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Aeroakustik und Strukturschwingungen
Frank Kameier Aeroakustik, HdT Essen, 11.10.2006
Professor Dr.-Ing. Frank Kameier
• Eigenschwingungen • Campbell-Diagramm • Periodische Strömungsanregungen • Kavitäten • Beispiele: - Kármánsche Wirbelstrasse
- Kavitäten- akustische Resonanzen- rotierende Instabilitäten
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Frank Kameier Aeroakustik, HdT Essen, 11.10.2006
Visualisierung von Strukturschwingungen
Geräuschquelle(Sinus-Generator)
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
0 5 10 15 20 25
Lautsprecher
Glas
Pendel
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Strömungsablösung als Quelle von Strukturschwingungen
0y
u
W
W
Ablöse-gebiet
Ablösepunkt
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„Aerodynamischer“ Sinus-Generator
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
0 5 10 15 20 25
Anströmung Zylinder Kármánsche Wirbelstraße
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Reynoldszahl
Dc
Re
c
DfSt Strouhalzahl
dimensionslose Anströmgeschwindigkeit (sofern Geometrie und Medium nicht variiert werden)
dimensionslose Frequenz (sofern Geometrie nicht variiert wird)
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Zylinderumströmung
DcRe
Quelle: R.Feynman, Lectures on Physics, 1974
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Variation der Frequenz
Quelle: Stüber,B., Untersuchung aerodynamisch erzeugter Schallfelder mit Hilfe der Modellmethode, Dissertation, TU München 1968.
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Tacoma-Bridge (1940) Kármánsche Wirbelstraße verursacht Strukturschwingung
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Anordnung von Zylindern und Kármánschen Wirbelstraßen
Blevins: Flow-Induced Vibration, 1990
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Ferrybridge (GB) Kühltürme (1965)Kármánsche Wirbelstraße verursacht Strukturschwingung
Quelle: Krause, Zum 100. Geburtstag des Luft- und Raumfahrtpioniers Theodore von Kármán, Aachen, 1981.
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Behinderung der Wirbelbildung
Quelle: Blevins, Flow-Induced Vibration, 1990
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Behinderung der Wirbelbildung
an der Blattspitze: Winglet gegen das Überströmen der Blattspitze.
am Turm: Spirale gegen die Bildung von Kármánschen Wirbelstrassen
Quelle: Mechanical Engineering, Vol.121, No.12, Dec 1999
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Wirbelgeneratoren zur Unterdrückung tonaler Anregungenz.B. am PKW Außenspiegel
VW T5 2005 BMW versch. Modelle seit ca. 1995
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Seiferth-Flügel an einer Windkanaldüse
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Turbulatoren zur Erzeugung von Breitbandfluktuationen
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Region of Discrete Vortices
Vortex Breakdown High Energy Broadband Pressure Fluctuations
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Eigenschwingungsformen mechanischer Strukturen
Quelle: Cumpsty, Compressor Aerodynamics, 1989
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Eigenschwingungsformen mechanischer Strukturen
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Biege-Mode Torsions-Mode
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Campbell-Diagramm
f[Hz]
p[Pa]
n[U/min]
1. Biege-Mode
1. Torsions-Mode
2.
Drehzahlordnungen
n[U/min]
f[Hz]
1.
3.
4.
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Schwingungen der Schaufeln eines Flugtriebwerkverdichters
vgl. Clarke, Ziegenhagen, Kameier, EuroNoise 1998
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Schwingungen einer ebenen Platte im Nachlauf eines Zylinders
aus: Sophia Schönwald, Untersuchung strömungsinduzierter Schwingungen, Bachelor-Thesis, FH Düsseldorf 2006
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0 5 1 0 1 5 2 0
.
0
1 0 0
2 0 0
3 0 0
4 0 0
H z
5 0
6 0
7 0
8 0
9 0
1 0 0
1 1 0
d B
0 5 1 0 1 5 2 0
.
0
1 0 0
2 0 0
3 0 0
4 0 0
H z
1 0 0 µ
1 m
1 0 m
m / s
A q u i s i t i o n : 1 5 : 0 6 h 2 4 . 1 1 . 2 0 0 5 R e s o l u t i o n : 2 [ H z ] C a l . : 0 . 0 3 2 8 7 2 3 [ V / d B ] A V G : - 1 8 0 7
F e n s t e r u n g : H a n n i n g
F o r m a t : 2 _ 3 D _ w i n d k a n a l / 2 x 3 D
s c h o e n w a l d / M e s s u n g e n _ 2 4 1 1 0 5 / Z y l i n d e r _ 0 . 0 2 _ H o c h f a h r t _ W i n d k a n a l _ a b a t a s t u n g _ m i t t e _ M i k r o _ P o s _ 3 _ n a 1
U n i v e r s i t y o f A p p l i e d S c i e n c e s D u e s s e l d o r f 2 0 0 5 / S c h o e n w a l d 1 6 : 1 8 h 2 4 . 1 1 . 2 0 0 5 / P A K ( 5 . 2 )
M i k r o f o n L a s e r v i b r o m e t e r
W i n d k a n a l S h a k e r
aus: Sophia Schönwald, Untersuchung strömungsinduzierter Schwingungen, Bachelor-Thesis, FH Düsseldorf 2006
Strömungsgeschwindigkeit in m/s Strömungsgeschwindigkeit in m/s
Geräusch Schwingung
Schwingungsanregung jenseits der Eigenfrequenzen
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Helmholtz-Resonator
Lips, Strömungsakustik(1997)
2/rlV
r
2
af
2
cAnström.
cAnström.
hohe Frequenz
tiefe Frequenz
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Herleitung der Eigenfrequenz eines Helmholtz-Resonators
v
dv
p
dpIsentropengleichung Schallgeschwindigkeit vpa
V
Vap~ 2
D
D0
- Gleichgewicht
L
4
DS
2
4
DS
20
0 LS
S
V
V 0
mit als Auslenkung der "Masse"
pSF 0 Federkraft
002 S
LS
Sap
FLS
SapS
202
0
V
Aa
LS
SaFc
20
220
2
F
Federkonstante
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Herleitung der Eigenfrequenz eines Helmholtz-Resonators
schwingende Luftmasse eff0LSm
effL Im Resonatorhals schwingt eine größere Luftmasse als nur die im Hals befindliche!
m
cF odereff0
20
2
Helm LSV
Sa
eff
20
2
LV
Sa
0eff r2
Lr8,02LL
0
20
0
0Helm
r2
LV
r
2
c
r2
LV
S
2
af
Quelle: Lucas et al., Turbomachinery Cavities, 1997
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Wirbelbildung in Scherströmungen
Quelle: M.Schober, http://obiwan.pi.tu-berlin.de/M.Schober/wjallcases/acoustic.mpeghttp://elecpress.monash.edu.au/ijfd/1999_vol3/paper1/a_visualisation_study.html
(mit akustischer Anregung)
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Erzeugung von Hohlraumresonanzen
Laufzeit (ganze Wellenlänge)
Laufzeit (halbe Wellenlänge)2
Resonanz
Anti-Resonanz
4
2
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Stehende Welle im RohrRohrabschluss = starre Wand
)gWandhaftun(
0c
Resonanz
-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
maxpp
...,2,1,0n)1n2(4
L
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Herleitung der Resonanzbedingung für eine stehende Welle im Rohr
Quelle: Lucas et al., Turbomachinery Cavities, 1997
Impulserhaltung(Eulersche Bewegungsgleichung) x
p1
t
ux
bei harmonischem Ansatz x
piu
harter Wandabschluss
0x
p0)Lx(u
Lx
ikxR
ikxi ePeP)x(p a
k
RikL2
i PeP
Das Fluid in der Kavität wirkt wie eine mechanische Feder.
)xL(kcoseP2eeP)x(p ikLi
kL2ikx(ikxi
L4
a1n2f1n2
4L res
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Überströmung von Kavitäten - Helmholtzresonator
Quelle: Lucas et al., Turbomachinery Cavities, 1997
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Überströmung von Kavitäten - Helmholtzresonator
Lucas et al., Turbomachinery Cavities, 1997
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Akustische Resonanzen
f [Hz]
t [s]
p [kPa]
Druckaufnehmer am Bypass des Fans eines Flugtriebwerks
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Schnitt zu einer bestimmten Zeit
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![Page 33: FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik](https://reader034.vdokument.com/reader034/viewer/2022051622/5681542e550346895dc22f46/html5/thumbnails/33.jpg)
Berechnung der Rohrlänge aus dem Abstand zweier benachbarter Resonanzfrequenzen
01 fL
a
4
1f 02 f
L
a
4
3f
f
a
2
1L
L
a
2
1fff 12
mit der Schallgeschwindigkeit a
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Spektrum einer Orgelpfeife
Quelle: Fletcher, N.H., Rossing, T.D.: The Physics of Musical Instruments,1991.
Frank Kameier Aeroakustik, HdT Essen, 11.10.2006
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![Page 35: FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik](https://reader034.vdokument.com/reader034/viewer/2022051622/5681542e550346895dc22f46/html5/thumbnails/35.jpg)
Resonanz im Nachlauf einer ebenen Platte
Quelle: Parker, Aeroacoustics, International Journal of Fluid Dynamics, 1997http://elecpress.monash.edu.au/ijfd/1997_vol1/paper1/Parker.Flow.html
Frank Kameier Aeroakustik, HdT Essen, 11.10.2006
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![Page 36: FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik](https://reader034.vdokument.com/reader034/viewer/2022051622/5681542e550346895dc22f46/html5/thumbnails/36.jpg)
Frank Kameier Wolfsburg 09.10.2006
Tank test
FH DUniversity of Applied Sciences DüsseldorfFluid Mechanics and Acoustics
outside ambient p-
inside ambient p+
Flow rate control with screens
Shear Flow
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Frank Kameier Wolfsburg 09.10.2006
Wall Pressure Fluctuations in the Source Region
FH DUniversity of Applied Sciences DüsseldorfFluid Mechanics and Acoustics
0 20 40 60 80 100 120 140s
0
5000
10000
15000
20000H z
40
50
60
70
80
90
100d B
0 5000 10000 15000 20000
H z4050607080
90100110120130
d B
toulouse / Valve_P osition_40°_config_3_air_stream_off / 5_8_2_ dp_0_50 0_ta ped_overall_s aw_tooth
A P S M ax im um
p-Am pien t: 100 0-516 hPa O F V-Po s.: 40 °O utside A ir S tream : o ffD iff.P ressure: 0-500 hPa Tank: open
N ORD -MICRO PR OPR IETARY
1
3
2
1
4
5
1 – Parker resonance
2 - gate sealing (hole and spring)
3 - open cavity
4 - shear layer activity
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Strukturschwingungen am Beispiel von Musikinstrumenten
Quelle: Macaulay, Ardley: Macaulay´s Mammut Buch der Technik, Nürnberg 1989.
Blockflöte
Klarinette
Oboe
Frank Kameier Aeroakustik, HdT Essen, 11.10.2006
FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik
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Stehende Wellen in Musikinstrumenten
Quelle: Macaulay, Ardley: Macaulay´s Mammut Buch der Technik, Nürnberg 1989.
Frank Kameier Aeroakustik, HdT Essen, 11.10.2006
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Periodische Strömung in einer Flöte
Quelle: Science Times, 12/98
Frank Kameier Aeroakustik, HdT Essen, 11.10.2006
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Beobachtung von Wanddruckschwankungen in einem Hochdruckverdichter
4 mm
Frank Kameier Aeroakustik, HdT Essen, 11.10.2006
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Rotierende Instabilitäten und Strukturschwingungen
Wanddruckschwankung- raumfest -
Schaufelschwingung- rotierend -
BAUMGARTNER, KAMEIER, HOURMOUZIADIS, ISABE Conference, Melbourne, 1995
gefährdeter Drehzahlbereich
Frank Kameier Aeroakustik, HdT Essen, 11.10.2006
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Rotierende Instabilitäten und Strukturschwingungen
Wanddruckschwankung- raumfest -
Schaufelschwingung- rotierend -
Frank Kameier Aeroakustik, HdT Essen, 11.10.2006
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P u m p en
R otie ren d eA b lö s u n g
RotierendeInstabilitäten
(in Ström ungsm aschinen)
Kárm án sch eW irb elab lösu n g en
m itF eed b ack-Loop
O rg e lp fe ifen -R eson an zen
AkustischeResonanzen
R otie ren d esP o ten tia lfe ld
(S c h au fe lk rä fteb e i S trö m u n g sm asch in en )
Frem derregteSchw ingungen(äußere Kräfte)
Fluttern(S tru k tu r b ew eg t s ich !)
Buffeting(S tru k tu r b ew eg t s ich n ich t!)
SelbsterregteSchw ingungen
(eigene Bew egung)
Ström ungserregte Schw ingungen
Frank Kameier Aeroakustik, HdT Essen, 11.10.2006
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