Luftfahrtforschungsprogramm

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.

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.