Lokalisation strömungsinduzierter Schallquellen aus numerisch berechneten Oberflächendruckfluktuationen

Eine fundamentale Herausforderung der Aeroakustik besteht in der Reduzierung von Strömungsgeräuschen. Da hinreichend bekannt ist, dass diese bei niedrigen Mach-Zahlen in erster Linie aus den Wechseldruckbeaufschlagungen umströmter Oberflächen resultieren, stellt eine räumliche Lokalisation der dort auftretenden Schallquellen ein hilfreiches Mittel zur Geräuschreduzierung dar. Zu diesem Zweck werden häufig Beamformingverfahren eingesetzt, die eine Rekonstruktion der Schallquellen anhand des im Fernfeld aufgezeichneten Schalldrucks erlauben. Da in diesem Zusammenhang allerdings auch artifizielle Anteile auftreten und eine für vor allem tiefe Frequenzen eingeschränkte Auflösung zu beobachten ist, wird in der vorliegenden Arbeit die Entwicklung eines alternativen Verfahrens zur Lokalisation strömungsinduzierter Schallquellen vorgestellt.
Im Zuge von CAA-Simulationen steht neben akustischen Größen auch der schallerzeugende fluktuierende Oberflächendruck zur Verfügung. Da dieser den Quellmechanismus am Ort der Schallentstehung darstellt, bildet er den Ausgangspunkt des Verfahrens. Am Beispiel eines angeströmten SD7003-Tragflügels werden verschiedene Quellhypothesen aufgestellt und auf deren Eignung überprüft. Ein Vergleich mit den bekannten Beamformingergebnissen dient hierzu als Referenz. Zunächst wird gezeigt, dass der Oberflächendruck selbst keine anschauliche Schallquellenlokalisation ermöglicht, da dieser durch dominante hydrodynamische Anteile geprägt wird, die größtenteils nicht abstrahlungsfähig sind. Ein ähnliches Bild zeigen ausgewählte aeroakustische Quellterme, die aus den Strömungsgrößen gewonnen werden. Dies gilt auch für den akustischen Anteil des Oberflächendrucks, der aus einem eigens zu diesem Zweck entwickelten Filterverfahren gewonnen wird. Durch Ausnutzung des Spiegelungsprinzips wird schließlich der propagationsfähige Anteil des Oberflächendrucks ermittelt, der ein anschauliches Abbild der Schallabstrahlung darstellt. Ausgehend von diesem Ergebnis erfolgt eine Weiterentwicklung des Verfahrens, wodurch auch die für die Schallentstehung ursächlichen hydrodynamischen Fluktuationen der Strömung sichtbar werden. Darüber hinaus wird eine Visualisierung des räumlich abgestrahlten Schallfeldes vorgenommen, anhand derer sich auch Ausbreitungseffekte und Richtcharakteristik des umströmten Körpers erkennen lassen.
Aus der Gesamtheit der gefundenen Größen ergibt sich ein umfangreiches Bild des strömungsinduzierten Schallfeldes, das neben der Abstrahlung auch die Entstehungsorte und die zugrundeliegenden Quellmechanismen aufzeigt. Grundsätzlich werden dem Beamforming ähnliche Ergebnisse gefunden, die allerdings eine deutlich verbesserte Auflösung aufweisen, welche sich vor allem bei tiefen Frequenzen bemerkbar macht. Da das Verfahren auf einer einfachen Auswertung des Helmholtz-Kirchhoff-Integrals beruht, weist es den Aufwand einer herkömmlichen Schallausbreitungsrechnung auf.