EP1571650A1 - Device for producing acoustic fields with a defined modal composition - Google Patents
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- G10K11/178—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general using interference effects; Masking sound by electro-acoustically regenerating the original acoustic waves in anti-phase
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- G10K2210/321—Physical
- G10K2210/3212—Actuator details, e.g. composition or microstructure
Definitions
- the invention relates to an arrangement for the production of Sound fields of certain modal composition as simulated Sound source for acoustic examinations, in particular for simulation of rotor-stator arrangements generated by turbomachinery sound or as a counter-field for active noise reduction.
- the invention is based on the object, an arrangement to generate sound fields of particular modal content, also referred to below as a mode generator, for use as a simulated sound source for scientific-technical Examinations or as a counter-sound field to indicate active noise reduction, the is simple and low cost can be manufactured and operated.
- a mode generator for use as a simulated sound source for scientific-technical Examinations or as a counter-sound field to indicate active noise reduction
- the basic idea of the invention exists in other words in the provision of a mode generator comprising a from a flowable medium, in particular a gas, flowed through flow channel with trained in this Contains flow obstacles.
- the flow obstacles are shaped so that from this vortex from the flowing Medium are replaced.
- the shape and size of the flow obstacles and the flow rate in the Flow channel are chosen so that a certain detachment frequency the vortex is not fallen below.
- the number and spatial arrangement of the flow obstacles adjusted so that one through the entirety of the detached Eddy conditionally, periodically and periodically spatially changing pressure field is generated. This Pressure field excites a sound field of certain modal composition synchronizing this to the vortex shedding reacts.
- the so formed by feedback Resonant circuit in which the vortex shedding frequency in the range the resonant frequency of the sound field to be excited is, represents a sound wave.
- the vortex shedding frequency in the range the resonant frequency of the sound field to be excited is, represents a sound wave.
- the drawing are in a flow channel 1 at whose inner circumference arranged distributed at regular intervals
- Flow obstacles according to the figures 1 to 3 arranged in the form of only in a cross-sectional plane, perpendicular from the channel inner wall abstrebenden, continuous rectangular bars 10 of equal length with rounded Edges, provided. That is, the flow obstacles 2 can be used to generate different modal Sound fields also have other cross-sectional shapes, further extend into the channel interior or closer the channel wall or, as in Figures 4 to 8 represented, be arranged on supports in the channel or as well as in the channel wall molded recesses (not represented). In particular, the cross-sectional shape the flow obstacles 2 for training of the sound field in the flow channel 1 of importance.
- the flow obstacles 2 in one and the same flow channel 1 also different be educated.
- the arrangement and number the flow obstacles 2 variable. That is, the Flow obstacles can be single or in a larger one Number also in two or more cross-sectional planes the flow channel 1, and also offset from one another be arranged (each not shown).
- the flow channel 1 is in the direction of arrow 3 of a flowable medium, here a gas flows through.
- a gas flows through.
- Fig. 9 The mechanism of action of the sound field generator described above (aero-acoustic mode generator) for conversion the flow energy of the medium in acoustic Energy of a flow in the direction of and against Flow direction of propagating sound field is based of Fig. 9 described as follows: Due to the flow solve the flow obstacle 2 periodically vortex 5 and 6, which are downstream of the flow obstruction 2 form a vortex street 7. The removal frequency the vortex 5, 6 depends on the flow velocity and the shape and size of the respective flow obstacle 2 off. As a result of the periodic vortex shedding generated alternating pressures produce sounds that at and above a certain frequency (cut-on frequency, Resonant frequency) in the flow channel 1 propagate can.
- This frequency depends on the channel geometry (Cross-sectional shape, dimensions), of the flow velocity and the gas temperature.
- the by the periodic Vortex shedding generated sounds form in the Flow channel 1 an acoustic pressure field 8, that is, a modal sound field or at least one acoustic sound field Mode with in the circumferential direction and / or radial direction, variable amplitude, synchronous to the flow obstacle 2 and the periodic detachment from this the vortex reacts (feedback loop according to arrow 9).
- the acoustic mode shapes the frequency of vortex shedding and phase on and through the synchronous feedback of the Modes on vortex formation form a high sound pressure level out, who is capable of certain noise levels in technical installations, for example in one Rotor-stator arrangement, to simulate or even - out of phase - for the active noise reduction of an existing one Sound pressure level can be used.
- the for the sound energy required becomes the energy deprived of the flowing medium, however, is the energy deprivation negligible small and without influence on the effect of the technical device to be examined, e.g. a rotor-stator assembly of a turbomachine.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von Schallfeldern bestimmter modaler Zusammensetzung als simulierte Schallquelle für akustische Untersuchungen, insbesondere zur Simulation des von Rotor-Stator-Anordnungen von Turbomaschinen erzeugten Schalls oder als Gegenschallfeld zur aktiven Schallminderung.The invention relates to an arrangement for the production of Sound fields of certain modal composition as simulated Sound source for acoustic examinations, in particular for simulation of rotor-stator arrangements generated by turbomachinery sound or as a counter-field for active noise reduction.
In vielen technischen Bereichen ist die Anwendung und der Betrieb bestimmter Vorrichtungen, wie beispielsweise Flugzeugantriebe, Fahrzeugantriebe, Verdichter, Gasturbinen, Lüftungsanlagen, Ventilatoren und dgl., mit einem unerwünschten, aero-akustisch bedingten Geräuschpegel verbunden. In solchen Anlagen, beispielsweise bei den Rotor-Stator-Systemen von Verdichtern und Gasturbinen, ist die Untersuchung der Ursachen für die Entstehung und Ausbreitung des Luftschalls oder von zur Geräuschdämpfung getroffenen Maßnahmen mit einer realitätsnahen Versuchsanlage mit einem erheblichen technischen Aufwand verbunden. Bei Turbomaschinen sind derartige Untersuchungen mit Rotor-Stator -Anordnungen möglich, die wegen der erforderlichen Antriebseinheiten, der beweglichen Teile, des hohen Gewichts und der notwendigen Steuermechanismen aufwendig und teuer sind. Außerdem ist auch die Erzeugung eines simulierten Schallfeldes zu Testzwecken oder als Gegenschallfeld zur aktiven Schallminderung, wie beispielsweise in der US 5 702 230 oder der US 5 590 849 beschrieben, mit einem beträchtlichen apparativen, steuerungstechnischen und energetischen Aufwand für die Anordnung und den Betrieb von aktiven Elementen, wie beispielsweise Lautsprecher oder piezo-elektrische Geräuschquellen, verbunden. Zusätzliche Schwierigkeiten bereiten insbesondere die Bereitstellung leistungsfähiger Aktuatoren, deren hohes Gewicht, deren Energiebedarf und deren Betrieb bei hohen Temperaturen, Drücken und Strömungsgeschwindigkeiten.In many technical areas the application and the Operation of certain devices, such as Aircraft drives, vehicle drives, compressors, gas turbines, Ventilation systems, fans and the like, with a unwanted, aero-acoustic noise level connected. In such systems, for example in the rotor-stator systems of compressors and gas turbines, is the study of the causes of the formation and spread of airborne sound or of noise attenuation Measures taken with a realistic test facility associated with a considerable technical effort. In turbomachinery such investigations are with Rotor-stator arrangements possible because of the required Drive units, moving parts, the high weight and the necessary control mechanisms consuming and are expensive. Besides that is also the generation a simulated sound field for test purposes or as Counter-sound field for active noise reduction, such as in US 5,702,230 or US 5,590,849, with a considerable apparatus, control technology and energetic effort for the arrangement and the operation of active elements, such as Loudspeakers or piezoelectric noise sources, connected. To cause additional difficulties in particular the provision of powerful actuators, their high weight, their energy needs and their Operation at high temperatures, pressures and flow velocities.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Erzeugung von Schallfeldern bestimmten modalen Inhalts, im folgenden auch als Modengenerator bezeichnet, zur Anwendung als simulierte Schallquelle für wissenschaftlich-technische Untersuchungen oder als Gegenschallfeld zur aktiven Schallminderung anzugeben, die einfach ausgebildet ist und mit geringem Kostenaufwand hergestellt und betrieben werden kann.The invention is based on the object, an arrangement to generate sound fields of particular modal content, also referred to below as a mode generator, for use as a simulated sound source for scientific-technical Examinations or as a counter-sound field to indicate active noise reduction, the is simple and low cost can be manufactured and operated.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den
Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Vorrichtung
gelöst. Weitere Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.According to the invention, the object with a according to the
Features of
Der Grundgedanke der Erfindung besteht mit anderen Worten in der Bereitstellung eines Modengenerators, der einen von einem fließfähigen Medium, insbesondere einem Gas, durchströmten Strömungskanal mit in diesem ausgebildeten Strömungshindernissen umfasst. Die Strömungshindernisse sind so geformt, dass von diesen Wirbel aus dem strömenden Medium abgelöst werden. Die Form und Größe der Strömungshindernisse und die Strömungsgeschwindigkeit in dem Strömungskanal sind so gewählt, dass eine bestimmte Ablösefrequenz der Wirbel nicht unterschritten wird. Die Anzahl und räumliche Anordnung der Strömungshindernisse ist so eingestellt, dass ein durch die Gesamtheit der abgelösten Wirbel bedingtes, sich periodisch zeitlich und räumlich veränderndes Druckfeld erzeugt wird. Dieses Druckfeld regt ein Schallfeld von bestimmter modaler Zusammensetzung an, das auf die Wirbelablösung synchronisierend zurückwirkt. Der so durch Rückkopplung gebildete Resonanzkreis, bei dem die Wirbelablösefrequenz im Bereich der Resonanzfrequenz des anzuregenden Schallfeldes ist, stellt eine Schallwelle dar. Mit einfachsten Mitteln kann damit eine Schallquelle für bestimmte akustische Untersuchungen, zum Beispiel unter Fortfall der Stator-Rotor-Anordnung bei Triebwerksuntersuchungen, simuliert werden. Gleichermaßen können mit einer derart einfachen und kostengünstigen Anordnung Gegenschallfelder zur aktiven Schallminderung erzeugt werden. Der Apparate-, Gewichts- und Kostenaufwand kann erheblich reduziert werden.The basic idea of the invention exists in other words in the provision of a mode generator comprising a from a flowable medium, in particular a gas, flowed through flow channel with trained in this Contains flow obstacles. The flow obstacles are shaped so that from this vortex from the flowing Medium are replaced. The shape and size of the flow obstacles and the flow rate in the Flow channel are chosen so that a certain detachment frequency the vortex is not fallen below. The number and spatial arrangement of the flow obstacles adjusted so that one through the entirety of the detached Eddy conditionally, periodically and periodically spatially changing pressure field is generated. This Pressure field excites a sound field of certain modal composition synchronizing this to the vortex shedding reacts. The so formed by feedback Resonant circuit, in which the vortex shedding frequency in the range the resonant frequency of the sound field to be excited is, represents a sound wave. By the simplest means can thus be a sound source for certain acoustic examinations, for example, with elimination of the stator-rotor assembly during engine examinations, simulated become. Similarly, with such a simple and cost-effective arrangement of supersonic fields to the active Sound reduction can be generated. The apparatus, weight and cost can be significantly reduced.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung modaler Schallfelder (aero-akustischer Modengenerator);
- Fig. 2
- die Vorrichtung nach Fig. 1 in einem Längsschnitt;
- Fig. 3
- eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung nach Fig. 1;
- Fig. 4
- eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform einer Vorrichtung zur Erzeugung modaler Schallfelder;
- Fig. 5
- die Vorrichtung nach Fig. 4 in einem Längsschnitt;
- Fig. 6
- eine perspektivische Darstellung eines Strömungshindernisses gemäß der Ausführungsform nach Fig. 4;
- Fig. 7
- eine Schnittansicht der Stützstange des Strömungshindernisses nach Fig. 6;
- Fig. 8
- eine Schnittansicht des eine Wirbelablösung bewirkenden Strömungshindernisses nach Fig. 6; und
- Fig. 9
- eine Darstellung des Wirkprinzips der Vorrichtung zur Erzeugung modaler Schallfelder.
- Fig. 1
- a side view of a device according to the invention for generating modal sound fields (aero-acoustic mode generator);
- Fig. 2
- the device of Figure 1 in a longitudinal section.
- Fig. 3
- a perspective view of the device of FIG. 1;
- Fig. 4
- a side view of another embodiment of a device for generating modal sound fields;
- Fig. 5
- the device of Figure 4 in a longitudinal section.
- Fig. 6
- a perspective view of a flow obstacle according to the embodiment of FIG. 4;
- Fig. 7
- a sectional view of the support rod of the flow obstruction of FIG. 6;
- Fig. 8
- a sectional view of the vortex shedding causing flow obstruction of FIG. 6; and
- Fig. 9
- a representation of the active principle of the device for generating modal sound fields.
Gemäß der Zeichnung sind in einem Strömungskanal 1 an
dessen Innenumfang in regelmäßigem Abstand verteilt angeordnete
Strömungshindernisse, gemäß den Figuren 1 bis 3
in Form von nur in einer Querschnittsebene angeordneten,
senkrecht von der Kanalinnenwand abstrebenden, durchgehend
rechteckigen Stegen 10 von gleicher Länge mit abgerundeten
Kanten, vorgesehen. Das heißt, die Strömungshindernisse
2 können zur Erzeugung unterschiedlicher modaler
Schallfelder auch andere Querschnittsformen aufweisen,
weiter in den Kanalinnenraum hineinreichen oder näher an
der Kanalwand liegen oder, wie in den Figuren 4 bis 8
dargestellt, auf Stützen im Kanal angeordnet sein oder
auch als in die Kanalwand eingeformte Vertiefungen (nicht
dargestellt) ausgebildet sein. Insbesondere ist die Querschnittsform
der Strömungshindernisse 2 für die Ausbildung
des Schallfeldes in dem Strömungskanal 1 von Bedeutung.
Des Weiteren können die Strömungshindernisse 2 in
ein und demselben Strömungskanal 1 auch unterschiedlich
ausgebildet sein. Schließlich ist die Anordnung und Anzahl
der Strömungshindernisse 2 variabel. Das heißt, die
Strömungshindernisse können einzeln oder in einer größeren
Anzahl auch in zwei oder mehreren Querschnittsebenen
des Strömungskanals 1, und zwar auch versetzt zueinander
angeordnet sein (jeweils nicht dargestellt). Der Strömungskanal
1 wird in Richtung des Pfeils 3 von einem
fließfähigen Medium, hier einem Gas, durchströmt. In dem
vorliegenden Fall der Simulation des Schallfeldes einer
Rotor-Stator-Anordnung für eine Gasturbine, Verdichter
oder dgl. handelt es sich um ein Heißgas oder ein Kaltgas.
Die Ausbreitung des Schalls erfolgt gemäß dem
Pfeil 4 in Strömungsrichtung 3 und entgegen der Strömungsrichtung
3. Bei der in den Figuren 4 bis 8 gezeigten
Ausführungsvariante sind zur Ausbildung der Strömungshindernisse
2 Stege 11 vorgesehen, bei denen auf einer
Stützstange 11a im Abstand von der Kanalinnenwand jeweils
zwei Wirbelablöseabschnitte 11b im Abstand voneinander
angeformt sind. Das Profil der Stützstange 11a ist, wie
Fig. 7 zeigt, so geformt, das von diesem im Wesentlichen
keine Wirbel abgelöst werden können.According to the drawing are in a
Der Wirkungsmechanismus des oben beschriebenen Schallfeldgenerators
(aero-akustischer Modengenerator) zur Umwandlung
der Strömungsenergie des Mediums in akustische
Energie eines sich in Strömungsrichtung und entgegen der
Strömungsrichtung fortpflanzenden Schallfeldes wird anhand
der Fig. 9 wie folgt beschrieben: Aufgrund der Strömung
lösen sich am Strömungshindernis 2 periodisch Wirbel
5 und 6 ab, die in Strömungsrichtung hinter dem Strömungshindernis
2 eine Wirbelstraße 7 bilden. Die Ablösefrequenz
der Wirbel 5, 6 hängt von der Strömungsgeschwindigkeit
und der Form und Größe des jeweiligen Strömungshindernisses
2 ab. Infolge der durch die periodische Wirbelablösung
erzeugten Wechseldrücke entstehen Töne, die
sich bei und oberhalb einer bestimmten Frequenz (cut-on-Frequenz,
Resonanzfrequenz) im Strömungskanal 1 ausbreiten
können. Diese Frequenz hängt von der Kanalgeometrie
(Querschnittsform, Abmessungen), von der Strömungsgeschwindigkeit
und der Gastemperatur ab. Die durch die periodische
Wirbelablösung erzeugten Töne bilden in dem
Strömungskanal 1 ein akustisches Druckfeld 8, das heißt,
ein modales Schallfeld oder mindestens eine akustische
Mode mit in Umfangsrichtung und/oder radialer Richtung,
variabler Amplitude, die synchron auf das Strömungshindernis
2 und die von diesem ausgehende periodische Ablösung
der Wirbel zurückwirkt (feedback loop gemäß Pfeil
9). Es entsteht ein geschlossener Resonanzkreis zwischen
der Wirbelablösung und der akustischen Mode 8 sowie der
akustischen Mode 8 und der Wirbelablösung, das heißt, die
akustische Mode prägt der Wirbelablösung ihre Frequenz
und Phase auf und durch die synchrone Rückkopplung der
Moden auf die Wirbelbildung bildet sich ein hoher Schalldruckpegel
aus, der in der Lage ist, bestimmte Lärmverhältnisse
in technischen Anlagen, zum Beispiel in einer
Rotor-Stator-Anordnung, zu simulieren oder auch -
phasenverschoben - zur aktiven Schallminderung eines vorhandenen
Schalldruckpegels benutzt werden kann. Die für
die Schallerzeugung erforderliche Energie wird der Energie
des strömenden Mediums entzogen, jedoch ist der Energieentzug
vernachlässigbar klein und ohne Einfluss auf
die Wirkung der zu untersuchenden technischen Vorrichtung,
z.B. einer Rotor-Stator-Anordnung einer Turbomaschine. The mechanism of action of the sound field generator described above
(aero-acoustic mode generator) for conversion
the flow energy of the medium in acoustic
Energy of a flow in the direction of and against
Flow direction of propagating sound field is based
of Fig. 9 described as follows: Due to the flow
solve the
- 11
- Strömungskanalflow channel
- 22
- Strömungshindernisflow obstruction
- 33
- Strömungsrichtung, StrömungsenergieflusssFlow direction, flow energy flow
- 44
- Schallausbreitungsrichtung, akustischer EnergieflussSound propagation direction, acoustic energy flow
- 55
- abgelöste Wirbeldetached vertebrae
- 66
- abgelöste Wirbeldetached vertebrae
- 77
- Wirbelstraße, aerodynamische SchallquelleVortex street, aerodynamic sound source
- 88th
- Akust. Mode, modales Schallfeld, DruckfeldAudible. Fashion, modal sound field, pressure field
- 99
- Feedback Loop, Rückkopplung zw. 8 und 2Feedback loop, feedback between 8 and 2
- 1010
- Stege mit gleichbleibendem ProfilWebs with constant profile
- 1111
- Stege mit mehreren AblöseabschnittenBars with several detachment sections
- 11a11a
- StützstangeStabilizer
- 11b11b
- WirbelablöseabschnittVortex shedding section
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