druckschwankungen verstanden, wobei die Unterscheidung dieser Druckschwankungen hinsichtlich ihrer Ursache, d. h. akustisch oder nicht akustisch, von besonderem Interesse ist.
STAND DER TECHNIK
Drucksensitive Farben (Pressure-Sensitive Paints; PSP) werden in bekannter Weise zur Messung von Drücken an beliebig geformten Oberflächen eingesetzt. Die drucksensitive Farbe wird dabei mit Licht geeigneter Wellenlänge beleuchtet und ändert ihre Fluoreszenzeigenschaften abhängig vom vorliegenden Sauerstoff-Partialdruck, der bei konstantem Sauerstoffanteil proportional zum herrschenden Luftdruck ist.
Zur Auswertung der Messungen ist es notwendig, dass die mit der drucksensitiven Farbe gestrichenen Oberflächen mit einer Kamera beobachtet werden, so dass eine druckabhängig variierende Fluoreszenzintensität der drucksensitiven Farbe beispielsweise in ein Falschfarbenbild umgewandelt werden kann. Die drucksensitive Farbe liefert so eine qualitative Visualisierung von Druckverteilungen an den Oberflächen. Für eine quantitative Messung ist eine Kalibration mit einem herkömmlichen Drucksensor notwendig (siehe z. B. www.dlr.de/as/desktopdefault.aspx/tabid-183/251_read-13334).
Die US-Patentanmeldung US 2006/0160241 A1 offenbart eine drucksensitive Farbe und ein Messverfahren zur Messung absoluter Drücke, wobei Intensitäten der drucksensitiven Farbe an herkömmlich gemessenen Drücken kalibriert werden. Gemäß der US-Patentanmeldung US 2004/0249593 A1 erfolgt eine absolute Druckkalibration einer drucksensitiven Farbe anhand von Kalibrierungsmessungen, bei denen Abklingkurven einer Signalintensität der drucksensitiven Farbe ermittelt und aus diesen der Druck als ein Parameter ermittelt wird. Ein weiteres Verfahren zur Druckkalibrierung einer drucksensitiven Farbe ist bekannt aus der US- Patentschrift US 5,731,995 .
Typischerweise finden drucksensitive Farben Einsatz bei einer aerodynamischen Optimierung von Fahr- oder Flugzeugen beispielsweise in Windkanälen. Hierbei wird die drucksensitive Farbe als Drucksensor eingesetzt, um etwa zu ermitteln, welche Drücke bei einer Umströmung des Fahr- oder Flugzeugs mit Umgebungsluft auf verschiedene Oberflächen des Fahr- oder Flugzeugs wirken. Im Gegensatz zu Messungen mit herkömmlichen Drucksensoren bieten die drucksensitiven Farben dabei eine räumliche Auflösung, die nur durch die Auflösung der verwendeten Kamera und das verwendete Objektiv begrenzt ist. Ein solches Verfahren, bei dem eine drucksensitive Farbe als Drucksensor eingesetzt wird, ist aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2005 018 170 A1 bekannt.
Gemäß der europäischen Patentanmeldung EP 0 472 243 A2 wird ein Objekt, an dem Drücke gemessen werden sollen, mit einem sauerstoffdurchlässigen Film aus einer drucksensitiven Farbe überzogen, in der lumineszente Moleküle enthalten sind, deren Lumineszenzintensität von einem Sauerstoffdruck abhängt. Das Objekt wird einem Fluss eines sauerstoffhaltigen Fluids ausgesetzt und beleuchtet. Das Objekt wird zur Aufnahme der Lumineszenzintensität mit einer Kamera beobachtet, an die eine Bildauswertungssoftware angeschlossen ist. Mit Hilfe konventioneller Drucksensoren wird die drucksensitive Farbe kalibriert, wobei eine gemessene Variable ein Verhältnis der Lumineszenzintensität ohne Aussetzung gegenüber dem Fluid zu einer Lumineszenzintensität bei Aussetzung gegenüber dem Fluid und eine ermittelte Variable ein Druckverhältnis eines Drucks ohne Aussetzung gegenüber dem Fluid zu einem Druck bei Aussetzung gegenüber dem Fluid ist.
Gemäß der US-Patentanmeldung US 2005/0115331 A1 wird eine Druckeinwirkung auf ein Objekt gemessen, indem das Objekt mit einem dünnen Film beschichtet wird. In dem Film und unter dem Film befinden sich Luminophore, die durch Beleuchtung angeregt werden.
Eine Abschwächung der beobachteten Lumineszenzintensität der Luminophore durch Absorption soll von der Dicke der absorbierenden Schicht, d. h. des Films abhängig sein. Durch Druckeinwirkung wird der Film lokal komprimiert und damit seine Dicke verändert. Über die Messung der Lumineszenzintensität soll somit eine Messung der Dicke des Films und damit der Druckeinwirkung möglich sein. Gemäß der US-Patentanmeldung US 2005/0115331 A1 sind auf der Oberfläche des Films auch Marker, beispielsweise in einem Gittermuster, verteilt. Die Marker sind pulverförmig oder Mikrokugeln aus kontrastierenden Materialien wie TiO₂. Durch die Druckeinwirkung werden die Marker relativ zueinander verschoben. Durch eine Kreuzkorrelation je eines Bildes vor und während der Druckeinwirkung wird diese relative Verschiebung ermittelt und damit die Druckeinwirkung weiter charakterisiert.
Bei wissenschaftlichen oder gewerblichen Untersuchungen von Flugzeugen, beispielsweise in der Entwicklung neuer Flugzeuge, finden zahlreiche akustische Messungen statt. Solche Messungen werden an Flugzeugen und/oder Flugzeugmodellen sowohl in einem Windkanal als auch im Flug durchgeführt. In bekannten Messverfahren werden beispielsweise instationäre Druckschwankungen ermittelt, die an der Außenhaut eines Flugzeugs im Flug auftreten und ein Wohlbefinden von Passagieren beeinträchtigen können (z. B. S. Haxter, C. Spehr: Two-Dimensional Evaluation of Turbulent Boundary Layer Pressure Fluctuations at Cruise Flight Conditions; 18th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, Tagungsband, 2012). Als Messinstrumente für solche Messungen dienen vor allem Arrays von herkömmlichen Drucksensoren, beispielsweise Mikrofonen. Diese Messinstrumente sind in ihrer Auflösung durch die Zahl der eingesetzten Mikrofone direkt begrenzt, da jeder Messpunkt (jedes Pixel) ein Mikrofon erfordert. Die erreichbare Auflösung ist daher schon durch die Größe der Mikrofone beschränkt, wird aber auch aus Gründen der Praktikabilität und der Kosten eingeschränkt, da nicht beliebig viele Mikrofone eingesetzt werden können.
Es sind Versuche bekannt, drucksensitive Farben als optische Mikrofon-Arrays einzusetzen (z. B. J. W. Gregory, J. P. Sullivan, S. S. Wanis, N. M. Komerath: Pressure-sensitive paint as a distributed optical microphone array, J. Acoust. Soc. Am. 119 (1), 251, Januar 2006). Hierzu werden die drucksensitiven Farben in sehr kleinräumigen Umgebungen (z. B. einer Kiste mit den Dimensionen 216 mm × 169 mm × 102 mm) eingesetzt, in denen sehr laute Schallquellen (z. B. ein 100-W-Kompressionstreiber, der typischerweise bei Einsatzfahrzeugen Einsatz findet) und entsprechend hohe Schalldrücke auf die drucksensitiven Farben einwirken.
Mit den bekannten drucksensitiven Farben ist es nicht direkt möglich, Messungen von instationären Druckschwankungen, insbesondere von Schallereignissen, mit geringen Amplituden vorzunehmen. Mikrofon-Arrays aus drucksensitiven Farben sind nur in Laborsituationen einsetzbar, in denen in sehr kleinen, abgeschlossenen Räumen sehr hohe Schalldrücke erzeugt werden. Zur Messung ist weiterhin eine sorgfältige Druckkalibration mittels herkömmlicher Drucksensoren notwendig, da mit der drucksensitiven Farbe gemessene Signale stets in Drücke umgerechnet werden müssen. Insbesondere Temperaturschwankungen können dabei eine signifikante Fehlerquelle sein. Da die durch Schall verursachten Druckschwankungen normalerweise klein sind und stets von einem Umgebungsdruck überlagert sind, ist es notwendig, sehr kleine prozentuale Schwankungen (z. B. < 0,3 %) sehr genau zu messen. Da für Aufnahmen des von drucksensitiven Farben emittierten Fluoreszenzlichts über längere Zeiten integriert wird (z. B. 185 ms oder 500 ms), um ausreichende Signalintensität zu erhalten, muss die zu messende Schalldruckverteilung über diese Zeit konstant sein. Um den Schalldruck nur bei einer bestimmten Schallfrequenz zu erfassen, muss Anregungslicht, das die Fluoreszenz der drucksensitiven Farbe hervorruft, dabei in Form von kurzen Pulsen bereitgestellt werden, deren Pulsfolgefrequenz gleich der Schallfrequenz ist. In einem System, das nicht abgeschlossen ist, muss zudem sichergestellt werden, dass keine weiteren Drücke (z. B. Luftdrücke verursacht durch Luftströmungen) auf die drucksensitive Farbe einwirken, da diese anhand der Messungen nicht von Schalldrücken unterschieden werden können. Für eine Einsatzsituation einer Messung von instationären Druckschwankungen beispielsweise an einem Teil eines Flugzeugs in einem Windkanal ist ein Abschließen gegenüber weiteren Drücken schon wegen des umströmenden Mediums unmöglich, auch werden typische Schallereignisse keine hohen Schallamplituden und typische weitere instationäre Druckschwankungen keine hohen Amplituden erreichen.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, das den Einsatz von drucksensitiver Farbe zur Messung von instationären Druckschwankungen bei kleinen Amplituden und überlagerten weiteren Drücken erlaubt. Dies entspricht Einsatzbedingungen, wie sie beispielsweise bei der Untersuchung von Flugzeugmodellen in einem Windkanal auftreten.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Weitere bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltungen sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von instationären Druckschwankungen mittels einer drucksensitiven Farbe. Die drucksensitive Farbe wird dabei auf eine Oberfläche aufgetragen, an der die instationären Druckschwankungen gemessen werden sollen. Hierbei kann es sich um jede beliebige Oberfläche handeln, die dazu geeignet ist, dass auf ihr eine drucksensitive Farbe aufgetragen wird. Dabei sind z. B. auch gewölbte und facettierte Oberflächen eingeschlossen.
Das Auftragen auf die Oberfläche kann auch erfolgen, indem eine mit der drucksensitiven Farbe beschichtete Folie auf die Oberfläche aufgebracht wird. Auf diese Weise kann ein besonders gleichmäßiger Farbauftrag erreicht werden. Die Folie kann kleine unelastische Flächen und elastische Zwischenräume aufweisen, wobei die drucksensitive Farbe sich nur auf den unelastischen Flächen befindet.
Bei der drucksensitiven Farbe sollte es sich um eine drucksensitive Farbe mit kurzer Reaktionszeit auf Druckänderungen handeln. Beispielsweise kann es sich bei der drucksensitiven Farbe um Anodized Aluminum Pressure-Sensitive Paint (AA-PSP) mit einer Reaktionszeit von nicht mehr als 35 μs handeln.
Die drucksensitive Farbe wird mit Licht einer definierten Wellenlänge oder aus einem definierten Wellenlängenbereich beleuchtet. Hierzu können beispielsweise LEDs oder Laser Einsatz finden. In zeitlichen Abständen werden Lichtintensitätsverteilungen der drucksensitiven Farbe aufgenommen. Hierzu kann beispielsweise eine Kamera verwendet werden, bevorzugt eine hochauflösende Kamera. Beispielsweise kann eine CCD-Kamera oder eine Kamera mit Active Pixel Sensor (CMOS-Sensor) Einsatz finden. Ebenso kann eine Photoelektronenvervielfacherröhre (Photomultiplier Tube; PMT) oder eine Photodiodenzeile Einsatz finden.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Lichtintensitätsverteilungen über einen beliebig großen Ausschnitt der mit der drucksensitiven Farbe versehenen Oberfläche aufgenommen. Die Anzahl der aufgenommenen Bildpunkte ist dabei lediglich durch die Anzahl der Pixel der eingesetzten Kamera oder des eingesetzten Sensors beschränkt. Je größer das Verhältnis der Anzahl der vorgehaltenen Pixel zu der Größe des Ausschnitts, desto größer ist die Auflösung der Messung. Die gemessenen Lichtintensitätsverteilungen entsprechen Signalintensitätsverteilungen bei bekannten Verfahren zur Messung von instationären Druckschwankungen mit druckempfindlichen Farben.
Im Verlauf des Aufnehmens der Lichtintensitätsverteilungen werden gemessene Lichtintensitäten der Lichtintensitätsverteilungen und ihnen zugeordnete Messzeitpunkte protokolliert. Bevorzugt werden die Lichtintensitäten in geeigneten natürlichen Einheiten der Kamera oder des Sensors wie beispielsweise Elektronen/Pixel/Zeit gemessen und protokolliert, ohne dass eine Umrechnung erfolgt. Grundsätzlich können die Lichtintensitäten zwar in bekannter Weise über eine Kalibration einem Druck zugeordnet werden oder auf andere Weise in geeignete Einheiten beispielsweise der Lichtintensität oder der Flussdichte umgerechnet werden. Die im Stand der Technik gegebene Notwendigkeit, die mit der drucksensitiven Farbe gemessenen Signalintensitätsverteilungen in Drücke umzurechnen, und damit auch die Notwendigkeit einer Kalibration der Messungen besteht jedoch nicht.
An den als aufgenommene Lichtintensitätsverteilungen ermittelten Signalintensitätsverteilungen (im Folgenden nur als Signalintensitätsverteilungen bezeichnet) wird eine Korrelationsanalyse durchgeführt und eine Zweipunkt-Korrelationsfunktion ermittelt. Zur Ermittlung der Zweipunkt- Korrelationsfunktion können bekannte Algorithmen Einsatz finden. Bevorzugt werden aber Algorithmen eingesetzt, die für das erfindungsgemäße Verfahren angepasst oder entwickelt wurden.
In der Korrelationsanalyse kann aus den Signalintensitätsverteilungen zwischen einzelnen Messpunkten, die durch die Pixel vorgegeben sind, ein Wellenzahl-Frequenz-Spektrum ermittelt und bei einer ausgewählten Frequenz in dem Wellenzahl-Frequenz-Spektrum eine Wellenzahl ermittelt werden. Aus dem Quotienten der Frequenz und der Wellenzahl ergibt sich dann eine Geschwindigkeit. Die Geschwindigkeit wird dahingehend überprüft, ob sie gleich oder größer einer Schallgeschwindigkeit ist.
Wenn die Messung in einem Medium mit einer Strömungsgeschwindigkeit unterhalb der Schallgeschwindigkeit (einem subsonischen Medium) stattfindet, können Geschwindigkeiten, die gleich oder größer der Schallgeschwindigkeit sind, nur dann auftreten, wenn sie durch Schall verursacht sind. Die Schallgeschwindigkeit kann dabei von dem Medium abhängen und für das Medium bekannt oder experimentell ermittelt sein. Es kann daher auf das Vorliegen von Schallereignissen geschlossen werden. Umgekehrt kann aus einem Nicht-Vorliegen von Schallereignissen geschlossen werden, dass gemessene instationäre Druckschwankungen durch andere Strömungsereignisse verursacht werden. Dies liefert beispielsweise in der Forschung an Strömungsmodellen von Fahr- oder Flugzeugen Hinweise auf den Ursprung von für Passagiere mittelbar (etwa durch verursachte Geräusche) oder unmittelbar wahrnehmbaren Druckschwankungen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es in dieser Weise erstmals möglich, drucksensitive Farben zur quantitativen Messung von instationären Druckschwankungen geringer Amplitude, insbesondere auch von Schallereignissen, einzusetzen, die bisher nur mit Mikrofonarrays aus diskreten Mikrofonen erfasst werden konnten.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung findet das erfindungsgemäße Verfahren Einsatz bei Messungen an Flugzeugen oder Flugzeugmodellen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch Einsatz finden bei Messungen an realen Fahrzeugen, Luft- und Raumfahrzeugen, Schiffen, Unterseeboten und anderen Gegenständen, insbesondere Einrichtungen zum Personen- und/oder Gütertransport wie etwa Gondeln von Seil- und Schwebebahnen, die Umströmungen mit Fluiden wie Luft oder Wasser ausgesetzt sind, und an deren Modellen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird für gemessene Schallereignisse ein Beamforming vorgenommen. Zu diesem Zweck wird für Schallereignisse die Wellenzahl mit einer bekannten Schall-Wellenzahl verglichen. Die Schall-Wellenzahl kann beispielsweise aus früheren Messungen, parallelen Messungen mit anderen Sensoren, Überschlagsrechnungen und/oder der Literatur bekannt sein und ist direkt verknüpft mit der Schallgeschwindigkeit in dem Medium. Stammt das Schallereignis aus einer Schallquelle, die Schall so abstrahlt, dass er gegenüber der Oberfläche einen Winkel einnimmt, weicht die Wellenzahl von der bekannten Schall-Wellenzahl ab. Aus der Größe der Abweichung kann der Winkel ermittelt werden. Somit folgt aus dem Beamforming die Lage der Schallquelle relativ zu der Oberfläche.
Auch aus der Position der Wellenzahl in dem Wellenzahl-Frequenz-Spektrum kann eine Ausbreitungsrichtungsrichtung eines Schallereignisses oder eines Strömungsereignisses ermittelt werden, das der instationären Druckschwankung zugrunde liegt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Korrelationsanalyse das Ermitteln des Wellenzahl-Frequenz-Spektrums, indem eine Raum-Zeit-Korrelationsfunktion der Signalintensitätsverteilungen ermittelt wird, auf die eine Fouriertransformation in Bezug auf die Zeit (d. h. in den Frequenzraum) angewendet und so ein Kreuzleistungsdichtespektrum ermittelt wird. Auf das Kreuzleistungsdichtespektrum wird eine Fouriertransformation in Bezug auf den Raum (d. h. in den Wellenzahlraum) angewandt und so das Wellenzahl-Frequenz-Spektrum erhalten.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung findet eine weitere oder erweiterte Korrelationsanalyse statt. Dabei wird eine Raum-Zeit-Korrelationsfunktion der Signalintensitätsverteilungen ermittelt, auf die eine zeitliche Fouriertransformation angewandt wird, um ein Kreuzleistungsdichtespektrum zu erhalten. Diese Auswertungsschritte können mit den zuvor beschriebenen Auswertungsschritten zum Ermitteln des Wellenzahl-Frequenz-Spektrums identisch sein. Das Kreuzleistungsdichtespektrum wird mit den Autoleistungsdichtespektren der Signalintensitätsverteilungen normiert, um ein Kohärenzspektrum zu erhalten. In dem Kohärenzspektrum wird eine Vorzugsrichtung der Kohärenz ermittelt, und aus einer Vorzugsrichtung der Kohärenz ergibt sich eine Ausbreitungsrichtung der instationären Druckschwankungen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die Lichtintensitätsverteilungen mit einer Bildfolgefrequenz aufgenommen, die mindestens die Hälfte einer Frequenz der zu messenden instationären Druckschwankung beträgt. Bevorzugt beträgt die Bildfolgefrequenz dabei mindestens die Frequenz der zu messenden instationären Druckschwankung, besonders bevorzugt mindestens das Doppelte der Frequenz der zu messenden instationären Druckschwankung. Die Frequenz der zu messenden instationären Druckschwankung kann beispielsweise aus früheren Messungen, parallelen Messungen mit anderen Sensoren, Überschlagsrechnungen und/oder der Literatur bekannt sein.
Die Bildfolgefrequenz kann oberhalb von 16 Hz liegen. Dabei kann die Bildfolgefrequenz kleiner als 70 kHz, insbesondere kleiner als 5 kHz sein. Eine Bildfolgefrequenz unterhalb von 70 kHz aber oberhalb von 5 kHz kann bei Messungen an Modellen der oben genannten Luft-, Land-, Wasser- oder Raumfahrzeuge Einsatz finden, während eine Bildfolgefrequenz unterhalb von 5 kHz bei Messungen an den realen genannten Luft-, Land-, Wasser- oder Raumfahrzeugen Einsatz finden kann.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es aber auch möglich, dass ein Aufnehmen der Lichtintensitätsverteilungen in Form von Doppelbildern erfolgt. Ein Doppelbild bedeutet dabei, dass zwei Aufnahmen von Lichtintensitätsverteilungen in einem sehr kurzen zeitlichen Abstand, beispielsweise 0,2 ms (entsprechend einer Bildfolgefrequenz von 5 kHz) oder 14,3 μs (entsprechend einer Bildfolgefrequenz von 70 kHz), durchgeführt werden. Der Kehrwert des zeitlichen Abstands wird im Folgenden als die Bildfolgefrequenz der Doppelbilder bezeichnet. Die so erhaltenen jeweils zwei zusammengehörigen Lichtintensitätsverteilungen können in der beschriebenen Weise ausgewertet werden. Wenn solche Doppelbilder aufgenommen werden, ist es nicht notwendig, eine Messung mit einer kontinuierlichen hohen Bildfolgefrequenz vorzunehmen. Dabei soll hier mit "kontinuierlich" gemeint sein, dass die Bildfolgefrequenz für mehr als zwei Bilder in Folge aufrechterhalten wird. Eine Wiederholungsfrequenz der Doppelbilder kann viel kleiner bleiben als die Bildfolgefrequenz der Doppelbilder. So kann die Erfindung auch mit Kameras umgesetzt werden, die zwar sehr schnell hintereinander zwei Lichtintensitätsverteilungen aufnehmen können, die aber für eine kontinuierliche hohe Bildfolgefrequenz nicht geeignet sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die Lichtintensitätsverteilungen mit einer CCD-Kamera aufgenommen. Bevorzugt findet eine Hochgeschwindigkeits-CCD-Kamera Einsatz, besonders bevorzugt eine solche, die eine hohe räumliche Auflösung besitzt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die drucksensitive Farbe auf eine Außenhaut des Flugzeugs aufgetragen, an dem eine Messung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt wird. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die drucksensitive Farbe auf ein Fenster des Flugzeugs oder Flugzeugmodells aufgetragen.
In einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Aufnehmen der Lichtintensitätsverteilungen mit einer im Inneren des Flugzeugs oder Flugzeugmodells angeordneten Kamera. Dabei kann sich die Kamera (oder der Sensor) zum Aufnehmen der Lichtintensitätsverteilungen hinter einem Fenster befinden. Die drucksensitive Farbe kann direkt auf das Fenster aufgetragen sein. Das Fenster kann aber auch frei von der drucksensitiven Farbe sein und die drucksensitive Farbe kann auf die Außenhaut des zu messenden Gegenstandes aufgetragen sein. Die drucksensitive Farbe kann aus dem Inneren oder von außerhalb des Flugzeugs oder Flugzeugmodells beleuchtet werden. Beispielsweise kann die drucksensitive Farbe auf ein Fenster eines Flugzeugs oder Flugzeugmodells aufgetragen sein und ein Beleuchten der Farbe und ein Aufnehmen der Lichtintensitätsverteilungen im Inneren des Flugzeugs oder Flugzeugmodells erfolgen. Die drucksensitive Farbe kann aber auch beispielsweise auf eine Tragfläche eines Flugzeugs oder Flugzeugmodells aufgetragen sein, das Beleuchten von außerhalb des Flugzeugs oder Flugzeugmodells und das Aufnehmen der Lichtintensitätsverteilung durch ein Fenster aus dem Inneren des Flugzeugs oder Flugzeugmodells erfolgen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Schallmessung in einem Windkanal durchgeführt, wobei sich der zu messende Gegenstand in dem Windkanal befindet. Die drucksensitive Farbe kann an beliebiger Stelle auf den Gegenstand selbst aufgetragen sein. Sie kann aber auch auf den Windkanal selbst, beispielsweise auf eine Wand des Windkanals, oder auf einen weiteren Gegenstand aufgetragen sein, der sich in dem Windkanal befindet. Bei dem weiteren Gegenstand kann es sich um eine Messeinrichtung handeln, die sich fest eingebaut oder frei in dem Windkanal befindet. Auch ein Einbau des Windkanals, der beispielsweise zur Formung der Strömung vorhanden ist, kann mit der drucksensitiven Farbe beschichtet sein.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Schallmessung im Flug durchgeführt. Dabei ist die drucksensitive Farbe an beliebiger Stelle an dem zu messenden Gegenstand, etwa einem Flugzeug, einem Luft- oder Raumfahrzeug oder dessen Modell, aufgetragen, das selbst fliegt oder durch einen äußeren Einfluss, etwa ein Trägerflugzeug oder eine Aufhängung, bewegt wird. Ein Aufnehmen der Lichtintensitätsverteilungen kann dabei durch ein Messinstrument, etwa eine Kamera, erfolgen, das in oder an dem Flugzeug, Luft- oder Raumfahrzeug oder Modell mitgeführt wird. Das Messinstrument kann sich aber auch an, in oder auf einem begleitenden Flugzeug, Luft- oder Raumfahrzeug oder Modell oder dem Trägerflugzeug befinden oder stationär angeordnet sein, beispielsweise in einer Beobachtungsstation am Boden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs "mindestens" bedarf. Wenn also beispielsweise von einer Lichtintensitätsverteilung die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau eine Lichtintensitätsverteilung, zwei Lichtintensitätsverteilungen oder mehr Lichtintensitätsverteilungen vorhanden sind. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die das jeweilige Verfahren aufweist
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter erläutert und beschrieben. Die einzige Figur, 1, zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
FIGURENBESCHREIBUNG
Die einzige Figur, 1, zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei einem Farbauftrag 1 wird eine drucksensitive Farbe auf eine Oberfläche aufgetragen, an der instationäre Druckschwankungen gemessen werden sollen. Als drucksensitive Farbe in einem erfindungsgemäßen Verfahren eignet sich jede drucksensitive Farbe mit einer kurzen Reaktionszeit (≤ 35 μs), beispielsweise AA-PSP. Die Oberfläche kann jede beliebige Art von Oberfläche sein. Insbesondere kann die Oberfläche auch gewölbt oder facettiert sein. Die drucksensitive Farbe kann auf jede bekannte Weise auf die Oberfläche aufgebracht werden, beispielsweise aufgesprüht. Es ist aber auch möglich, dass die drucksensitive Farbe auf eine Folie aufgetragen ist und mit der Folie auf die Oberfläche gebracht wird.
Bei einem Messaufbau 2 wird die Oberfläche mit der drucksensitiven Farbe in eine Messsituation gebracht. Dazu wird ein Messinstrument so relativ zu der Oberfläche angeordnet, dass es die Oberfläche mindestens für eine vorgesehene Messzeit beobachten kann. Als Messinstrument wird beispielsweise ein Kamera, etwa eine CCD-Kamera oder eine solche mit CMOS-Sensor, aber auch ein anderer geeigneter Sensor, wie eine PMT oder eine Photodiodenzeile, eingesetzt.
Eine Lichtquelle wird unter der Maßgabe angebracht, dass sie die Oberfläche wenigstens während der vorgesehenen Messzeit – kontinuierlich oder in Pulsen – beleuchtet. Als Lichtquelle kann jede Lichtquelle eingesetzt werden, die Licht einer definierten Wellenlänge oder aus einem definierten Wellenlängenbereich abgeben kann, beispielsweise ein Laser oder eine LED.
Wenn es sich bei der Oberfläche um eine Oberfläche eines Flugzeug oder anderen Luft- oder Raumfahrtzeuges, eines Schiffes, eines Unterseeboots, der Gondel einer Seilbahn oder einer anderen Einrichtung oder eines entsprechenden Modells handelt, die im Betrieb von Fluiden umströmt werden und daher für das Umströmtwerden optimiert werden, kann die Messsituation in einem Windkanal eingerichtet werden. Die Messsituation kann aber auch in einer Betriebssituation eingerichtet werden, beispielsweise im Flug oder in Fahrt.
Beim Aufnehmen 3 wird die Oberfläche mit der Lichtquelle beleuchtet, und mit der Kamera oder dem Sensor werden Lichtintensitätsverteilungen 5 aufgenommen. Die Lichtintensitätsverteilungen 5 entsprechen für das weitere Verfahren Signalintensitätsverteilungen 6, wie sie auch in bekannten Verfahren zur Messungen von instationären Druckschwankungen ausgewertet werden.
Das Aufnehmen 3 der Signalintensitätsverteilungen 6 erfolgt während eines Messvorgangs 4, dessen Dauer der Messzeit entspricht, wiederholt. Dabei ist es möglich, dass lediglich zwei Lichtintensitätsverteilungen 5 in unmittelbarer Abfolge, d. h. als Doppelbild, aufgenommen werden. Es können auch mehr als zwei Lichtintensitätsverteilungen 5 aufgenommen werden, entweder als Einzelbilder in immer gleichen zeitlichen Abständen oder als Folge von Doppelbildern mit größeren zeitlichen Abständen zwischen den Doppelbildern. Das Aufnehmen 3 erfolgt dabei mit einer Bildfolgefrequenz, die mindestens die Hälfte der Frequenz der zu messenden instationären Druckschwankung beträgt oder dieser Frequenz entspricht, insbesondere aber doppelt so groß ist wie diese Frequenz. Die Bildfolgefrequenz kann kleiner als 70 kHz sein, wenn an einem Modell gemessen wird, sonst kann sie kleiner als 5 kHz sein. Als Bildfolgefrequenz wird dabei im Falle von Doppelbildern der zeitliche Abstand zwischen den beiden Bildern eines Doppelbilds bezeichnet.
In der Folge werden die Signalintensitätsverteilungen 6 in einer Korrelationsanalyse 7 analysiert. Dabei ist es möglich, dass nicht alle der im Folgenden beschriebenen Schritte zwischen Grundanalyse 8 und Ermittlung 22 einer Ausbreitungsrichtung durchgeführt werden. Zudem ist möglich, dass einige oder alle dieser Schritte in einer abweichenden Reihenfolge ausgeführt werden. Es ist auch möglich, dass die Korrelationsanalyse 7 bereits aufgenommen wird, bevor der Messvorgang 4 beendet ist. Weiterhin ist möglich, dass einige der beschriebenen Schritte gleichzeitig durchgeführt werden.
In einer Grundanalyse 8 als Teil der Korrelationsanalyse 7 werden aus den Signalintensitätsverteilungen 6 eine Zweipunkt-Korrelationsfunktion und ein Wellenzahl-Frequenz-Spektrum 9 ermittelt. Aus dem Wellenzahl-Frequenz-Spektrum 9 wird in einer Wellenzahlermittlung 10 eine Wellenzahl ermittelt. Bei einer Geschwindigkeitsermittlung 11 wird eine Geschwindigkeit ermittelt, die sich aus dem Quotienten der Frequenz und der Wellenzahl ergibt. Aus dem Vergleich der Geschwindigkeit mit einer Schallgeschwindigkeit in dem Medium in einem Geschwindigkeitsvergleich 12 können Schallereignisse 14 von anderen gemessenen instationären Druckschwankungen 13 getrennt werden.
Die Korrelationsanalyse kann mit dem Geschwindigkeitsvergleich 12 und dem Erhalten der instationären Druckschwankungen 13 und der Schallereignisse 14 als Ergebnisse der Auswertung beendet werden.
Zusätzlich kann ein Beamforming 15 durchgeführt werden. Dabei wird für die bekannten Schallereignisse 14 die Geschwindigkeit quantitativ mit einer Schallgeschwindigkeit in dem Medium verglichen. Möglich ist, dass das Beamforming 15 parallel zu dem relativen Geschwindigkeitsvergleich 12 ausgeführt wird, oder dass bei dem Beamforming 15 das in dem Geschwindigkeitsvergleich 12 ermittelte Ergebnis genutzt wird. Aus der Größe einer Abweichung zwischen der gemessenen Geschwindigkeit und der Schallgeschwindigkeit in dem Medium wird ein Winkel ermittelt, unter dem eine Quelle des untersuchten Schallereignisses 14 zu der Oberfläche angeordnet ist.
Es ist möglich, dass die Korrelationsanalyse 7 durch weitere Schritte ergänzt wird. Es ist auch möglich, dass die Schritte der Korrelationsanalyse ganz oder teilweise durch andere Schritte ergänzt werden.
So kann die Ermittlung des Wellenzahl-Frequenz-Spektrums 9 in der Grundanalyse 8 erfolgen, indem eine Raum-Zeit-Korrelationsfunktion 16 ermittelt wird. Auf die Raum-Zeit-Korrelationsfunktion 16 wird eine Fouriertransformation 17 in Bezug auf die Zeit angewandt und somit ein Kreuzleistungsdichtespektrum 18 ermittelt. Auf das Kreuzleistungsdichtespektrum 18 wird eine Fouriertransformation 19 in Bezug auf den Raum angewandt. Die Fouriertransformation 19 ergibt das Wellenzahl-Frequenz-Spektrum 9.
Mit einer Normierung 20 im Rahmen der Korrelationsanalyse 7 kann eine weitere Auswertung des Kreuzleistungsdichtespektrums 18 erfolgen. Dabei kann das Kreuzleistungsdichtespektrum 18 ein Zwischenergebnis aus der Ermittlung des Wellenzahl-Frequenzspektrums 9 sein. Es ist aber auch möglich, dass die Fouriertransformation 17 zur Ermittlung des Kreuzleistungsdichtespektrums 18 nur ausgeführt wird, um die weitere Auswertung durch die Normierung 20 zu ermöglichen. Bei der Normierung 20 wird das Kreuzleistungsdichtespektrum 18 mit Autoleistungsdichtespektren der Signalintensitätsverteilungen 6 normiert. Die Autoleistungsdichtespektren können ermittelt werden, indem eine Fouriertransformation in Bezug auf die Zeit auf Autokorrelationsfunktionen angewandt wird, die aus den Signalintensitätsverteilungen 6 ermittelt werden. So wird durch die Normierung 20 ein Kohärenzspektrum 21 ermittelt. Aus einer Vorzugsrichtung der Kohärenz erfolgt dann eine Ermittlung 22 einer Ausbreitungsrichtung der instationären Druckschwankungen 13. Die Analyse nach der Normierung 20 und der Ermittlung 22 der Ausbreitungsrichtung kann ergänzend oder alternativ zu dem Beamforming 15 erfolgen.
Bezugszeichenliste

1: Farbauftrag
2: Messaufbau
3: Aufnehmen
4: Messvorgang
5: Lichtintensitätsverteilung
6: Signalintensitätsverteilung
7: Korrelationsanalyse
8: Grundanalyse
9: Wellenzahl-Frequenz-Spektrum
10: Wellenzahlermittlung
11: Geschwindigkeitsermittlung
12: Geschwindigkeitsvergleich
13: instationäre Druckschwankung
14: Schallereignisse
15: Beamforming
16: Raum-Zeit-Korrelationsfunktion
17: Fouriertransformation
18: Kreuzleistungsdichtespektrum
19: Fouriertransformation
20: Normierung
21: Kohärenzspektrum
22: Ermittlung

Claims

Verfahren zur Messung von instationären Druckschwankungen (13) auf einer Oberfläche, bei dem a) Signalintensitätsverteilungen (6) über eine Mehrzahl von Messpunkten ermittelt werden und b) eine Korrelationsanalyse (7) der Signalintensitätsverteilungen (6) zwischen einzelnen der Messpunkte durchgeführt wird, wobei eine Zweipunkt-Korrelationsfunktion der Signalintensitätsverteilungen (6) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass c) eine drucksensitive Farbe auf die Oberfläche aufgetragen wird, d) die Signalintensitätsverteilungen (6) ermittelt werden, indem nacheinander mehrere Lichtintensitätsverteilungen (5) der drucksensitiven Farbe aufgenommen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass e) in der Korrelationsanalyse (7) der Signalintensitätsverteilungen (6) zwischen einzelnen Messpunkten ein Wellenzahl-Frequenz-Spektrum (9) ermittelt wird, f) bei einer ausgewählten Frequenz in dem Wellenzahl-Frequenz-Spektrum (9) eine Wellenzahl ermittelt wird und g) eine sich aus dem Quotienten von Frequenz und Wellenzahl ergebende Geschwindigkeit dahingehend überprüft wird, ob sie größer oder gleich einer Schallgeschwindigkeit und damit einem Schallereignis (14) zuzuordnen ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Vorliegen eines Schallereignisses (14) aus dem Vergleich der Wellenzahl mit einer bekannten Schall-Wellenzahl eine Lage einer Schallquelle relativ zu der Oberfläche ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Position der Wellenzahl im Wellenzahl-Frequenz-Spektrum (9) eine Ausbreitungsrichtung eines Schall- oder Strömungsereignisses ermittelt wird, das der instationären Druckschwankung (13) zugrunde liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelationsanalyse (7) umfasst a) Ermitteln einer Raum-Zeit-Korrelationsfunktion (16) der Signalintensitätsverteilungen (6), b) Ermitteln eines Kreuzleistungsdichtespektrums (18) durch eine zeitliche Fouriertransformation (17) der Raum-Zeit-Korrelationsfunktion und c) Ermitteln eines Wellenzahl-Frequenz-Spektrums (9) durch eine räumliche Fouriertransformation (19) des Kreuzleistungsdichtespektrums.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer zweiten Korrelationsanalyse, die a) Ermitteln einer Raum-Zeit-Korrelationsfunktion (16) der Signalintensitätsverteilungen (6), b) Ermitteln eines Kreuzleistungsdichtespektrums (18) durch eine zeitliche Fouriertransformation (17) der Raum-Zeit-Korrelationsfunktion (16), c) Ermitteln eines Kohärenzspektrums (21) durch ein Normieren des Kreuzleistungsdichtespektrums (18) mit Autoleistungsdichtespektren der Signalintensitätsverteilungen (6) und d) Ermitteln einer Vorzugsrichtung der Kohärenz in dem Kohärenzspektrum (21) umfasst, aus der Vorzugsrichtung der Kohärenz eine Ausbreitungsrichtung der instationären Druckschwankungen (13) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnehmen (3) der Lichtintensitätsverteilungen (5) in der Form von Doppelbildern erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnehmen (3) der Lichtintensitätsverteilungen (5) mit einer Bildfolgefrequenz erfolgt, die mindestens das Doppelte einer Frequenz einer zu messenden instationären Druckschwankung beträgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildfolgefrequenz kleiner ist als 70 kHz.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildfolgefrequenz kleiner ist als 5 kHz.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtintensitätsverteilungen (5) mit einer CCD-Kamera aufgenommen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drucksensitive Farbe auf ein Flugzeug aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die drucksensitive Farbe auf ein Flugzeugmodell aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die drucksensitive Farbe auf ein Fenster des Flugzeugs oder Flugzeugmodells aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnehmen (3) der Lichtintensitätsverteilungen (5) der drucksensitiven Farbe mit einer im Inneren des Flugzeugs oder Flugzeugmodells angeordneten Kamera erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die drucksensitive Farbe auf eine Außenhaut des Flugzeugs oder Flugzeugmodells aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der instationären Druckschwankungen (13) in einem Windkanal erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der instationären Druckschwankungen (13) im Flug eines die Oberfläche aufweisenden Objekts erfolgt.