WO2004017301A1 - Vorrichtung und verfahren zur aktiven schallbekämpfung sowie triebwerk für flugzeuge - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur aktiven schallbekämpfung sowie triebwerk für flugzeuge Download PDF

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WO2004017301A1
WO2004017301A1 PCT/DE2003/002292 DE0302292W WO2004017301A1 WO 2004017301 A1 WO2004017301 A1 WO 2004017301A1 DE 0302292 W DE0302292 W DE 0302292W WO 2004017301 A1 WO2004017301 A1 WO 2004017301A1
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WO
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chamber
gas stream
gas
deflection device
sound
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PCT/DE2003/002292
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English (en)
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Inventor
Jörgen ZILLMANN
Original Assignee
Eads Deutschland Gmbh
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/16—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/172—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general using resonance effects

Definitions

  • the present invention relates to a device for active noise control according to the preamble of claim 1, the use of such a device in an engine, in particular an aircraft engine, a method for active noise control and an engine for aircraft.
  • An active technology is e.g. in the magazine aeroacoustics volume 1, number 1, 2002, p. 53.
  • Loudspeakers in the form of vibrating membranes are used to create a secondary sound field that cancels the primary sound field.
  • the loudspeakers or actuators are arranged in the immediate vicinity of the sound generation of the primary sound field, namely on the stator blades of an engine.
  • the levels generated are limited due to the available ones
  • Installation volume is very small, so that only a very small proportion of the primary sound field can be reduced. This means that the generation of high sound levels is hardly possible with acoustic actuators, since the size, weight and power consumption are too high for many applications.
  • Hybrid concepts are also known in which passive elements are used for sound absorption. Resonance properties are often exploited, for example through the use of Helmholtz resonators.
  • the above-mentioned aeroacoustics volume 1, number 1, 2002 shows on page 52 an active Helmholtz resonator for sound absorption in an engine. Since the effect of a Helmholtz resonator is limited to a narrow frequency range, active elements are used to adapt the properties of the resonator to the respective requirements, for example to the changes in the rotor speeds.
  • tones are suppressed in the prior art, which arise from the overflow of cavities.
  • the sound is caused by instabilities in the flow.
  • the cavities strongly stimulate these disturbances for certain frequencies, so that very loud tones are produced as a result.
  • Actuators are used to suppress these tones and prevent the sound that arises.
  • the resonator properties are influenced by means of the actuators in such a way that the instability of the flow is not fanned. The interaction of instability with the resonance properties of the chamber is thus suppressed.
  • anti-noise is generated in an exhaust duct with a loudspeaker.
  • the device for active noise control comprises a housing in which a chamber is formed, and a chamber opening which is formed in a wall of the chamber, the chamber opening being arranged or to be arranged laterally on a gas stream, and an adjustable deflection device being arranged on the chamber opening is arranged which, in a first position, at least partially guides the gas stream flowing past the chamber opening into the chamber in order to compress the gas there, and in a second position supplies the gas from the chamber to the gas stream in order to supply the gas located in the chamber relax.
  • the device according to the invention has a very high efficiency.
  • the necessary energy is taken from the gas or air flow, whereby this air flow can be constant. Only a small amount of power is required for control, which is only used to deflect the air flow.
  • the construction of the device according to the invention is relatively simple and requires little space and weight.
  • an aeroacoustic sound generation mechanism which is also responsible for the sound generation when blowing pipes and cavities, is used to generate high sound pressures.
  • the sound generation is triggered by instabilities in the free boundary layer flow. These fluctuations in pressure and speed of the flow are coupled with an acoustic resonator.
  • the resonator formed by the chamber causes the fluctuation components to be fed back to the point of origin of the free boundary layer. This response of the resonator generates for certain frequencies Feedback conditions that fuel instability, that is, resonance occurs. After a certain settling time, this process generates strong pressure fluctuations in the resonator and radiates it as sound.
  • the present invention takes advantage of these effects in order to reduce the sound in a flow or in a flow channel.
  • the stochastic excitation due to the instability in the boundary layer flow is dispensed with and a deflection device is used in its place. This device enables deterministic excitation of the sound generation process, or deflection and deflection of the air flow into the chamber volume.
  • this sound generator is suitable for active sound control.
  • the adjustable deflection device generates an alternating pressure in the chamber and radiates it as sound through the chamber opening. This emitted sound is superimposed on the primary sound field and reduces it.
  • the frequency of the emitted sound can be determined by the time period during which the deflection unit is in the first and in the second
  • the phase of the sound pressure fluctuations has a fixed relationship to the phase of the air flow introduced into the chamber. It depends on Sound pressure from the amount of air introduced into the chamber or the amplitude of the excitation signal for the deflection device and the chamber volume.
  • the deflection device advantageously comprises a flap which is arranged pivotably about an axis, the axis being directed perpendicularly to the direction of flow of the gas stream.
  • the deflection device can also be designed as a swingable plate clamped on one side.
  • the chamber is preferably designed as a resonator, the deflection device being positioned on an upstream edge of the chamber opening.
  • the air flow is advantageously deflected in proportion to the excitation signal of the deflection device.
  • a flow channel for the gas flow is preferably arranged at least upstream of the chamber opening and is used to guide the gas flow past the chamber opening.
  • the flow channel can either be part of the device according to the invention, or the device according to the invention is designed such that an existing flow channel, for example in an engine, is used accordingly.
  • the deflection device comprises a deflection surface which faces the gas flow in the first position and is directed obliquely to the gas flow, and which faces away from the gas flow and is directed obliquely to the gas flow in the second position.
  • the device advantageously comprises a control and / or drive unit which is coupled to the deflection device.
  • the deflection device can for example, comprise an elastic element. As a result, a restoring force is exerted on the deflection device, which acts in the direction of the zero position, so that the deflection device works effectively and effectively even at elevated frequencies.
  • the chamber preferably comprises an adjustable chamber wall. This means that the chamber volume can be adapted to the respective requirements.
  • the sound pressure generated by the device according to the invention in operation depends on the chamber volume and the amount of air introduced into the chamber. The sound pressure can thus be flexibly adjusted due to the adjustable chamber wall.
  • gas flow is formed by the inlet flow of an engine.
  • energy required for sound control of engines is taken directly from the gas or air flow, so that no complex energy supplies are required to operate the device.
  • the gas flow can be formed from a separate compressed air supply.
  • the gas or air flow can be generated from existing units, the compressed air supply being an example of such a unit.
  • the flow channel can be formed by an engine inlet of an aircraft.
  • the device according to the invention in an engine, in particular in an aircraft engine.
  • a method for active noise control comprises the following steps: at least partially redirecting a gas stream into a chamber to increase the pressure in the chamber;
  • the method according to the invention can produce very loud sound levels for sound suppression, although only a low power is required for this. This means that the method according to the invention results in a particularly high degree of efficiency, since the energy for sound control is taken from the gas or air flow present.
  • the method according to the invention is advantageously carried out with the device according to the invention.
  • it can be carried out when operating an engine.
  • the sound radiation from engines can be significantly reduced.
  • the features and advantages mentioned above with regard to the device also apply to the method according to the invention.
  • an engine for aircraft which comprises an inventive device for active noise control, as described here.
  • FIG. 1a-d schematically show a preferred embodiment of the invention in different operating phases as a sectional view.
  • FIG. 1a A device 10 for sound absorption in a first operating phase is shown in FIG. 1a.
  • the device 10 comprises a housing 11, in the interior of which a chamber 12 is formed.
  • the chamber 12 has a wall 12a Chamber opening 13, which is located on one side of the chamber 12, which is swept by an air or gas stream 14 during operation.
  • the wall 12a of the chamber 12, in which the chamber opening 13 is located, is aligned parallel to the direction of the gas stream 14 located upstream of the chamber 12.
  • a deflection device 15 is arranged, which in the present example has the shape of a plate.
  • the deflection device 15 is pivotally mounted about an axis A, which is directed perpendicular to the direction of the gas stream 14 brought in.
  • the plate-shaped deflection device 15 can assume various positions which allow the gas flow 14 to be at least partially directed into the chamber or to supply gas from the chamber 12 to the gas flow 14 passing the chamber opening 13.
  • the deflection device 15 is tilted with respect to the gas flow 14, so that the incoming gas hits the inclined underside 15 a of the deflection device 15, so that it is deflected in its flow direction and guided into the chamber 12.
  • an increased pressure or counter pressure builds up there due to the gas flowing into the chamber 12.
  • a flow channel 17 is formed, which serves to guide the gas flow 14 and can be part of the device 10.
  • the device 10 it is also possible for the device 10 to be connected laterally to an existing flow channel.
  • the chamber 12 has an adjustable chamber wall 18 on one side, so that the chamber volume can be variably adjusted.
  • the adjustable chamber wall 18 is arranged on the side of the chamber 12 opposite the chamber opening 13.
  • a control and drive mechanism is coupled to the adjustable chamber wall 18 in order to control the chamber volume and to adapt it as required.
  • FIG. 1b shows the device 10 in a second phase (90 °) in which the plate-shaped deflection device 15 is directed parallel to the direction of the gas flow 14. In this position, the gas flow 14 is not deflected, but rather passes over the chamber opening 13 above the plate-shaped deflection device 15, so that the gas is guided past the chamber 12.
  • the pressure in chamber 12 has reached its maximum value.
  • the pressure is schematically symbolized by circles, the diameter being a measure of the amplitude.
  • the black circles in FIG. 1b indicate an overpressure present in the chamber 12 compared to the areas of the gas flow lying outside the chamber 12.
  • 1c shows the device 10 in a third phase (180 °), in which the deflection device 15 is tilted in such a way that the gas flowing in the flow channel 17 is directed past its top and does not enter the chamber 12, while on the other hand the Gas in the chamber 12 can exit through the chamber opening 13, so that the gas in the chamber can expand. That is, the deflection device 15 is inclined with respect to the flow direction of the gas flow 14, so that the chamber opening 13 is closed to the gas flowing in. On the underside 15a of the tilted deflection device 15, the gas from the chamber 12 is fed to the gas stream which is directed past the top.
  • FIG. 1d shows the device 10 according to the invention in a fourth phase (270 °) in which there is a pressure minimum in the chamber 12.
  • the pressure minimum has arisen in this phase due to the inertia of the expansion process shown in Fig. 1c.
  • the deflection device 15 is again parallel to the direction of the gas flow 14 aligned, so that the gas flow 14 by means of the deflection device 15 is directed past the chamber opening 13.
  • the negative pressure existing in this phase in chamber 12 is symbolized by the white circles in FIG. 1d.
  • the cycle starts again, i.e. corresponding to the first phase, gas or air, is guided into the chamber 12 by means of the deflection device 15, and the further phases are then run through.
  • the deflection device 15 directs the air or gas flow into the chamber 12 in a controllable manner, and an alternating pressure is generated in the chamber 12 by adjusting the deflection device 15.
  • the alternating pressure is emitted as sound through the chamber opening 13.
  • the air or gas flow is deflected in proportion to the excitation signal of the deflection device 15.
  • the frequency of the emitted sound is determined by the duration of the phases shown.
  • the phase of the sound pressure fluctuations has a fixed relationship to the phase of the gas flow introduced into the chamber 12.
  • the sound pressure depends on the amount of air introduced into the chamber 12 and the chamber volume.
  • the amplitude of the excitation signal for the deflection device 15 is used to control the amount of air introduced.
  • the chamber volume is adjusted by the adjustable chamber wall 18.
  • aeroacoustic sound generation mechanisms are used to control sound.
  • the required energy is taken from the available gas flow.
  • the gas flow is diverted into the chamber 12 attached to the side, where it is braked and compressed due to the limited chamber volume.
  • the gas stream is then directed past the chamber opening 13, the compressed gas in the chamber 12 being able to relax via the chamber opening 13.
  • the sound caused by the change in density is emitted through the chamber opening 13. shine. It overlaps with the disturbing original sound field and leads to the partial extinction of the originally existing, disturbing sound by suitable control of the phases and frequencies.

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Abstract

Eine Vorrichtung (10) zur aktiven Schallbekämpfung hat eine Kammer (12), die seitlich an einem Gasstrom (14) angeordnet ist, wobei in einer Wandung der Kammer (12) eine Kammeröffnung (13) ausgebildet ist. Im Bereich der Kammer­öffnung (13) ist eine Umlenkvorrichtung (15) verstellbar angeordnet, wobei die Umlenkvorrichtung (15) in einer ersten Stellung den an der Kammeröffnung (13) vorbeiströmenden Gasstrom (14) zumindest teilweise in die Kammer (12) leitet, um dort das Gas zu verdichten, und in einer zweiten Stellung das Gas aus der Kammer (12) dem Gasstrom (14) zuführt, um das in der Kammer (12) befindliche Gas zu entspannen. Der entstehende Wechseldruck in der Kammer (12) wird als Schall durch die Kammeröffnung (13) abgestrahlt und überlagert sich mit dem Störschall.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur aktiven Schallbekämpfung sowie Triebwerk für Flugzeuge
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur aktiven Schallbekämpfung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 , die Verwendung einer derartigen Vorrichtung in einem Triebwerk, insbesondere einem Flugzeugtriebwerk, ein Verfahren zur aktiven Schallbekämpfung sowie ein Triebwerk für Flugzeuge.
Die Bekämpfung von Schall und die Reduzierung hoher Schallpegel gewinnen zunehmend an Bedeutung. Insbesondere im Bereich von Flugzeugtriebwerken sind aus Gründen des Umweltschutzes und des Komforts Schallschutz- und Schallbekämpfungsmaßnahmen in großem Umfang erforderlich.
Im Stand der Technik sind insbesondere aktive Schallbekämpfungsmaßnahmen und Hybride bekannt. Eine aktive Technologie wird z.B. in der Zeitschrift aeroacoustics volume 1 , number 1 , 2002, S. 53 beschrieben. Dabei werden Lautsprecher in Form von schwingenden Membranen zur Erzeugung eines sekundären Schallfeldes verwendet, welches das primäre Schallfeld auslöscht. Dabei sind die Lautsprecher bzw. Aktuatoren in unmittelbarer Nähe der Schallentstehung des Primärschallfeldes angeordnet, nämlich auf den Statorblättern eines Triebwerks. Es besteht jedoch das Problem, dass für den Einbau der Aktuatoren nur sehr wenig Raum zur Verfügung steht und die Statorblätter darüber hinaus nur sehr dünn ausgebildet sind. Weiterhin sind die erzeugten Pegel aufgrund des eingeschränkten zur Verfügung stehenden
Einbauvolumens sehr gering, so dass nur ein sehr geringer Anteil des primären Schallfeldes reduziert werden kann. D.h., dass bei akustischen Aktuatoren die Erzeugung hoher Schallpegel kaum möglich ist, da Baugröße, Gewicht und Leistungsverbrauch für viele Anwendungsfälle zu hoch sind.
Bei der Verwendung schwingender Membranen, die über elektromechanische Wandler angetrieben werden, wie z.B. elektrodynamische Wandler oder solche, die den piezoelektrischen Effekt ausnutzen, ist der mechanisch-akustische Wirkungsgrad der schwingenden Membran im Allgemeinen sehr gering. Weiterhin werden für tiefe Frequenzen Membranen mit einer großen Fläche benötigt. Daher sind bei Anwendungen, in denen Baugröße, Gewicht und Leistungsverbrauch sehr eingeschränkt sind, mit akustischen Aktuatoren bzw. schwingenden Membranen kaum ausreichend hohe Schallpegel erzeugbar, die geeignet wären, ein primäres Schallfeld weitgehend auszulöschen.
Weiterhin sind Hybrid-Konzepte bekannt, bei denen passive Elemente zur Schall- absorption verwendet werden. Dabei werden häufig Resonanzeigenschaften ausgenutzt, beispielsweise durch die Verwendung von Helmholtz-Resonatoren. Die oben bereits genannte Druckschrift aeroacoustics volume 1 , number 1, 2002, zeigt auf S. 52 einen aktiven Helmholtz-Resonator zur Schallabsorption in einem Triebwerk. Da die Wirkung eines Helmholtz-Resonators auf einen schmalen Frequenzbereich begrenzt ist, werden aktive Elemente eingesetzt, um die Eigenschaften des Resonators an die jeweiligen Anforderungen anzupassen, beispielsweise an die Veränderungen der Rotordrehzahlen.
In dem Artikel Active Resonators for Control of Multiple Spinning Modes in an Axial Flow Fan Inlet von B.E. Walker and A.S. Hersh, 1999 American Institute of Aeronautics & Astronautics, S. 339 - 343, werden ebenfalls aktiv gesteuerte Helmholtz-Resonatoren beschrieben, die zur Schalldämpfung in Triebwerken eingesetzt werden. Zur Anpassung an die jeweiligen Frequenzen wird das Volumen des Helmholtz-Resonators durch Aktuatoren gesteuert.
Diese Hybridenkonzepte bzw. Technologien verbessern zwar die bestehenden rein passiven Konzepte, jedoch wird kein sekundäres Schallfeld erzeugt, und es erfolgt keine aktive Schallauslöschung.
In dem Artikel Optimization of Flow Distortions for Fan Noise Reduction with One- Sided Actuators, C. Pitelet et al., AIAA 2001-2219, werden Störstäbe im Einlauf eines Triebwerks montiert, die selbst keinen Schall erzeugen, jedoch eine Störung in der Zuströmung des Rotors bewirken, wodurch sekundärer Schall vom Rotor abgestrahlt wird. Derartige Konstruktionen haben jedoch den Nachteil, dass sie sich nur schwer an Veränderungen des Primärschallfeldes anpassen lassen und somit sehr unflexibel sind. Ein weiterer Nachteil ist die Beeinträchtigung der Aerodynamik des Rotors sowie erhebliche Probleme bei der Erfüllung von Sicherheits- kriterien und -Vorschriften.
Weiterhin werden im Stand der Technik Töne unterdrückt, die durch die Überströmung von Hohlräumen entstehen. Dabei wird der Schall durch Instabilitäten in der Strömung hervorgerufen. Die Hohlräume regen diese Störungen für bestimmte Frequenzen stark an, so dass als Ergebnis sehr laute Töne entstehen. Um diese Töne zu unterdrücken und den entstehenden Schall zu verhindern, werden Aktuatoren eingesetzt. Mittels der Aktuatoren werden die Resonatoreigenschaften in der Art beeinflusst, dass die Instabilität der Strömung nicht angefacht wird. Es wird also die Wechselwirkung der Instabilität mit den Resonanzeigenschaften der Kammer unterdrückt.
In der Druckschrift DE 296 11 884 U1 wird in einem Abgaskanal mit einem Lautsprecher Antischall erzeugt. Dabei befindet sich zwischen dem Lautsprecher und dem Abgaskanal eine Kammer, um vor dem Lautsprecher einen Überdruck zu er- zeugen und damit den Lautsprecher vor aggressiven Gasen, Verbrennungsrückständen, Staub, usw. aus dem Abgaskanal zu schützen.
Im Hinblick auf die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Schallbekämpfung anzugeben, mit dem sehr laute Schallpegel erzeugt werden können und andererseits nur eine geringe Leistung benötigt wird. Weiterhin soll ein Triebwerk für Flugzeuge geschaffen werden, das im Betrieb sehr leise ist, wobei für die aktive Schallbekämpfung nur ein geringer Bauraum und eine geringe Energieversorgung zur Verfügung gestellt werden muss.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung zur aktiven Schallbekämpfung gemäß Patentanspruch 1 , durch die Verwendung der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 14, durch das Verfahren zur aktiven Schallbekämpfung gemäß Patent- anspruch 15 und durch das Triebwerk für Flugzeuge gemäß Patentanspruch 18. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur aktiven Schallbekämpfung umfasst ein Gehäuse, in dem eine Kammer ausgebildet ist, und eine Kammeröffnung, die in einer Wandung der Kammer ausgebildet ist, wobei die Kammeröffnung seitlich an einem Gasstrom angeordnet oder anzuordnen ist, und wobei an der Kammeröffnung eine verstellbare Umlenkvorrichtung angeordnet ist, die in einer ersten Stellung den an der Kammeröffnung vorbeiströmenden Gasstrom zumindest teilweise in die Kammer leitet, um dort das Gas zu verdichten, und in einer zweiten Stellung das Gas aus der Kammer dem Gasstrom zuführt, um das in der Kammer befindliche Gas zu entspannen.
Dadurch können im Betrieb sehr hohe Schallpegel erzeugt werden, die sich einem primären Schallfeld überlagern und dieses zumindest teilweise auslöschen, wobei die Baugröße, das Gewicht und der Leistungsverbrauch gering gehalten werden können. Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat einen sehr hohen Wirkungsgrad. Die notwendige Energie wird dem Gas- bzw. Luftstrom entnommen, wobei dieser Luftstrom konstant sein kann. Zur Steuerung wird nur eine geringe Leistung benötigt, die lediglich dazu verwendet wird, den Luftstrom abzulenken. Der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist relativ einfach und benötigt nur wenig Platz und Gewicht.
Bei der vorliegenden Erfindung wird zur Erzeugung von hohen Schalldrücken ein aeroakustischer Schallentstehungsmechanismus ausgenutzt, der auch für die Tonerzeugung beim Anblasen von Pfeifen und Hohlräumen verantwortlich ist. Dabei wird die Schallentstehung durch Instabilitäten in der freien Grenzschichtströmung ausgelöst. Diese Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen der Strömung werden mit einem akustischen Resonator gekoppelt. Der Resonator, der durch die Kammer gebildet wird, bewirkt eine Rückkopplung der Schwankungsanteile an den Entstehungsort der freien Grenzschicht. Für gewisse Frequenzen erzeugt diese Rückantwort des Resonators Rückkopplungsbedingungen, die die Instabilität anfachen, d.h., es entsteht eine Resonanz. Nach einer gewissen Einschwingzeit werden durch diesen Vorgang starke Druckschwankungen im Resonator erzeugt und als Schall abgestrahlt. Im Resonanzfall hat sich die Instabilität soweit angefacht, dass im Rhythmus der Resonanzfrequenz die freie Grenzschichtströmung in das Resonatorvolumen ein- und ausgelenkt wird. Dies ist die Ursache für die Komprimierung der Fluidteilchen. Dabei wird ausgenutzt, dass die Umwandlung von Geschwindigkeitsschwankungen in akustische Druckschwankungen im Resonatorvolumen ein sehr effektiver Prozess ist. Die Fluidteilchen werden unmittelbar komprimiert und dekomprimiert, was den eigentlichen Schallentstehungsmechanismus charakterisiert.
Die vorliegende Erfindung nutzt in vorteilhafter Weise diese Effekte aus, um damit den Schall in einer Strömung bzw. in einem Strömungskanal zu reduzieren. Es wird jedoch auf die stochastische Anregung durch die Instabilität in der Grenzschichtströmung verzichtet und an dessen Stelle eine Umlenkvorrichtung verwendet. Diese Vorrichtung ermöglicht eine deterministische Anregung des Schallentstehungsprozesses, bzw. Ein- und Auslenken der Luftströmung in das Kammervolumen.
Da sowohl Phase als auch Amplitude des erzeugten Schallfeldes durch Ansteuerung der Umlenkvorrichtung geregelt werden können, eignet sich dieser Schallgeneratur für aktive Schallregelungen.
Durch die verstellbar angeordnete Umlenkvorrichtung wird ein Wechseldruck in der Kammer erzeugt und als Schall durch die Kammeröffnung abgestrahlt. Dieser abgestrahlte Schall überlagert sich dem primären Schallfeld und reduziert dieses.
Dabei kann die Frequenz des abgestrahlten Schalls durch die Zeitdauer bestimmt werden, während der sich die Umlenkeinheit in der ersten und in der zweiten
Stellung befindet. Die Phase der Schalldruckschwankungen steht in festem Bezug zur Phase der eingeleiteten Luftströmung in die Kammer. Dabei hängt der Schalldruck von der in die Kammer eingeleiteten Luftmenge bzw. der Amplitude des Anregungssignals für die Umlenkvorrichtung und dem Kammervolumen ab.
Vorteilhafterweise umfasst die Umlenkvorrichtung eine Klappe, die um eine Achse schwenkbar angeordnet ist, wobei die Achse senkrecht zur Strömungsrichtung des Gasstroms gerichtet ist. Dadurch kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem besonders geringen konstruktiven Aufwand realisiert werden.
Die Umlenkvorrichtung kann auch als einseitig eingespannte, schwingbare Platte ausgestaltet sein.
Bevorzugt ist die Kammer als Resonator ausgestaltet, wobei die Umlenkvorrichtung an einer stromaufwärts gelegenen Kante der Kammeröffnung positioniert ist. Vorteilhafterweise wird die Luftströmung proportional zum Anregungssignal der Umlenkvorrichtung ausgelenkt.
Bevorzugt ist zumindest stromaufwärts der Kammeröffnung ein Strömungskanal für den Gasstrom angeordnet, der dazu dient, den Gasstrom an der Kammeröffnung vorbeizuführen. Der Strömungskanal kann entweder ein Teil der erfin- dungsgemäßen Vorrichtung sein, oder die erfindungsgemäße Vorrichtung ist so ausgestaltet, dass ein vorhandener Strömungskanal, beispielsweise in einem Triebwerk, entsprechend genutzt wird.
Vorteilhafterweise umfasst die Umlenkvorrichtung eine Umlenkfläche, die in der ersten Stellung dem Gasstrom zugewandt und schräg zum Gasstrom gerichtet ist, und die in der zweiten Stellung dem Gasstrom abgewandt und schräg zum Gasstrom gerichtet ist. Dadurch kann bei relativ geringem Aufwand eine exakte Um- lenkung des Gasstroms oder eines Teils davon zur Kammer hin erfolgen, ebenso wie das in der Kammer befindliche Gas in der zweiten Stellung der Umlenkvor- richtung exakt entspannt werden kann.
Vorteilhafterweise umfasst die Vorrichtung eine Steuer- und/oder Antriebseinheit, die an die Umlenkvorrichtung gekoppelt ist. Die Umlenkvorrichtung kann bei- spielsweise ein elastisches Element umfassen. Dadurch wird eine Rückstellkraft auf die Umlenkvorrichtung ausgeübt, die in Richtung der Nulllage wirkt, so dass die Umlenkvorrichtung auch bei erhöhten Frequenzen wirksam und effektiv arbeitet.
Bevorzugt umfasst die Kammer eine verstellbare Kammerwand. Dadurch lässt sich das Kammervolumen den jeweiligen Anforderungen entsprechend anpassen. Der von der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Betrieb erzeugte Schalldruck hängt vom Kammervolumen und von der in die Kammer eingeleiteten Luftmenge ab. Somit kann aufgrund der verstellbaren Kammerwand der Schalldruck flexibel eingestellt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Gasstrom durch die Einlaufströmung eines Triebwerks gebildet wird. Dadurch wird die zur Schallbekämpfung von Triebwerken notwendige Energie direkt dem Gas- bzw. Luftstrom entnommen, so dass keine aufwendigen Energieversorgungen zum Betrieb der Vorrichtung notwendig sind.
Es ist aber auch möglich, dass der Gasstrom aus einer separaten Druckluft- Versorgung gebildet wird. Allgemein kann der Gas- bzw. Luftstrom aus vorhandenen Aggregaten erzeugt werden, wobei die Druckluftversorgung ein Beispiel eines derartigen Aggregats darstellt.
Insbesondere kann der Strömungskanal durch einen Triebwerkseinlauf eines Flugzeugs gebildet sein.
Gemäß einem besonderen Aspekt der Erfindung wird vorgeschlagen, die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Triebwerk, insbesondere in einem Flugzeugtriebwerk, zu verwenden.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur aktiven Schallbekämpfung angegeben, dass die folgenden Schritte umfasst: mindestens teilweises Umlenken eines Gasstroms in eine Kammer, um den Druck in der Kammer zu erhöhen;
Vorbeileiten des Gasstroms an der Kammer bei einem erreichten Maximaldruck innerhalb der Kammer; Zurückleiten von Gas, das sich in der Kammer befindet, in den Gasstrom, um den Druck in der Kammer abzubauen; wobei die Schritte periodisch nacheinander durchgeführt werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können sehr laute Schallpegel zur Schall- bekämpfung produziert werden, obwohl hierfür nur eine geringe Leistung notwendig ist. D.h., es ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein besonders hoher Wirkungsgrad, da die Energie zur Schallbekämpfung dem vorhandenen Gas- bzw. Luftstrom entnommen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhafterweise mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt. Insbesondere kann es beim Betrieb eines Triebwerks durchgeführt werden. Dadurch kann die Schallabstrahlung von Triebwerken erheblich reduziert werden. Die oben in Bezug auf die Vorrichtung genannten Merkmale und Vorteile gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
Weiterhin wird ein Triebwerk für Flugzeuge vorgeschlagen, das eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur aktiven Schallbekämpfung, wie sie hier beschrieben ist, umfasst.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand von Zeichnungen beschrieben, in denen
Fig. 1a - d eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in verschiedenen Betriebsphasen als Schnittansicht schematisch zeigen.
In Fig. 1a ist eine Vorrichtung 10 zur Schallabsorption in einer ersten Betriebsphase gezeigt. Die Vorrichtung 10 umfasst ein Gehäuse 11 , in dessen Innenraum eine Kammer 12 ausgebildet ist. Die Kammer 12 hat in einer Wandung 12a eine Kammeröffnung 13, die sich an einer Seite der Kammer 12 befindet, die im Betrieb von einem Luft- bzw. Gasstrom 14 überstrichen wird. Die Wandung 12a der Kammer 12, in der sich die Kammeröffnung 13 befindet, ist parallel zur Richtung des stromaufwärts der Kammer 12 befindlichen Gasstroms 14 ausgerichtet.
Im Bereich der Kammeröffnung 13 ist eine Umlenkvorrichtung 15 angeordnet, die im vorliegenden Beispiel die Form einer Platte aufweist. Die Umlenkvorrichtung 15 ist schwenkbar um eine Achse A gelagert, die senkrecht zur Richtung des herangeführten Gasstroms 14 gerichtet ist.
Die plattenförmige Umlenkvorrichtung 15 kann verschiedene Stellungen einnehmen, die es erlauben, den Gasstrom 14 zumindest teilweise in die Kammer zu lenken bzw. Gas aus der Kammer 12 dem an der Kammeröffnung 13 vorbeiführenden Gasstrom 14 zuzuführen. In der in Fig. 1a gezeigten ersten Phase ist die Umlenkvorrichtung 15 gegenüber dem Gasstrom 14 verkippt, so dass das heranströmende Gas auf die schräg gestellte Unterseite 15a der Umlenkvorrichtung 15 trifft, so dass es in seiner Strömungsrichtung umgelenkt und in die Kammer 12 geführt wird. In dieser ersten Phase baut sich durch das in die Kammer 12 strömende Gas dort ein erhöhter Druck bzw. Gegendruck auf.
An dem stromaufwärts gelegenen Ende der Kammeröffnung 13 befindet sich eine Kante 16, so dass das Gas aus dem Gasstrom 14 infolge der Umlenkung bzw. durch die Umlenkvorrichtung 15 verursachten Richtungsänderung der Strömung an der Kante 16 vorbeigeführt wird bzw. die Kante 16 überstreicht, wenn es durch die Kammeröffnung 13 in die Kammer 12 eintritt.
Auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Kammer 12 ist ein Strömungskanal 17 ausgebildet, der zur Führung des Gasstroms 14 dient und Teil der Vorrichtung 10 sein kann. Es ist aber ebenso möglich, dass die Vorrichtung 10 an einen vorhan- denen Strömungskanal seitlich angeschlossen wird.
Die Kammer 12 hat an ihrer einen Seite eine verstellbare Kammerwand 18, so dass das Kammervolumen variabel eingestellt werden kann. In dem hier gezeigten Beispiel ist die verstellbare Kammerwand 18 auf der der Kammeröffnung 13 gegenüber liegenden Seite der Kammer 12 angeordnet. Ein in den Figuren nicht dargestellter Steuer- und Antriebsmechanismus ist mit der verstellbaren Kammerwand 18 gekoppelt, um das Kammervolumen zu steuern und nach Bedarf anzu- passen.
Fig. 1b zeigt die Vorrichtung 10 in einer zweiten Phase (90°) in der die plattenför- mige Umlenkvorrichtung 15 parallel zur Richtung des Gasstroms 14 gerichtet ist. In dieser Stellung wird der Gasstrom 14 nicht umgelenkt, sondern er überstreicht die Kammeröffnung 13 oberhalb der plattenförmigen Umlenkvorrichtung 15, so dass das Gas an der Kammer 12 vorbeigeführt wird. In dieser Phase hat der Druck in der Kammer 12 seinen Maximalwert erreicht. In der Figur wird der Druck schematisch durch Kreise symbolisiert, wobei der Durchmesser ein Maß für die Amplitude darstellt. In diesem Fall kennzeichnen die schwarzen Kreise in Fig. 1b einen in der Kammer 12 vorhandenen Überdruck gegenüber den außerhalb der Kammer 12 liegenden Bereichen der Gasströmung.
Fig. 1c zeigt die Vorrichtung 10 in einer dritten Phase (180°), in der die Umlenkvorrichtung 15 derart verkippt ist, dass das im Strömungskanal 17 heranströmen- de Gas an ihrer Oberseite vorbeigeleitet wird und nicht in die Kammer 12 eintritt, während andererseits das in der Kammer 12 befindliche Gas durch die Kammeröffnung 13 austreten kann, so dass sich das in der Kammer befindliche Gas ausdehnen kann. D.h., die Umlenkvorrichtung 15 ist in Bezug auf die Strömungsrichtung des Gasstromes 14 schräg gestellt, so dass die Kammeröffnung 13 für das heranströmende Gas verschlossen ist. An der Unterseite 15a der verkippten Umlenkvorrichtung 15 wird das Gas aus der Kammer 12 dem an der Oberseite vorbeigeleiteten Gasstrom zugeführt.
Fig. 1d zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 in einer vierten Phase (270°), in der ein Druckminimum in der Kammer 12 besteht. Das Druckminimum ist in dieser Phase aufgrund der Trägheit des Ausdehnungsprozesses, der in Fig. 1c gezeigt ist, entstanden. In der hier gezeigten vierten Phase ist die Umlenkvorrichtung 15 wieder parallel zur Richtung des Gasstroms 14 ausgerichtet, so dass der Gasstrom 14 mittels der Umlenkvorrichtung 15 an der Kammeröffnung 13 vorbeigeleitet wird. Der in dieser Phase bestehende Unterdruck in der Kammer 12 ist durch die weißen Kreise in Fig. 1d symbolisiert.
Anschließend beginnt der Zyklus erneut von vorne, d.h. es wird entsprechend der in Fig. 1a gezeigten ersten Phase Gas bzw. Luft mittels der Umlenkvorrichtung 15 in die Kammer 12 geführt, und anschließend werden die weiteren Phasen durchlaufen.
Wie oben in den Figuren 1a — 1d gezeigt, wird durch die Umlenkvorrichtung 15 der Luft- bzw. Gasstrom steuerbar in die Kammer 12 gelenkt, und es wird durch Verstellung der Umlenkvorrichtung 15 ein Wechseldruck in der Kammer 12 erzeugt. Der Wechseldruck wird als Schall durch die Kammeröffnung 13 abgestrahlt. Im Betrieb wird die Luft- bzw. Gasströmung proportional zum Anregungssignal der Umlenkvorrichtung 15 ausgelenkt.
Die Frequenz des abgestrahlten Schalls wird durch die Zeitdauer der dargestellten Phasen bestimmt. Dabei steht die Phase der Schalldruckschwankungen in festem Bezug zur Phase der eingeleiteten Gasströmung in die Kammer 12. Der Schall- druck hängt von der in die Kammer 12 eingeleiteten Luftmenge und dem Kammervolumen ab. Mittels einer geeigneten Steuereinheit wird die Amplitude des Anregungssignals für die Umlenkvorrichtung 15 zur Steuerung der eingeleiteten Luftmenge verwendet. Das Kammervolumen wird durch die verstellbare Kammerwand 18 angepasst.
Bei der Erfindung werden aeroakustische Schallentstehungsmechanismen zur Schallbekämpfung ausgenutzt. Dabei wird die erforderliche Energie der verfügbaren Gasströmung entnommen. Hierzu wird der Gasstrom in die seitlich angebrachte Kammer 12 umgelenkt, wo er aufgrund des begrenzt vorhandenen Kammervolumens abgebremst und verdichtet wird. Anschließend wird der Gasstrom an der Kammeröffnung 13 vorbeigeleitet, wobei sich das komprimierte Gas in der Kammer 12 über die Kammeröffnung 13 entspannen kann. Der durch die Dichteänderung hervorgerufene Schall wird durch die Kammeröffnung 13 abge- strahlt. Er überlagert sich mit dem störenden ursprünglichen Schallfeld und führt durch geeignete Steuerung der Phasen und Frequenzen zur teilweisen Auslöschung des ursprünglich vorhandenen, störenden Schalls.
Trotz geringer Leistungsaufnahme der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 können äußerst laute Schallpegel zur Auslöschung des Störschallfeldes produziert werden, wobei der Aufbau sehr einfach ist und nur wenig Platz und Gewicht benötigt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (10) zur aktiven Schallbekämpfung, mit einem Gehäuse (11), in dem eine Kammer (12) ausgebildet ist; und einer Kammeröffnung (13), die in einer Wandung der Kammer (12) ausgebildet ist und seitlich an einem Gasstrom (14) angeordnet oder anzuordnen ist gekennzeichnet durch, eine Umlenkvorrichtung (15), die an der Kammeröffnung (13) verstellbar angeordnet ist, wobei die Umlenkvorrichtung (15) in einer ersten Stellung den an der Kammeröffnung (13) vorbeiströmenden Gasstrom (14) zumindest teilweise in die Kammer (12) leitet um dort Gas zu verdichten, und in einer zweiten Stellung das Gas aus der Kammer (12) dem Gasstrom (14) zuführt, um das in der Kammer (12) befindliche Gas zu entspannen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkvorrichtung (15) eine Klappe umfasst, die um eine Achse (A) schwenkbar angeordnet ist, die senkrecht zur Strömungsrichtung des Gasstroms (14) gerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkvorrichtung (15) als einseitig eingespannte, schwingbare Platte ausgestaltet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (12) als Resonator ausgestaltet ist, wobei die Umlenkvorrichtung (15) an einer stromaufwärts gelegenen Kante (16) der Kammeröffnung (13) positioniert ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Strömungskanal (17) für den Gasstrom (14), der stromaufwärts der Kammeröffnung (13) angeordnet ist, um den Gasstrom (14) an der Kammeröffnung (13) vorbei zu führen.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkvorrichtung (15) eine Umlenkfläche (15a) umfasst, die in der ersten Stellung dem Gasstrom (14) zugewandt und schräg zum Gasstrom (14) gerichtet ist, und die in der zweiten Stellung dem Gasstrom (14) abgewandt und schräg zum Gasstrom (14) gerichtet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit zur Steuerung der Umlenkvorrichtung (15).
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Antriebseinheit, die an die Umlenkvorrichtung (15) gekoppelt ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkvorrichtung (15) ein elastisches Element umfasst.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine verstellbare Kammerwand (18).
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom (14) durch die Einlaufströmung eines Triebwerks gebildet wird.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom (14) aus einer Druckluftversorgung gebildet wird.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (17) durch einen Triebwerkseinlauf eines Flugzeugs gebildet wird.
14. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Triebwerk.
15. Verfahren zur aktiven Schallbekämpfung, mit den Schritten: mindestens teilweises Umlenken eines Gasstromes (14) in eine Kammer (12), um den Druck in der Kammer (12) zu erhöhen; Vorbeileiten des Gasstromes (14) an der Kammer (12) bei einem erreichten Maximaldruck innerhalb der Kammer (12); Zurückleiten von Gas, das sich in der Kammer (12) befindet, in den Gasstrom (14), um den Druck in der Kammer (12) abzubauen; wobei die Schritte periodisch nacheinander durchgeführt werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umlenkvorrichtung (15) in Form einer Klappe zwischen verschiedenen Stellungen hin- und her geschwenkt wird, um den Druck in der Kammer (12) periodisch auf- und abzubauen.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass es beim Betrieb eines Triebwerks durchgeführt wird.
8. Triebwerk für Flugzeuge, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur aktiven Schallbekämpfung nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
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