Mechatronik

Die Wasserschallsignatur eines Schiffes kann mittels passiver Sonare oder Sensoren zur Detektion und Identifikation verwendet werden. Die Fragestellung, inwieweit diese Signatur mit Hilfe von Inertialschwingerregern geeignet modifiziert und verfremdet werden kann, wird an einem Schiffsmodell (Maßstab 1:8) untersucht. Dafür wurden experimentelle Untersuchungen an der Messstelle der WTD 71 im Plöner See durchgeführt. Gemessen wurde hierbei zunächst die als zeitinvariant angenommene und aus Einzeltönen bestehende ”Ist-Signatur”, welche über zwei Inertialschwingerreger an Positionen von Motorersatzmassen (Primärquellen) im Schnellbootmodell abgespielt wurde. Weiterhin wurden Transferfunktionen zwischen Intertialschwingerregern an der inneren Bordwand (Sekundärquellen) und im Bootsrumpf befestigten Beschleunigungssensoren sowie zwischen den Schwingerregern und sechs Hydrofonen ermittelt. Auf Basis dieser Messdaten werden Simulationen im Frequenzbereich durchgeführt, um die Möglichkeiten zum Erzeugen einer gewünschten Soll-Signatur zu bewerten. Es erfolgt dazu der Entwurf eines optimalen Filters, eine automatisierte Auswahl von Aktuatoren und Sensoren sowie die Analyse der Matrix der Übertragungsfunktionen mittels einer Singulärwertzerlegung.

Fluid–structure interaction (FSI) induced by undulated flows was investigated using a channel driven cavity flow (CDCF) system. The bottom of the cavity section has a flexible plate made of either an aluminum alloy or carbon fiber composite, which interacts with flows in the cavity. Undulating flows were generated by controlling a series of solenoid valves programmed to interrupt the flow at various different frequencies from 0.5 to 1.25 Hz. Mean flow velocity was also varied for each given undulation frequency. The dynamic motion of the flexible test panel, made of aluminum alloy or carbon fiber composite, was measured for transverse deflections using laser displacement sensors. The study showed that the structural response was very dependent on the input flow. The plate vibrational modes had three to five dominant frequencies ranging from the undulated flow frequencies to about 5.0 Hz. Those frequencies were either at or very close to the multiples of the flow frequencies. The most dominant frequency was not always the same as the flow frequency, but it varied depending on the applied flow frequency.

A major challenge in the subject of noise exposure in airplanes is to achieve a desired transmission loss of lightweight structures in the low-frequency range. To make use of appropriate noise reduction methods, identification of dominant acoustic sources is required. It is possible to determine noise sources by measuring the sound field quantity, sound pressure, as well as its gradient and calculating sound intensity by post-processing. Since such a measurement procedure entails a large amount of resources, alternatives need to be established. With nearfield acoustical holography in the 1980s, a method came into play which enabled engineers to inversely determine sources of sound by just measuring sound pressures at easily accessible locations in the hydrodynamic nearfield of sound-emitting structures. This article presents an application of nearfield acoustical holography in the aircraft fuselage model Acoustic Flight-Lab at the Center of Applied Aeronautical Research in Hamburg, Germany. The necessary sound pressure measurement takes one hour approximately and is carried out by a self-moving microphone frame. In result, one gets a complete picture of active sound intensity at cavity boundaries up to a frequency of 300 Hz. Results are compared to measurement data.

Die akustische Signatur eines Schiffes kann mittels passiver Sonare oder Sensoren zur Detektion und Identifikation verwendet werden. Die Fragestellung, inwieweit diese Signatur mit Hilfe weiterer Geräuschquellen geeignet modifiziert und verfremdet werden kann, soll zunächst an einem Schiffsmodell (Maßstab 1:8) untersucht werden. Der Zusammenhang von Eigenschaften und Parametern der Großausführung und des Modells (beispielsweise Wellenlänge, Frequenz, Plattendicken für beide Konfigurationen) in Abhängigkeit vom Maßstab wird durch modelltheoretische Betrachtungen und dimensionslose Kennzahlen ermittelt. Das akustische Übertragungsverhalten von den Schallquellen an Bord wird mit Inertial-Schwingerregern und Beschleunigungssensoren auf der Schiffsstruktur und mit Mikrofonen/Hydrofonen in der Umgebung des Modells charakterisiert. Es werden aktive Verfahren angepasst und auf ihre Eignung zur Beeinflussung der akustischen Unterwassersignatur geprüft. Die akustische Signatur wird mit Hilfe von zusätzlichen Körperschallquellen modifiziert, wobei sich Anforderungen an die Eigenschaften der Signaturanteile aus dem Verhalten realer Signaturanteile und deren zugrundeliegenden Anregungsmechanismen ergeben. Das verwendete aktive Regelsystem wird zusammen mit ersten Ergebnissen vorgestellt.

Active-Noise-Control (ANC) is a method for reducing unwanted so-called primary sound by destructive interference with sound generated by so-called secondary sources (loudspeakers). The latter are specifically designed to cancel the primary noise. The design requirements of ANC-systems are related to the theory of reducing the sound power of a primary source by monopole secondary sources. In this paper the primary source is a vibrating simply supported plate which is radiating sound into free field. The loudspeakers are placed in front of the plate. The optimal volume velocities for the sound reduction are calculated by minimizing the radiated sound intensity in front of each monopole source in order to minimize the total radiated sound power of the primary and secondary sources. The analytical calculations are carried out with one and two loudspeakers. The optimal position of the secondary sources in front of the plate is studied in consideration of a high sound reduction.

Das Auffinden von Schallquellen an Maschinen oder Fahrzeugen ist ein wichtiger Schritt im Rahmen der Produktleistungsverbesserung. Diese Problemstellung betrifft sowohl die Schallabstrahlung in das akustische Freifeld sowie Schallfelder in akustischen Kavitäten. Eine besondere Herausforderung entsteht bei der Ermittlung der Schalltransmission in Kavitäten innerhalb von Leichtbaustrukturen, da das stationäre Schallfeld im unteren Frequenzbereich modal geprägt ist. Schallreflexionen erschweren hierbei die Ermittlung von Schallfeldgrößen am Kavitätsrand, aus denen sich Schallenergiegrößen und folglich Positionen von Schallquellen ableiten lassen. Das Messen von Schalldrücken und Schallschnellen am Rand großer Strukturen ist ressourcenaufwändig. Eine Alternative bietet die akustische Nahfeldholografie. Hierbei wird das Schallfeld im hydrodynamischen Nahfeld einer schallabstrahlenden Struktur gemessen und anschließend mittels inverser Übertragungsfunktionen auf die Strukturoberfläche zurück projiziert. Dadurch erhält man alle nötigen Informationen, um Schallquellen berechnen zu können. Basis für solch eine inverse Rechnung ist immer eine funktionierende Methode der Vorwärtsrechnung. Für die Berechnung von Schallfeldern in Räumen wird bis zu einer Helmholtz-Zahl von drei ein modaler Ansatz gewählt. Folglich bietet sich dieser Ansatz für den unteren Frequenzbereich u. a. auch zur inversen Schallquellenidentifikation an. Inhomogene Schallwellen, die vom Rand zur Kavitätsmitte hin schnell abklingen, aber dennoch rekonstruiert werden müssen, erfordern die Kombination des modalen Ansatzes mit der Nahfeldholografie. Mit der Entwicklung solch einer kombinierten inversen Methode für beliebige Raumgeometrien basierend auf der Finite-Elemente-Methode beschäftigt sich die vorliegende Arbeit. Analytische Modell werden herangezogen, um bekannte Einflussgrößen aus der Nahfeldholografie auch für Schallfelder in Räumen zu untersuchen. Ein Schwerpunkt ist hierbei die Beschreibung des Einflusses der Anzahl berücksichtigter akustischer Moden in der akustischen Transfermatrix auf das Rekonstruktionsergebnis der Finite-Elemente-basierten Nahfeldholografie. Um die Funktionstüchtigkeit der entwickelten Methode zu überprüfen, erfolgt eine inverse Rekonstruktion des Schallschnellefeldes am Kavitätsrand eines Airbus A400M Atlas auf Basis von gemessenen Schalldrücken in dessen Inneren. Abschluss findet die Arbeit in der Validierung der rekonstruierten Schallschnelle mit Strukturschnellemessdaten.

Dieser Schlussbericht bezieht sich auf den Bearbeitungszeitraum des Teilvorhabens 3200 AMAS (Automatisiertes Messsystem Akustik & Strukturdynamik) vom 01.11.2016 bis zum 31.12.2020. Teilarbeitspakete (TAP) in diesem Zeitraum beziehen sich bis zum 30.09.2019 auf Arbeiten am Airbus A400M-Rumpf der HSU und ab dem 01.10.2019 bis zum 31.12.2020 auf Arbeiten am Acoustic Flight-LAB-Demonstrator (AFL) im Zentrum für angewandte Luftfahrtforschung (ZAL) in der Abbildung 1.

The most used algorithm in active noise control (ANC) applications is the filtered-x least mean square (FxLMS). For large scale systems with multiple inputs and outputs the computational demand of the FxLMS is rising rapidly. Conventional solutions, running on digital signal processors (DSPs), have limitations in parallel computing. In this work a parameterizable multiple input-multiple output (MIMO) feedback FxLMS architecture for field-programmable gate array (FPGA) platforms is presented that can easily be optimized for high-performance or resource efficient computation. The implementation is validated in a real-time practical application using an active headrest with 2 x 2 channels. The noise reduction is evaluated over various configurations with increasing performance and the respective synthesis results are presented. Here the noise reduction does benefit from the additional computational performance gains. An additional configuration with 11 x 11 channels and filter lengths of 2049 at a sample rate of 40 kHz is shown as a benchmark on high-end FPGAs.