DE102018133314B3

DE102018133314B3 - Feldmessverfahren zum Vermessen von Schallquellen mit Hilfe eines Mikrofonarrays

Info

Publication number: DE102018133314B3
Application number: DE102018133314.5A
Authority: DE
Inventors: Daniel Ernst; Carsten Spehr
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2020-03-19
Anticipated expiration: 2038-12-22

Abstract

In einem Feldmessverfahren (21) an einem von einer Strömung (3) umströmten Körper werden mit einem außerhalb der Strömung (3) angeordneten Mikrofonarray (9) Schalldrücke zeitaufgelöst erfasst und während des zeitaufgelösten Erfassens der Schalldrücke der Strömung (3) folgende Objekte wiederholt abgebildet. Aus den Abbildungen wird zeitaufgelöst das Geschwindigkeitsfeld (15) der Strömung (3) bestimmt. Die erfassten Schalldrücke werden dann jeweils mit dem für ihren Erfassungszeitpunkt bestimmten Geschwindigkeitsfeld (15) der Strömung (3) korrigiert.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Feldmessverfahren an einem von einer Strömung umströmten Körper, in dem Schallquellen mithilfe eines Mikrofonarrays vermessen werden.
Solche Feldmessverfahren können beispielsweise bei Schallmessungen in einem Windkanal eingesetzt werden. Wenn ein Körper in dem Windkanal von einer Strömung umströmt wird, kann Schall abgestrahlt werden. Dieser Schall kann sowohl von unabhängig von der Strömung vorhandenen Schallquellen stammen als auch von Schallquellen, die erst durch die Einwirkung der Strömung auf den Körper entstehen. Diese Schallquellen können quantifiziert werden, indem beispielsweise eine Amplitude und/oder eine Frequenz des abgestrahlten Schalls erfasst wird. Indem die Schallquellen geortet werden, kann auch darauf rückgeschlossen werden, welche Eigenschaften des Körpers eine Schallentstehung begünstigen. Dies ermöglicht es, gezielt auf eine Verringerung der Schallentstehung an dem Körper hinzuarbeiten. Damit können beispielsweise Flugzeuge oder Flugzeugteile im Hinblick auf die Schallentstehung optimiert werden.
STAND DER TECHNIK
Wenn ein Körper von einer Strömung umströmt wird, dann bildet sich zwischen der Strömung und einem umgebenden ruhenden Medium eine Scherschicht aus, deren Form, Dicke und Verteilung sowie deren Strömungsverlauf von dem Körper und der Strömung abhängig und damit auch zeitabhängig ist. Als Scherschicht sollen hier auch solche Schichten verstanden werden, die sich zwischen der Strömung und einem ruhenden Gegenstand, bspw. einer Wand einer Messstrecke ausbilden und auch als Grenzschicht bezeichnet werden können. Die Scherschicht kann auch eine turbulente Strömung aufweisen. In der Scherschicht wird an dem Körper entstehender Schall reflektiert, gestreut und gebeugt. Dadurch wird der Schall sowohl abgelenkt und in verschiedene Schallausbreitungsrichtungen gestreut als auch die Signalenergie des Schalls in benachbarte Frequenzen verteilt. Das bedeutet, dass an einem außerhalb der Strömung angeordneten Mikrofonarray ein gemessener Schall sowohl im Hinblick auf seine Ausbreitungsrichtung, im Hinblick auf seine Amplitude als auch im Hinblick auf seine Frequenz von dem ursprünglich an dem Körper erzeugten Schall abweichen kann. Damit wird auch eine Laufzeit des Schalls von der Schallquelle zu dem Mikrofonarray verändert. Wenn aber ein Orten der Schallquelle mithilfe der an dem Mikrofonarray gemessenen Schalldrücke vorgenommen werden und/oder die Schallquelle quantifiziert werden soll, bedeutet das, dass die Schallquelle nicht dort verortet wird, wo sie sich tatsächlich befindet, nicht mit der korrekten Amplitude identifiziert wird, oder dass die Schalldrücke sogar so verändert sind, dass sie nicht mehr konsistent sind und kein Orten der Schallquelle aus ihnen möglich ist.
Dieser Effekt tritt sowohl in Windkanälen mit geschlossenen Messstrecken als auch in solchen mit offenen Messstrecken auf. Allerdings bildet sich bei einer offenen Messstrecke eine dickere Scherschicht aus, so dass der Effekt stärkere Auswirkungen hat. Bei einer geschlossenen Messstrecke ist zwar der beschriebene Effekt der Scherschicht aufgrund der dünneren Scherschicht geringer, nachteilig ist aber, dass bei einem Windkanal mit einer geschlossenen Messstrecke ein höheres akustisches Hintergrundrauschen auftritt, das wiederum einen negativen Einfluss auf Schalldruckmessungen hat.
Um das Messen der Schalldrücke hinsichtlich des Durchgangs durch die turbulente Strömung zu korrigieren, offenbart „Acoustic Array Corrections For Coherence Loss Due To The Wind Tunnel Shear Layer“ (P. Sijtsma, Berlin Beamforming Conference 2008) den Einsatz einer bekannten Schallquelle. Dabei kann aus dem Vergleich des von der bekannten Schallquelle abgestrahlten bekannten Schalls mit dem gemessenen Schall ermittelt werden, wie der Schall beim Durchgang durch die Scherschicht verzerrt wird. Die so gewonnenen Erkenntnisse können als Korrektur auf die gemessenen Schalldrücke anderer, zu messender Schallquellen angewandt werden. Dies ist aber beschränkt auf zu messende Schallquellen, die in räumlicher Nähe zu der bekannten Schallquelle angeordnet sind. Sind die zu messenden Schallquellen entfernt von der bekannten Schallquelle, ist der Weg des Schalls durch die Scherschicht abweichend von dem Weg des Schalls von der bekannten Schallquelle durch die Scherschicht, so dass der Schall auch anders verzerrt wird. Die anhand der bekannten Schallquelle ermittelte Korrektur ist dann nicht mehr zutreffend.
Darüber hinaus muss die bekannte Schallquelle zusätzlich an dem umströmten Körper angebracht werden. Dies ist zum einen aufwändig und bringt zum anderen einen Fremdkörper in den Messaufbau ein, der die eigentlich vorzunehmenden Messungen stört und möglicherweise Messergebnisse verfälscht.
Es ist auch möglich, die Einflüsse der Strömung auf das Messen der Schalldrücke und damit das Quantifizieren und/oder Orten der Schallquellen zu kompensieren, indem entweder über längere Messzeiten gemessen wird oder indem mit mehr Mikrofonen in dem Mikrofonarray gemessen wird. Eine Kompensation der Einflüsse der Strömung auf die gemessene Amplitude ist aber nicht möglich. Sowohl eine längere Messzeit als auch ein Einsatz von mehr Mikrofonen erhöht darüber hinaus die durch die Messung verursachten Kosten sowohl direkt durch den erhöhten Zeit- bzw. Materialaufwand als auch indirekt durch den dadurch notwendigen höheren Auswertungsaufwand.
Es ist auch bekannt, die Scherschicht um einen einer bekannten Strömung ausgesetzten bekannten Körper numerisch zu simulieren. Mittels des Ergebnisses der Simulation kann ein Einfluss der Scherschicht auf hindurchtretenden Schall modelliert werden. Mit dem Ergebnis dieser Modellierung können dann die gemessenen Schalldrücke korrigiert werden. Nachteilig hierbei ist aber, dass die Scherschicht zeitlich nicht stabil ist, sondern hinsichtlich ihrer Form, Dicke und Verteilung sowie ihres Strömungsverlaufs bspw. in Bezug auf Geschwindigkeit und/oder Richtung zeitlich schwankt. Eine Simulation kann diese zeitlichen Schwankungen aber nicht berücksichtigen, sondern lediglich einen zeitlichen Mittelwert liefern. Damit kann aber jeder konkret gemessene Schalldruck nicht um die vom Zeitpunkt seiner Messung tatsächlich aufgetretene Verzerrung korrigiert werden. Die Korrektur kann lediglich für alle gemessenen Schalldrücke mit dem simulierten Mittelwert erfolgen, so dass für jeden Schalldruck nur ein ungefährer korrigierter Wert ermittelt werden kann. Damit ist ein Quantifizieren und/oder Orten einer Schallquelle zwar verbessert, unterliegt aber weiterhin dem negativen Einfluss der Scherschicht.
Aus der US 2012 / 0216619 A1 ist ein Verfahren zum Messen einer Schallquellenverteilung im dreidimensionalen Raum bekannt, in dem ein Körper von einer Strömung umströmt wird. Bei dem Verfahren werden der Strömung folgende Objekte wiederholt abgebildet. Aus den Abbildungen wird zeitaufgelöst ein Geschwindigkeitsfeld der Strömung bestimmt, und basierend auf dem Proudman-Theorem wird aus dem Geschwindigkeitsfeld die Schallquellenverteilung in dem dreidimensionalen Raum bestimmt.
Aus der JP 2008-64692 A ist ein Verfahren zum Verfolgen einer Schallquelle an einem von einer Strömung umströmten Körper bekannt. Dabei werden der Strömung folgende Objekte wiederholt abgebildet, während Schalldrücke zeitaufgelöst mit einem Mikrofon erfasst werden. Aus den Abbildungen wird ein Strömungsgeschwindigkeitsvektor durch Particle Image Velocimetry (PIV) berechnet, und durch Berechnen einer Kreuzkorrelation zwischen dem erfassten Schalldruck und dem Strömungsgeschwindigkeitsvektor wird eine Schallquellenverteilungskarte berechnet.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Feldmessverfahren an einem von einer Strömung umströmten Körper zum Vermessen von Schallquellen mithilfe eines Mikrofonarrays zur Verfügung zu stellen.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltungen sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Feldmessverfahren an einem von einer Strömung umströmten Körper. Das Feldmessverfahren ermöglicht ein Vermessen, beispielsweise ein Quantifizieren, einer Schallquelle mithilfe eines Mikrofonarrays. Das Mikrofonarray weist mehrere Mikrofone auf und ist außerhalb der Strömung angeordnet. Mit dem Mikrofonarray werden Schalldrücke zeitaufgelöst erfasst. Während des zeitaufgelösten Erfassens der Schalldrücke werden der Strömung folgende Objekte wiederholt abgebildet. Aus den Abbildungen wird zeitaufgelöst ein Geschwindigkeitsfeld der Strömung bestimmt. Die erfassten Schalldrücke werden anschließend jeweils mit dem für ihren Erfassungszeitpunkt bestimmten Geschwindigkeitsfeld korrigiert.
Zeitgleich mit dem Messen der Schalldrücke erfolgt somit ein weiteres Messen, nämlich das Messen des Geschwindigkeitsfelds der Strömung. Damit ist zu jedem gemessenen Schalldruck bekannt, wie sich zum Zeitpunkt seiner Messung die Strömung tatsächlich verhielt. Folglich kann der Schalldruck nicht nur um einen Schätzwert oder einen Mittelwert korrigiert werden, sondern zum ersten Mal um genau den Einfluss, den die Strömung tatsächlich auf den Schalldruck genommen hat. Damit ist ein wesentlich genaueres Korrigieren der Schalldrücke möglich. Somit können genauere Werte der Schalldrücke ermittelt werden und somit die Schallquelle besser quantifiziert werden als mit Feldmessverfahren des Stands der Technik.
Anhand der Schalldrücke kann eine Schallquelle geortet werden. Das genauere Ermitteln der Schalldrücke führt dann zu einem wesentlich genaueren Orten der Schallquellen. Das erfindungsgemäße Feldmessverfahren ermöglicht somit beide Vorteile.
Es ist möglich, dass das Geschwindigkeitsfeld der Strömung zweidimensional bestimmt wird, was einem Projizieren der Strömung in eine Ebene entsprechen kann. Dafür kann es genügen, wenn das wiederholte Abbilden der der Strömung folgende Objekte aus einer (fest gewählten) Abbildungsrichtung erfolgt. Dazu kann eine einzelne Kamera (wodurch hier CCD-Arrays und andere optische Abbildungsvorrichtungen eingeschlossen sein sollen) eingesetzt werden. Das wiederholte Abbilden der der Strömung folgende Objekte kann aber auch aus verschiedenen Abbildungsrichtungen erfolgen. Für das Abbilden aus verschiedenen Abbildungsrichtungen können mehrere Kameras eingesetzt werden. Durch das Abbilden aus verschiedenen Abbildungsrichtungen kann es möglich sein, das Geschwindigkeitsfeld der Strömung dreidimensional zu bestimmen.
Die Strömung kann ganz oder teilweise turbulent sein, insbesondere im Bereich einer Scherschicht im Grenzbereich zu einem ruhenden umgebenden Medium. Eine turbulente Strömung kann nur schwer zu modellieren sein. Sie ist insbesondere nicht exakt nachzubilden, weil der Verlauf der Strömung durch stochastische Effekte bedingt ist. Weil aber mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Effekt nachverfolgt wird, den die Strömung, die Scherschicht und ggf. die turbulente Strömung tatsächlich auf den hindurchtretenden Schall hat, ist kein solches Modellieren der stochastischen Effekte notwendig, und beim Vorliegen einer turbulenten Strömung können die Schalldrücke um den Einfluss der turbulenten Strömung korrigiert werden.
Für die der Strömung folgenden Objekte gibt es verschiedene Möglichkeiten: Dabei kann es sich um feste oder flüssige Teilchen handeln, aber auch um Gasblasen. Um gezielt nachverfolgbare Objekte in die Strömung einzubringen, kann die Strömung mit den Teilchen oder Gasblasen beimpft werden. Auf diese Art und Weise können sowohl die Anzahl, der Auftrieb und die Größe der Objekte kontrolliert werden als auch die Frequenz, mit der die Objekte in die Strömung eingebracht werden.
Für das zeitaufgelöste Bestimmen des Geschwindigkeitsfelds der Strömung aus den Abbildungen sind verschiedene Verfahren bekannt. Es ist möglich, dass für das Bestimmen des Geschwindigkeitsfelds der Strömung ein Verfahren der Particle-Image-Velocimetry oder der Particle-Tracking-Velocimetry eingesetzt wird, insbesondere ein sogenanntes „Shake The Box“-Verfahren. Das zeitaufgelöste Bestimmen des Geschwindigkeitsfelds der Strömung kann insbesondere dreidimensional erfolgen. Sowohl zwei- als auch dreidimensionale Verfahren der Particle-Image-Velocimetry und der Particle-Tracking-Velocimetry sind bekannt. Beispielhaft wird hier auf die Patentanmeldungen DE 44 08 072 A1 , DE 10 2008 003 535 A1 DE 10 2015 118 941 A1 und die Patentschrift DE 10 2013 105 648 B3 der Anmelderin verwiesen.
Das Geschwindigkeitsfeld der Strömung kann mit einer zeitlichen Auflösung von mindestens 1 s, mindestens 0,5 s, mindestens 300 ms, mindestens 200 ms, mindestens 150 ms, mindestens 100 ms, mindestens 70 ms, mindestens 50 ms, mindestens 20 ms, mindestens 10 ms, mindestens 7 ms, mindestens 5 ms, mindestens 3 ms oder mindestens 1 ms bestimmt werden. „Mindestens“ soll hier bedeuten, dass die zeitliche Auflösung größer, d. h. genauer, sein kann. Eine zeitliche Auflösung von „mindestens 200 ms“ umfasst somit beispielsweise eine zeitliche Auflösung von 170 ms oder von 130 ms. Eine zeitliche Auflösung des Erfassens der Schalldrücke und des Abbildens der der Strömung folgenden Objekte zur Bestimmung des Geschwindigkeitsfelds kann übereinstimmen. Das bedeutet dann, dass zu jedem Messwert des Schalldrucks auch ein zeitlich genau zugeordnetes Geschwindigkeitsfeld ermittelt wird. Es ist aber möglich, dass die erreichbaren zeitlichen Auflösungen voneinander abweichen. Insbesondere kann die zeitliche Auflösung der Erfassung des Schalldrucks höher sein als die zeitliche Auflösung des Abbildens der der Strömung folgenden Objekte. Dies kann insbesondere deswegen der Fall sein, weil eine notwendige Auflösung der Erfassung der Schalldrücke von einer zu messenden Schallfrequenz abhängen kann. Die Auflösung der Erfassung der Schalldrücke kann so gewählt werden, dass sie mindestens doppelt so groß ist wie eine zu messende Schallfrequenz. Wenn beispielsweise Schall mit einer Schallfrequenz von 20 kHz zu messen ist, entspricht das aber einer zeitlichen Auflösung, die selbst von vielen Hochgeschwindigkeitskameras mit zeitlichen Auflösungen im Bereich einiger hundert Hz nicht erreicht wird. Wenn die zeitliche Auflösung der Erfassung des Schalldrucks höher ist als die zeitliche Auflösung des Abbildens der der Strömung folgenden Objekte ist es möglich, dass jedem erfassten Wert des Schalldrucks ein Zeitintervall zwischen zwei Zeitpunkten des Abbildens zugeordnet wird, über den das Geschwindigkeitsfeld als stabil angenommen wird. Beim Quantifizieren und/oder Orten der Schallquellen können somit dem für ein Zeitintervall bestimmten Geschwindigkeitsfeld die zeitgleich erfassten Schalldrücke zugeordnet werden. Es ist auch möglich, dass nur jeweils solche Messwerte des Schalldrucks verwendet werden, denen ein Geschwindigkeitsfeld zeitlich direkt zugeordnet werden kann, so dass effektiv die zeitliche Auflösung des Messens der Schalldrücke herabgesetzt wird.
Vorzugsweise erfolgt das Abbilden der der Strömung folgenden Objekte mit einer räumlichen Auflösung, die kleiner als die Größenordnung einer Wellenlänge der von der Schallquelle erwarteten abgestrahlten Schallwellen ist oder in der Größenordnung der Wellenlänge der von der Schallquelle erwarteten abgestrahlten Schallwellen liegt. Die Wellenlänge lässt sich bei bekannter Schallgeschwindigkeit ohne weiteres aus einer abgeschätzten oder gemessenen Frequenz des Schalls berechnen. Beispielsweise bei einer erwarteten Schallfrequenz von 20 kHz kann die räumliche Auflösung des Abbildens 1,7 cm betragen, wenn es sich bei einem Medium in der Strömung und außerhalb der Strömung um Luft handelt.
Das Geschwindigkeitsfeld der Strömung kann also konkret mit einer räumlichen Auflösung von mindestens 5 cm oder 3 cm oder 2 cm bestimmt werden.
Beim Quantifizieren und/oder Orten der Schallquelle kann zum Korrigieren der zum Quantifizieren und/oder Orten der Schallquelle verwendeten Schalldrücke eine Schallausbreitung durch das bestimmte Geschwindigkeitsfeld zu dem Mikrofonarray modelliert werden. Dabei wird eine als Lösungsansatz für die Schallausbreitung herangezogene Funktion (Green'sche Funktion) mittels des gemessenen Geschwindigkeitsfelds der Strömung als Randbedingungen modifiziert. Diese Funktion wird dann zum Quantifizieren und/oder Orten der Schallquelle eingesetzt. Das heißt, es findet ein gebräuchliches Modell für die Schallausbreitung Einsatz, dieses wird jedoch statt mit angenommenen Parametern mit den tatsächlichen Messwerten versehen.
Zum Orten der Schallquelle kann ein Beamforming oder ein inverses Verfahren angewandt werden. Beamforming ist ein verbreitetes Verfahren zur Ortung von Schallquellen aus an verschiedenen Orten, das heißt typischerweise mit verschiedenen Mikrofonen eines Mikrofonarrays, empfangenen Schalldrücken, bei dem aus einem Laufzeitunterschied von der Schallquelle zu den verschiedenen Detektionsorten auf den Ort der Schallquelle zurückgeschlossen wird. Unter „inversen Verfahren“ sind eine Reihe von Verfahren bekannt, die es jeweils erlauben aus detektiertem Schall auf einen Ort einer Schallquelle zurückzuschließen. Dabei kann ein Muster der Schallausbreitung räumlich rekonstruiert werden, nicht nur an dem jeweiligen Detektionsort. Zu solchen inversen Verfahren gehören die Nahfeldholografie, die inverse Randelemente-Methode (inverse boundary element method, IBEM), die Least-Squares-Methode (Helmholtz equation least squares, HELS), die inverse Transfermatrix (inverse frequency response function, IFRF), die Äquivalente-Quellen-Methode, die Finite-Elemente-Methode (FEM), die Kovarianz-Matrix-Regression (covariance matrix fitting, CMF) oder die globale Optimierung (global optimization, GO).
Das Feldmessverfahren kann in jeder Situation durchgeführt werden, in der Schallausbreitung durch eine Scherschicht zwischen einer Strömung und einem ruhenden Medium gemessen werden soll. Insbesondere kann das Feldmessverfahren aber bei Messungen in einem Windkanal Anwendung finden. Wie eingangs beschrieben, ist das Phänomen der Verzerrung des Schalls durch die Scherschicht bei offenen Messstrecken stärker ausgeprägt als bei geschlossenen Messstrecken. Das Feldmessverfahren kann daher insbesondere in einem Windkanal mit offener Messstrecke durchgeführt werden.
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 Schallquelle die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau eine Schallquelle, zwei Schallquellen oder mehr Schallquellen vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
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.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

1 zeigt einen Messaufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Feldmessverfahrens mit einem in einer Strömung angeordneten Körper, einem Mikrofonarray zum Erfassen von Schalldrücken und einer Anordnung von Kameras zum Abbilden von der Strömung folgenden Objekten.
2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Feldmessverfahrens.

FIGURENBESCHREIBUNG
1 zeigt eine Messanordnung 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Feldmessverfahrens. Ein Körper 2 ist einer Strömung 3 eines Mediums ausgesetzt. Bei dem Medium handelt es sich hier um Luft, die einer Windkanaldüse 4 eines Windkanals 5 entströmt. Die Strömung 3 strömt aus der Windkanaldüse 4 um den in dem Windkanal 5 angeordneten Körper 2 herum zu einem Windkanalkollektor 6. Dabei bildet sich um den Körper 2 herum eine hier schematisiert dargestellte Scherschicht 7 aus, die turbulent sein kann. Innerhalb des Windkanals 5, aber außerhalb der Scherschicht 7 ist ein Mikrofonarray 9 angeordnet, das hier schematisch als die Mikrofone 8a bis 8e dargestellt ist. Die Mikrofone 8a bis 8e stehen exemplarisch für jede geeignete Anzahl und Anordnung von Mikrofonen, die ein Mikrofonarray 9 bilden. Mit den Mikrofonen 8a bis 8e des Mikrofonarrays werden jeweils Schalldrücke erfasst.
Beispielhaft sind hier zwei an dem Körper 2 vorhandene Schallquellen 10a, 10b dargestellt. Dabei kann es sich um unabhängig von der Strömung 3 vorhandene (aktive) Schallquellen handeln. Es kann sich aber auch um Schallquellen handeln, die nur aufgrund der Strömung 3 an dem Körper 2 auftreten. Der von den Schallquellen 10 ausgehende Schall ist als Schallwellen 11 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Schallwellen 11 zwischen dem Körper 2 und dem Mikrofonarray 9 die Scherschicht 7 durchlaufen. Dabei werden die Schallwellen gebrochen, gestreut und abgelenkt (hier nicht dargestellt) und der Schall teilweise in andere Frequenzen gestreut.
Ebenfalls zwischen dem Körper 2 und dem Mikrofonarray 9 ist ein hier schematisch als mit Pfeilen 12 versehener rechteckiger Ausschnitt 13 dargestelltes Messfeld 14 angeordnet. Die Pfeile 12 geben hier durch ihre Orientierung und Länge schematisch ein Geschwindigkeitsfeld 15 der Strömung 3, insbesondere auch im Bereich der Scherschicht 7, an. Zur Ermittlung des Geschwindigkeitsfelds 15 sind in der Messanordnung 1 Kameras 16 angeordnet, die auf die Strömung 3 innerhalb des Messfelds 14 gerichtet sind. Mit den hier gezeigten beiden Kameras 16a, 16b ist ein dreidimensionales Erfassen des Geschwindigkeitsfelds 15 möglich. Die Kameras 16a, 16b erfassen aus Maßstabsgründen hier nicht dargestellte Objekte, die sich mit der Strömung 3 bewegen. Dabei kann es sich beispielsweise um feste oder flüssige Teilchen oder Gasblasen handeln, mit denen die Strömung 3 beimpft wurde. Mit einem bekannten Verfahren wird aus den mit den Kameras 16a, 16b gewonnenen Bildern der mit der Strömung 3 bewegten Objekte auf das Geschwindigkeitsfeld 15 zurückgeschlossen. Dabei kann beispielsweise um ein Verfahren der Particle-Image-Velocimetry oder der Particle-Tracking-Velocimetry angewandt werden.
Die Auswertung erfolgt mithilfe von Auswerteelektronik 17, die in einem oder mehreren speziellen Geräten verwirklicht sein kann, aber auch in einer Softwareanwendung oder mehreren Softwareanwendungen auf einem handelsüblichen PC. In einer Schalldruckauswerteeinheit 18 werden die Signale des Mikrofonarrays 9 ausgewertet und so gemessene Schalldrücke erhalten. In einer Strömungsgeschwindigkeitsauswerteeinheit 19 werden die Signale der Kameras 16a, 16b dazu ausgewertet, das Geschwindigkeitsfeld 15 zu ermitteln. Mittels der Schalldrücke und des jeweils zugehörigen Geschwindigkeitsfelds 15 werden in einer Ortungseinheit 20 die Schallquellen 10a, 10b geortet. Dabei werden die gemessenen Schalldrücke mittels der jeweils zugehörigen Geschwindigkeitsfelder 15 so korrigiert, dass die Effekte, die die Strömung 3 in der Scherschicht 7 auf die Schalldrücke ausübt, jeweils herausgerechnet werden.
2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Feldmessverfahrens 21. In einem Schritt 22 wird ein Körper 2 einer Strömung 3 ausgesetzt. Dies kann beispielsweise in einem Windkanal 5 stattfinden. In Schritt 22 wird auch die Strömung 3 mit Objekten beimpft. Indem die Strömung 3 den Körper 2 umströmt, bildet sich eine Scherschicht 7 aus, in der sich auch die Objekte mit der Strömung 3 bewegen.
In einem Schritt 23 werden mittels eines Mikrofonarrays 9 von dem Körper 2 ausgehende Schalldrücke zeitaufgelöst erfasst. In einem zeitgleich ausgeführten Schritt 24 werden die der Strömung 3 folgenden Objekte mittels Kameras 16 abgebildet. In einem Schritt 25 wird aus den im Schritt 24 gemachten Abbildungen zeitaufgelöst das Geschwindigkeitsfeld 15 der Strömung 3 bestimmt. Damit ist für jeden im Schritt 23 erfassten Schalldruck auch ein zeitgleich vorliegendes Geschwindigkeitsfeld 15 bekannt. Dabei kann beispielsweise die zeitliche Auflösung des Erfassens der Schalldrücke und des Geschwindigkeitsfelds gleich sein, eine Auflösung kann ein mehrfaches der anderen sein oder einer der beiden Werte, insbesondere das Geschwindigkeitsfeld, kann jeweils für ein Zeitintervall bestimmt werden, dem mehrere Messwerte des anderen der beiden Werte zugeordnet werden. Die Schalldrücke und die zugehörigen Geschwindigkeitsfelder 15 werden in einem Schritt 26 zusammengeführt. In Schritt 26 werden die Schalldrücke jeweils mit dem für ihren Erfassungszeitpunkt bestimmten Geschwindigkeitsfeld 15 korrigiert, so dass die Einflüsse der Scherschicht 7 auf den Schalldruck jeweils herausgerechnet werden können und aus dem am Mikrofonarray 9 gemessenen Schalldruck auf den an der jeweiligen Schallquelle 10 tatsächlich entstandenen Schalldruck zurückgerechnet werden kann. In einem optionalen Schritt 27 werden aus den so korrigierten Schalldrücken beispielsweise mittels Beamforming oder eines inversen Verfahrens die Schallquellen 10 geortet.
Bezugszeichenliste

1: Messanordnung
2: Körper
3: Strömung
4: Windkanaldüse
5: Windkanal
6: Windkanalkollektor
7: Scherschicht
8: Mikrofon
9: Mikrofonarray
10: Schallquelle
11: Schallwelle
12: Pfeil
13: Ausschnitt
14: Messfeld
15: Geschwindigkeitsfeld
16: Kamera
17: Auswerteelektronik
18: Schalldruckauswerteeinheit
19: Strömungsgeschwindigkeitsauswerteeinheit
20: Datenauswerteeinheit
21: Feldmessverfahren
22: Schritt
23: Schritt
24: Schritt
25: Schritt
26: Schritt
27: Schritt

Claims

Feldmessverfahren (21) an einem von einer Strömung (3) umströmten Körper mit den Schritten: - zeitaufgelöstes Erfassen von Schalldrücken mit einem außerhalb der Strömung (3) angeordneten Mikrofonarray (9) und - Korrigieren der erfassten Schalldrücke hinsichtlich eines Geschwindigkeitsfelds (15) der Strömung (3), gekennzeichnet durch - wiederholtes Abbilden von der Strömung (3) folgenden Objekten, wobei das wiederholte Abbilden während des zeitaufgelösten Erfassens der Schalldrücke erfolgt, - zeitaufgelöstes Bestimmen des Geschwindigkeitsfelds (15) der Strömung (3) aus den Abbildungen und - Korrigieren der erfassten Schalldrücke jeweils mit dem für ihren Erfassungszeitpunkt bestimmten Geschwindigkeitsfeld (15).
Feldmessverfahren (21) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Schalldrücke eine Schallquelle (10) geortet wird.
Feldmessverfahren (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wiederholte Abbilden aus verschiedenen Abbildungsrichtungen erfolgt.
Feldmessverfahren (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung (3) ganz oder teilweise turbulent ist.
Feldmessverfahren (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung (3) mit den Objekten in Form von festen oder flüssigen Teilchen oder Gasblasen beimpft wird.
Feldmessverfahren (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitaufgelöste Bestimmen des Geschwindigkeitsfelds (15) der Strömung (3) aus den Abbildungen nach einem Verfahren der Particle-Image-Velocimetry oder der Particle-Tracking-Velocimetry durchgeführt wird.
Feldmessverfahren (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Geschwindigkeitsfeld (15) der Strömung (3) mit einer zeitlichen Auflösung von mindestens 200 ms oder mindestens 10 ms bestimmt wird.
Feldmessverfahren (21) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Orten der Schallquelle (10) dem für ein Zeitintervall bestimmten Geschwindigkeitsfeld (15) die zeitgleich erfassten Schalldrücke zugeordnet werden.
Feldmessverfahren (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Geschwindigkeitsfeld (15) der Strömung (3) mit einer räumlichen Auflösung von mindestens 5 cm oder 3 cm oder 2 cm bestimmt wird.
Feldmessverfahren (21) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Orten der Schallquelle (10) zum Korrigieren der zum Orten der Schallquelle (10) verwendeten Schalldrücke eine Schallausbreitung durch das bestimmte Geschwindigkeitsfeld (15) zu dem Mikrofonarray (9) modelliert wird.
Feldmessverfahren (21) nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass beim Orten der Schallquelle (10) ein Beamforming oder ein inverses Verfahren angewandt wird.
Feldmessverfahren (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldmessverfahren (21) in einem Windkanal (5) mit offener Messstrecke durchgeführt wird.