Eine FEM-basierte Nahfeldholografiemethode zur Schallquellenidentifikation in Kavitäten

Abstract

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.