Eine neuartige Randbedingung zur vollständigen Beschreibung des akustischen Verhaltens perforierter Wandauskleidungen mit Überströmung

• Antragstellerin: Dr.-Ing. Anita Schulz
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen ; Akustik
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 433582255

Die Berechnung der Schallausbreitung, besonders der Schalldämpfung in durchströmten Kanälen ist in vielen praktischen Fällen von erheblichem technischen Interesse. Um die unerwünschte Schallausbreitung durch den Kanal zu unterdrücken, wird dieser akustisch dämpfend ausgekleidet, d.h. seine Wände werden durch Perforationen akustisch durchlässig gemacht und der dahinter liegende Raum wird z.B. mit schalldämpfendem Material gefüllt. Der entscheidende Parameter für die Schallausbreitung im Kanal ist – zumindest im strömungslosen Fall – die komplexwertige Wandimpedanz. Bei einem einfachen Aufbau der Wand kann diese theoretisch berechnet werden, in komplexeren Fällen muss sie experimentell bestimmt werden. Bei Anwesenheit einer Strömung wird die Anpassung der Wandauskleidung an das zu dämpfende Schallspektrum erheblich erschwert, denn die Wandimpedanz wird infolge der Strömung nicht nur verändert, sondern reicht als alleiniger Parameter auch nicht mehr aus, um den Einfluss auf die Schallausbreitung zu beschreiben. Zur Vervollständigung der Randbedingung muss der Effekt des Impulstransfers berücksichtigt werden, welcher durch das Abbremsen des strömenden, in die Öffnungen eindringenden Mediums verursacht wird. Letzteres führt dazu, dass die Kraft, die die Wand auf das strömende Medium ausübt, nicht nur eine wandnormale, sondern zusätzlich eine tangentiale Komponente aufweist. Dieser Effekt wurde in den bisherigen Arbeiten entweder völlig vernachlässigt oder durch die Annahme der Haftbedingung beschrieben, die hier aber in Frage gestellt wird. Die Antragstellerin geht daher davon aus, dass der Impulstransfer zwischen Wand und Strömung durch einen eigenständigen Parameter der akustischen Randbedingung beschrieben werden muss. Sie hat daher die Impulstransferimpedanz - das Verhältnis zwischen akustischer Wandschubspannung und wandnormaler Schnelle - als zusätzlichen Parameter der Randbedingung eingeführt. Die Impulstransferimpedanz ist der Hauptgegenstand der geplanten Untersuchungen; ihre theoretische Berechnung ist bisher nicht einmal ansatzweise gelungen und ihre experimentelle Bestimmung stößt bei den bisher verwendeten Messverfahren wegen der hohen Genauigkeitsanforderungen auf erhebliche Schwierigkeiten. Zu erwarten sind neben den Abhängigkeiten von den Strömungsparametern und der Frequenz Abhängigkeiten von der Lochgeometrie der perforierten Wand. Zur Überprüfung dieser Abhängigkeiten soll im Rahmen des Forschungsvorhabens ein neues experimentelles Verfahren entwickelt und angewendet werden, welches die erforderliche Messgenauigkeit zur Bestimmung der Impulstransferimpedanz liefert. Die experimentellen Resultate sollen die Grundlage für ein vertieftes physikalisches Verständnis und für die Bildung von Modellen liefern, durch welche die Impulstransferimpedanz und ihre Auswirkung auf das Schallfeld erklärt und vorhersagt werden können. Die vervollständigte akustische Randbedingung erlaubt letztlich eine genauere Optimierung von Schallabsorbern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr.-Ing. Friedrich Bake; Professor Dr. Lars Enghardt