Ziel der Entwicklung
Ziel des Vorlaufforschungsvorhabens war es, die Amiet-Scherschichtkorrektur für Windkanäle zu verbessern und in Phased Arrays bzw. Beamformingsysteme zu integrieren, um eine genauere Ortsbestimmung und höhere Dynamik bei der Kartierung akustischer Signalquellen zu erreichen. Es bestehen hier nach wie vor Genauigkeitsprobleme, die auch durch die Scherschichtkorrektur nach Amiet nicht vollständig behoben werden können.
Im Projekt wurden neue Verfahren und Algorithmen zur präziseren Ortung und neue akustische Testquellen für deren Validierung und Kalibrierung entwickelt. Hierfür waren inhomogene Geschwindigkeitsprofile in die Modellierung einzubeziehen und Korrekturalgorithmen zur exakteren Bestimmung der Laufzeiten zwischen Quellorten und Mikrofonorten für die Verbesserung der resultierenden akustischen Kartierungen zu entwickeln.
Vorteile und Lösungen
Im Projekt erfolgte zunächst die Konzeption und anschließende Konstruktion und Anfertigung spezieller, sowohl für den schmal- als auch relativ breitbandigen Einsatz geeigneter Testschallquellen auf Basis von sehr flachen, aber ausreichend leistungsfähigen Kleinlautsprechern. Diese sind mit einer speziellen, aerodynamisch günstig geformten Verkleidung ausgestattet und besitzen eine elektronische Signalansteuerung. Sie können auf der Oberfläche des angeströmten Testfahrzeuges angebracht werden und liefern eine präzise Ortsinformation zur Kalibrierung und Validerung der Korrekturverfahren bei verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten.
Für die algorithmische Umsetzung einer verbesserten Scherschichtkorrektur konnte mithilfe von Raybacktracing und Delaunay-Triangulierung ein sehr flexibler Ansatz gefunden werden, der nun auch die Behandlung inhomogener Strömungsprofile erlaubt. Dieser Ansatz wurde mittels umfangreicher Simulationen mit realitätsnahen Bedingungen erprobt, mit den klassischen Methoden verglichen und statistisch validiert. Danach wurde der Ansatz mit Realdaten aus dem Windkanal getestet und hat sich im Resultat der Untersuchungen als tragfähig erwiesen. Die Genauigkeit der Schallquellenortung konnte mit der neuen Scherschichtkorrektur teilweise bis in den Bereich weniger Millimeter bedeutend verbessert werden.
Zielgruppe und Zielmarkt
Wirtschaftliche Bedeutung und Nutzen des Vorhabens liegen sowohl auf der Seite aller potenziellen Anbieter hochkanaliger Messtechnik, die von den neuen Verfahren und Ergebnissen grundsätzlich profitieren können, als auch auf der Seite der Anwender derartiger akustischer Messtechnik.
Die erzielten Resultate dieses Vorlaufprojektes führen zur wachsenden Akzeptanz des Einsatzes von Beamformingsystemen im Windkanal und leisten damit einen wesentlichen Beitrag für die angestrebte Energie- und Verkehrswende. Hier wird vor allem der in den nächsten Jahren und Dekaden zu vollziehende Umstieg auf elektrisch angetriebene Fahrzeuge zu einem verstärkten Bedarf an Messungen im Windkanal führen. Während die klassischen, auf Verbrennungsantrieben beruhenden Fahrzeuge bezüglich ihres Geräuschverhaltens bereits sehr gut ausanalysiert sind, ändern sich die Fahrgeräusche sowohl im Innen- als auch im Außenbereich durch die Einführung elektrischer Antriebe vollständig. Demzufolge steigt der Anteil wahrnehmbarer Strömungsgeräusche in Relation zum Antriebsgeräusch, und deshalb wird es in der gesamten Automobilindustrie künftig einen weiter erhöhten Bedarf an der Analyse der für E-Fahrzeuge besonders wichtigen Windfahrtgeräusche geben.
Mittel- bis langfristig werden sich weitere Anwendungsperspektiven ergeben, die dann auch vermehrt in der mittelständischen Industrie außerhalb des unmittelbaren Automotive-Umfeldes zum Tragen kommen. Denkbar sind hier z.B. die Optimierung von Flügelprofilen für Drohnen und Windenergieanlagen zur Geräuschminimierung oder auch der Einsatz in der strömungstechnischen Untersuchung von skalierten Gebäudemodellen (in der Städteplanung wird so der Windeinfluss vorab bewertet) sowie generell bei der strömungstechnisch günstigen Gestaltung von Komponenten.
