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Anhand von experimentellen Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass mikro-perforierte Absorber (MPA) die Schallabstrahlung von Axialventilatoren in Rohrsystemen drastisch senken können. Hierfür wurden die Absorber in azimutaler Richtung in einzelnen Rohrabschnitten angebracht. Dies stellt eine praktische Anwendung von MPAs dar und soll im Zuge dieses Forschungsprojekt untersucht und optimiert werden. Dies beinhaltet auch die Implementierung der Absorber in der Turbomaschine und in anderen Prozesskomponenten wie zum Beispiel Wärmeübertragern.

Um die optimale Reduktion des abgestrahlten Schalls zu erhalten werden die MPAs nicht nur hinsichtlich ihrer akustischen Eigenschaften untersucht, sondern auch Grundlagenforschung in Bezug auf die Überströmung von Absorbern durchgeführt. Zentraler Punkt in diesem Prozess ist nicht nur die Auslegung der MPAs selbst, sondern auch die geeignete Abstimmung der Absorberparameter mit dem Axialventilator und modulierten Strömungsturbulenzen.

Axialventilatoren werden in einer großen Anzahl von technischen Systemen wie zum Beispiel Zügen, Autos, PCs, Klimaaggregaten, Kühlmittelkreisläufen oder Wärmepumpen verwendet. Aufgrund dieses weitgefächerten Anwendungsgebiet sind Axialventilatoren Teil unseres täglichen Lebens. Dabei stellt der Ventilator eine der effektivsten Schallquellen dar und wird deshalb oftmals von den umgebenden Menschen als störend wahrgenommen. Aus diesem Grund werden die Auslegungen von Axialventilatoren nicht mehr nur hinsichtlich der Aerodynamik durchgeführt, sondern auch immer mehr hinsichtlich der akustischen Schallabstrahlung der Turbomaschine. Hierbei wird allerdings nicht berücksichtig, dass je nach Einbausituation (z.B. stromabwärts eines Wärmeübertragers) der Axialventilator unter gestörten Zuströmbedingungen arbeitet. Diese veränderte Zuströmung wirkt sich in den meisten Fällen negativ auf die Schallabstrahlung aus und findet keine Berücksichtigung in der Auslegung der Ventilatoren.

Experimentelle Untersuchungen an realen Wärmeübertrager-Axialventialtor-Modulen zeigten, dass der saugseitige Wärmeübertrager nicht nur den Turbulenzgrad in der Strömung beeinflusst, sondern auch zu einer inhomogenen Strömungsführung beiträgt. Aufgrund dieser Veränderungen konnte festgestellt werden, dass der abgestrahlte Schalldruckpegel von Axialventilatoren um mehrere Dezibel ansteigt im Vergleich zu einer ungestörten Anströmung. Diese erhöhte Schallabstrahlung, unter realen Betriebsbedingungen, führt dazu, dass Hersteller von Ventilatoren Schwierigkeiten mit der Einhaltung von akustischen Richtlinien erfahren.

Im Zuge dieses Projekt werden systematische Kenngrößen von Wärmeübertragern untersucht um ein besseres Verständnis für die akustischen und strömungsmechanischen Wechselwirkungen zwischen Wärmeübertrager und Axialventilator zu generieren. Dabei ist das Ziel, eine Designvorschrift für Wärmeübertrager zu entwickeln, welche eine möglichst geringe Schallabstrahlung von Ventilatoren gewährleistet.

Mit der schnell fortschreitenden Entwicklung neuer E-Fahrzeuge rückt das Thermomanagement im Fahrzeug zu einer zentralen Schlüsselkomponente in den Fokus. Über das HVAC-System und dem eingeschlossenen Kältekreislauf wird nicht nur die Klimatisierung der Fahrgastzelle gesteuert, sondern auch die Kühlung der Elektromotoren und vor allem der Batterie. Da all diese Prozesse eine hohe elektrische Leistung erfordern, hat ein effizientes Thermomanagement direkten Einfluss auf die Reichweite des E-Fahrzeuges.

Im Elektrofahrzeug wird die Akustik in der Fahrgastzelle und das Außengeräusch nicht mehr durch den Verbrennungsmotor (vor allem in den niedrigen Geschwindigkeitsbereichen) maskiert. Damit gewinnt die Akustik des Thermomanagementsystems eine entscheidende Bedeutung. Hierbei muss unterschieden werden zwischen der strömungsinduzierten Schallübertragung und der Transferpfade, die durch Strukturschwingungen hervorgerufen werden. Eine der wichtigsten und dominierenden Schallquellen ist hierbei der Verdichter.

In Klimaanlagen moderner E-Fahrzeuge werden elektrisch betriebene Scroll – Verdichter eingesetzt. Sie bestehen in ihrem Grundaufbau aus zwei Spiralen, wobei sich eine Spirale exzentrisch zu einer zweiten, festen Spirale bewegt. Die Abb. 1 gibt einen schematischen Überblick über das Wirkprinzip.

Um den Betrieb des Verdichters im Fahrzeug zu simulieren, wird ein Kältekreislauf am Lehrstuhl aufgebaut. Messungen des abgestrahlten Schallspektrums werden im Akustikraum durchgeführt. Durch den Verdichter angeregte Vibrationen werden mithilfe optischer Schwingungsmesstechnik erfasst.

Ziel für zukünftige Entwicklungen ist es, physikalische Entstehungsmechanismen im Verdichter dem abgestrahlten Schallspektrum zuzuordnen. Dies betrifft ebenfalls die von dem Verdichter übertragenen Schwingungsanregungen. Nur dadurch ist es möglich, Verbesserungen am Wirkprinzip des Verdichters vorzunehmen, der die Quelle als Schallursache verbessert. Aber auch für gezielte nachfolgende Schalldämpfungsmaßnahmen hat die Kenntnis des Quellmechanismus eine dominierende Bedeutung. Es können Dämpfungsmaßnahmen gezielt auf den Frequenzbereich der Anregung abgestimmt und dementsprechend unterdrückt werden.

Das Funktionsprinzip von Hörgeräten basiert auf einer frequenzabhängigen Verstärkung des vom integrierten Mikrofon detektierten Schalls. Eine besondere Herausforderung bei der Entwicklung von Hörgeräten ist es, diese Verstärkung wechselnden Umgebungsbedingungen anzupassen und Störgeräusche soweit wie möglich zu minimieren. Derartige Störgeräusche treten häufig bei Unterhaltungen mit mehreren Gesprächsteilnehmern oder in öffentlichen Räumen auf. Eine weitere, bisher weitgehend unbeachtete Schallquelle von Umgebungsgeräuschen stellen Windgeräusche dar, wie sie beispielsweise beim Joggen oder Fahrradfahren auftreten können.

Im Forschungsprojekt WINDHOER, das am Lehrstuhl für Prozessmaschinen und Anlagentechnik in enger Zusammenarbeit mit dem in Erlangen ansässigen Hörgeräteherstellers SIVANTOS GmbH bearbeitet wird, steht daher die Erforschung der Entstehungsmechanismen derartiger Windgeräusche im Mittelpunkt. In einem komplementären Ansatz bestehend aus laserbasierten experimentellen Untersuchungen im Windkanal und CFD-Simulationen werden zunächst die strömungsmechanischen Gegebenheiten an der Ohrmuschel unter Windeinfluss untersucht. Mit den daraus gewonnenen Erkenntnissen werden anschließend akustische Quellterme, die zur Schallentstehung führen, berechnet.

Aus den erhaltenen Ergebnisse werden später allgemeingültige Designvorschriften zur Minimierung von Hörgeräten für den Projektpartner erarbeitet werden. An einem generischen Prototypenmodell eines Hörgerätes werden die berücksichtigten Verbesserungsvorschläge simulativ und messtechnisch validiert. Zudem sind Probandenstudien mit Ausgangsmodell und verbessertem Prototypen im Aeroakustikwindkanal geplant, wodurch die Sprachverständlichkeit unter Windeinfluss bei unterschiedlichen Sprecher-Positionen bewertet werden kann.

Die Anforderungen an die Wärmedämmung von Gebäuden im privaten Wohnbereich sind durch die Energieeinsparverordnung (EnEV 2014) deutlich gestiegen. Als Folge der starken Isolation der Außenwände ist der natürliche Austausch von Raumluft mit der Umwelt gehemmt, was u.a. zu Feuchteschäden und Schimmel führen kann. Um dem möglichst energieeffizient entgegen zu wirken, wird vermehrt auf den Einsatz von Belüftungsgeräten mit Wärmerückgewinnung gesetzt.

Im Rahmen des REGVENT-Projekts wird ein neuartiges Konzept eines solchen Lüftungssystems untersucht, bei welchem die Ab- und Frischluftförderung sowie der Wärmeübertrag in einem einzelnen Funktionselement, einem sogenannten Reibungsventilator, gebündelt wird. Der Reibungsventilator besteht aus einem Paket an kreisrunden Scheiben, welche auf einer angetriebenen Welle montiert sind und zwischen zwei voneinander getrennten Kanälen rotiert. In den Kanälen werden aufgrund der Grenzschichtreibung zwei einander entgegengesetzte Strömungen induziert. Besteht ein Temperaturunterschied zwischen diesen Strömungen findet über den Rotor eine Wärmeübertragung statt. Das Konzept zeichnet sich neben einem äußerst kompakten und günstigen Aufbau auch durch hervorragende akustische Eigenschaften aus.

Neben der Ermittlung der strömungsmechanischen, thermodynamischen und akustischen Eigenschaften des Konzepts ist ein zentraler Forschungsgegenstand die Untersuchung des Geschwindigkeitsfeldes im Bereich des Reibungsventilators mittels optischer Strömungsmesstechnik. Das Ziel dieser Messung ist es, ein besseres Verständnis der Energieübertragung von Rotor zu Fluid zu erhalten.

Jeder Mensch braucht eine Stimme! Sprache unterscheidet uns von anderen Säugetieren, sie ist unsere Hauptverbindung zur modernen Welt; sie hat eine entscheidende Bedeutung in der aktuellen Gesellschaft. Die Physik, die unserem Sprachapparat zugrunde liegt, ist allerdings erstaunlich komplex, außerdem ist der Vokalapparat von außen schwer zugänglich für Messgeräte.

Eine präzise und korrekte Erfassung der biomechanischen Vorgänge beim Sprechen führt zwangsläufig zu enormen Fortschritten in der Medizin: Ärzte können dann besser beurteilen, wodurch Stimmprobleme verursacht werden, wie sie diagnostiziert und therapiert werden können. Auch andere Felder in der Wissenschaft wie die computerbasierte Erzeugung künstlicher Stimmen, zum Beispiel bei der Sprachsteuerung, profitieren von diesen Erkenntnissen. Sogar Sprachs- und Gesangskünstler können ein noch besseres Verständnis über die Vorgänge in ihrem Körper erlangen und sich so nochmals verbessern.

Anhand modernster Particle Image Velocimetry (PIV) wird am LSTM das Strömungsfeld im Bereich der Stimmlippen örtlich und zeitlich hochaufgelöst quantifiziert. Mit dieser Technologie werden Doppelpuls-Laser und extrem schnelle Kameras zur Aufzeichnung der Strömung verwendet und anhand aktueller Korrelationsverfahren ausgewertet. Laser-Scanning-Vibrometrie und High-speed Imaging wird zur Erfassung der strukturellen Bewegung der Stimmlippen herangezogen, während die abgestrahlte Akustik im lehrstuhleigenen Akustikraum erfasst wird. So kann die komplette Fluid-Struktur-Akustik Interaktion während der Stimmlippenschwingung quantifiziert und charakterisiert werden.

In einer parallelen Messtechnik-Entwicklung wird die „Hybrid Acoustic PIV“ am iPAT entwickelt. Dieses Vorgehen ermöglicht es uns, an der Lokalisation der akustischen Quellen im menschlichen Kehlkopf zu arbeiten und so eine Antwort zu finden auf die Frage: wo und durch welche Mechanismen entsteht unsere menschliche Stimme? In Zukunft sollen auch Techniken des maschinellen Lernens dabei helfen, Experimente und Simulationen zu vereinen, um die bestehenden Modelle weiter zu verbessern.

Bei Strömungen entlang Oberflächen mit einer starken Krümmung transversal zur Hauptströmungsrichtung, können Krümmungseffekte die Eigenschaften der Grenzschicht stark beeinflussen. Um diese Effekte und ihre Auswirkungen zu untersuchen, werden in der Forschung längs angeströmte, lange Zylinder mit einem kreisförmigen Querschnitt betrachtet. Bei der turbulenten Umströmung solcher Geometrien entstehen axial-symmetrische, turbulente Grenzschichten, deren Dicke den Zylinderradius um ein Mehrfaches übersteigt. Derartige Grenzschichten unterscheiden sich signifikant von planaren Grenzschichten an ebenen oder schwach gekrümmten Oberflächen. Axial-symmetrische Grenzschichten entstehen u. a. bei der Herstellung von Polymer- und Glasfasern, beim Verlegen von Seekabeln und entlang hydroakustischen Schleppantennen (Seitensichtsonar, Streamer, Seismische Messkabel, etc.). Letztere werden z.B. in der Meeresforschung, wie der Ozeanographie und der marinen Geophysik, zur Vermessung des Meeresbodens und der Wassersäule eingesetzt. Sie bestehen aus einem öl- oder gelgefüllten Schlauch in dessen Innerem Hydrophone mittig positioniert sind und werden üblicherweise von einem Schleppschiff in einer bestimmten Wassertiefe gezogen. Beim Einsatz solcher Messsysteme bildet sich eine axial-symmetrische, turbulente Grenzschicht um die zylindrische Antennenhülle aus. Aufgrund der turbulenten Fluktuationen innerhalb der umgebenen Grenzschichtströmung, entstehen sog. strömungsinduzierte Eigenstörgeräusche. Diese stellen insbesondere bei hohen Fahrstufen das pegel-dominierende Störgeräusch dar und limitieren die Effizienz des hydroakustischen Messsystems.

Im Zuge dieses Forschungsprojekts werden die axial-symmetrischen, turbulenten Grenzschichten und die primären Entstehungsmechanismen von grenzschichtinduzierten Eigenstörgeräuschen an vereinfachten Schleppantennen-Geometrien untersucht. Dabei spielt die Wechselwirkung der Grenzschichtströmung mit der Strukturdynamik der Antennenhülle und der Akustik im Inneren der Antenne eine bedeutende Rolle. Es kommen u. a. Simulationen der Fluid-Struktur-Akustik-Interaktion zum Einsatz.