Stromingsakoestische karakterisatie van linermaterialen gebaseerd op multipoort metingen

Akoestiek in vliegtuigmotoren – een controletechniek om aan geluidsnormen te voldoen

Chiara De Timmerman

Master in de Werktuigkunde, optie Lucht- en Ruimtevaarttechnologie

Geldende geluidsnormen vormen een steeds grotere beperking voor het Belgisch luchtverkeer. Zoals beschreven staat in een artikel in De Standaard van 9 juli 2013 [1], nam het vrachtverkeer op de luchthaven van Zaventem  met 12,8% af tijdens het eerste halfjaar van 2013. Strenge geluidsnormen nekken de aantrekkelijkheid van het Belgische luchtruim omdat luchtvaartmaatschappijen zich steeds minder risico’s kunnen veroorloven. Globaal gezien lopen openstaande boetes op tot enkele miljoenen euro’s. Om in de toekomst kostelijke gerechtelijke procedures te vermijden, is er in de industrie nood aan een eenduidige controletechniek die toelaat om op voorhand de geluidsdempende eigenschappen van vliegtuigmotoren na te gaan.

1.     Doel van dit onderzoek

Aeroakoestiek is de studie van de interactie tussen luchtstromingen en de voortplanting van geluidsgolven. Onder andere in de luchtvaartsector zijn er zeer belangrijke toepassingen, aangezien deze interactie kan leiden tot een verzwakking of versterking van de geluidsemissie.

Dit onderzoek doelt op de ontwikkeling van een gestandaardiseerd computerprogramma voor gebruik in de luchtvaartindustrie, wat zal toelaten om op een eenvoudige manier te controleren of de geluidsemissie van vliegtuigmotoren voldoet aan de heersende geluidsnormen.

Het computerprogramma baseert zich op de akoestische opmeting van bestaande dempende materialen, zogenaamde liners, die gebruikt worden als binnenbekleding van vliegtuigmotoren. Figuur 1 toont een reële en schematische materiaalopbouw. De opgemeten drukwaarden vormen het startpunt voor de beschrijving van de geluidsdempende karakteristieken.

2.     Wiskundige modellering

Deze sectie behandelt enkel het algemene principe waarop het wiskundig model gebaseerd is, zonder al te veel in detail te treden. De volledige beschrijving is opgenomen in mijn masterproef [2].

Het wiskundig model start vanuit experimenteel bepaalde drukken aan beide zijden van het dempend linermateriaal, zoals weergegeven in figuur 2 . Een vergelijking van deze waarden laat toe om de maximale demping te bepalen, aldus ook het geluidsniveau dat naar de omgeving uitgestraald wordt. De akoestische impedantie is een representatieve karakteristiek voor de demping, gedefinieerd als de verhouding van de akoestische druk (variatie op de atmosferische omgevingsdruk) en de snelheid van luchtdeeltjes loodrecht op het materiaaloppervlak.

De geometrie van het aangesloten leidingsysteem vormt een afzonderlijke randvoorwaarde binnen het model, zodat deze techniek toepasbaar is voor eender welke configuratie van vliegtuigmotoren.

De wiskundige beschrijving van deze geluidsdemping omvat een reeks ingewikkelde vergelijkingen, die voor elke set meetdata wordt opgelost. Hierbij wordt steeds vertrokken van een startwaarde, een schatting voor de akoestische impedantie, om de berekening voor de computer te vereenvoudigen en de nodige rekentijd te beperken.

3.     Testopstelling en uitvoer van experimenten

Gedurende het verloop van dit onderzoek zijn verscheidene experimenten uitgevoerd. Enerzijds om experimentele drukwaarden te bekomen om de correcte werking van het programma te testen, anderzijds om ook bij nadelige omgevingsinvloeden de goede werking te controleren en verder te garanderen in de toekomst.

De testopstelling is een vereenvoudigde versie van een vliegtuigmotor: een metalen rechthoekige kamer bekleed met linermateriaal, tussen twee rechthoekige leidingen. Figuur 4 toont detailweergaven van de verschillende onderdelen.

De gehele constructie bestaat uit drie secties: stromingsgeneratie, signaalgeneratie en dataverzameling van het testmateriaal. Figuur 3 toont een schematische weergave van de wisselwerking tussen deze secties.

De stromingsgeneratie voorziet de nodige luchtverplaatsing, waarbij verschillende stromingssnelheden mogelijk zijn. Belangrijk is dat een koeler de temperatuur quasi constant houdt, omdat temperatuursschommelingen een effect hebben op de opgemeten akoestische drukken. De Test.Lab software van LMS Siemens genereert akoestische signalen die via versterkers en luidsprekers doorheen de leidingen gestuurd worden. Deze leidingen zijn langs beide zijden van het linermateriaal voorzien van druksensoren, zodat op verschillende posities de akoestische druk kan opgevolgd worden. De multichannel analyser verzamelt deze druksignalen voor verdere verwerking en visualisatie met de Test.Lab software.

4.     Resultaten

De invoer van experimenteel opgemeten druksignalen in de wiskundige modellering laat toe om voor elke geluidsfrequentie de bijhorende demping door het linermateriaal te bepalen. Figuur 5 toont een typisch impedantieverloop, voor frequenties gaande van 50 tot 1750 Hz. De impedantie is een complex getal bestaande uit een reëel en imaginair deel (met imaginaire eenheid  ), waarbij beide delen hier weergegeven zijn door de rode curves.

De werkingsfrequentie van het geteste linermateriaal is 1950 Hz. Deze frequentie is niet opgemeten omdat deze buiten de geldigheidsrange van het wiskundige model valt. Desalniettemin, is dit impedantieverloop toch een waardevolle weergave van de dempingseigenschappen.

Naargelang de frequentie toeneemt, naderen het reële en imaginaire deel van de impedantie elkaar asymptotisch. Op de werkingsfrequentie zal de absolute waarde van deze complexe impedantie minimaal zijn, wat betekent dat de akoestische druk alsook het uitgestraalde geluidsniveau het laagst is. Deze geluidsdemping komt nog duidelijker naar voren in figuur 6. Deze curve toont het transmissieverlies in functie van de geluidsfrequentie, uitgedrukt in geluidseenheid decibel [dB]. Het transmissieverlies duidt op de geluidsenergie die verloren gaat, aldus de geluidsdemping die het linermateriaal veroorzaakt. Het transmissieverlies is maximaal op de werkingsfrequentie van het linermateriaal, wat betekent dat het materiaal minder geschikt is voor geluidsdemping op frequenties die hier fel van afwijken. Belangrijk is om voor elke vliegtuigmotor en het bijhorende geluidspectrum, het juiste type linermateriaal te kiezen.

5.     Besluit

Dit artikel geeft een korte beschrijving van mijn onderzoek naar de opmeting van geluidsdemping in vliegtuigmotoren. De wiskundige modellering van dit fenomeen is in een softwaretool met handige interface gegoten, bedoeld voor verder industrieel gebruik. Met behulp van eenvoudig op te meten druksignalen, is elke vliegtuigbouwer of luchtvaartmaatschappij in staat om te controleren of de geluidsemissie voldoet aan geldende geluidsnormen. De invloed van een linermateriaal is meteen zichtbaar en de software geeft feedback over de geschiktheid van dit linertype voor een specifieke toepassing. Luchtvaartmaatschappijen zijn niet langer verplicht om vliegroutes aan te passen om boetes te vermijden, een eenvoudige wissel of toevoeging van dempend materiaal volstaat.

Dit resultaat draagt bij tot de steeds sterkere tendens in de luchtvaart om niet alleen de veiligheid, maar ook de milieuvriendelijkheid en ergonomie te verbeteren. Mens, milieu en machine interageren op zeer diep niveau met elkaar, waarbij duurzaamheid hoog in het vaandel wordt gedragen.

Onderstaande quote van Satchel Paige vat dit idee mooi samen:

“Airplanes may kill you, but they ain’t likely to hurt you”.

[1] http://www.standaard.be/cnt/dmf20130709_00652083

[2] C. De Timmerman, Aeroakoestische karakterisatie van linermaterialen gebaseerd op multipoortmetingen, Masterproef, KU Leuven, 2015.