Neue Fortschritte in der Aeroakustik für Flugzeuge
Forschungen zu akustischer Strahlung aus Fluid-Struktur-Wechselwirkungen konzentrierten sich bisher vor allem auf die Analyse starrer Strukturen. Außerdem wurde nur der Effekt von externen instationären Strömungen auf die Nah- und Fernfeld-Schallausbreitung untersucht. Wissenschaftler initiierten das Projekt AM10 (The aeroacoustics of elastic structures), um die Auswirkungen von Elastizität auf das Schallfeld des Systems, das aus Fluid-Struktur-Wechselwirkungen resultiert, zu bestimmen. Insbesondere entwickelten sie ein theoretisches System für die Untersuchung der akustischen Strahlung von Strömungsunstetigkeiten und mechanischer Betätigung. Zu den untersuchten Strukturen gehören flexible Tragflächen und elastische Zylinderkonfigurationen. Die Arbeit konzentrierte sich in erster Linie auf die Analyse der dynamischen Nah- und Fernfeld-Reaktionen des Systems. Die Nahfeld-Berechnung basierte auf der Theorie von inkompressiblen Potentialströmungen bei hohen Reynolds-Zahlen gekoppelt mit einer Bewegungsgleichung zur Beschreibung der Strukturdynamik. Die Unstetigkeit der Anströmung wurde durch eine Verteilung der Wirbelstärke in der zufließenden Flüssigkeit dargestellt und die mechanische Betätigung wurde durch Erregungen der Vorderkante modelliert, um flatternde Flugbedingungen nachzuahmen. Es zeigte sich, dass das System die Betätigungen, die eine seiner Eigenfrequenzen enthalten, normal verstärkte. Dies zeigt deutlich, wie wichtig es ist, bei der Beschreibung von Fluid-Struktur-Wechselwirkungen die elastischen Bewegungsgrade der Struktur zu berücksichtigen. Der Resonanzmechanismus sollte auch einen großen Einfluss auf die Fernfeld-Schallausbreitung haben. Die Formulierung des aeroakustischen Problems basierte auf einer akustischen Analogie für einen kompakten Körper, um so die Schwierigkeit, das schwache akustische Fernfeld aus direkten Simulationen zu erhalten, zu überwinden. Die Ergebnisse halfen den Forschern, Kopplungsmechanismen zwischen Bewegung und Geräusch von dünnen elastischen Strukturen weiter zu beleuchten, und bieten eine Grundlage für neue elasto-akustische Geräuschkontrollmethoden. Diese wird verschiedenen Anwendungen zugutekommen, unter anderem der Entwicklung von Geräuschkontrollsystemen zur Reduzierung des Hinterkantenrauschens, der Beobachtung der akustischen Reaktion beim Flattern des Flügels von kleinen unbemannten Luftfahrzeugen sowie der Analyse von natürlichen Phänomenen wie dem Geräusch beim Insektenflug.
Schlüsselbegriffe
Flugzeuge, Aeroakustik, Fluid-Struktur-Wechselwirkungen, elastische Strukturen, Lärmschutz
