The study of normal impedance of perforated plate acoustic liners including the effect of bias flow was studied. Two impedance models were developed, by modeling the internal flows of perforate orifices as infinite tubes with the inclusion of end corrections to handle finite length effects. These models assumed incompressible and compressible flows, respectively, between the far field and the perforate orifice. The incompressible model was used to predict impedance results for perforated plates with percent open areas ranging from 5% to 15%. The predicted resistance results showed better agreement with experiments for the higher percent open area samples. The agreement also tended to deteriorate as bias flow was increased. For perforated plates with percent open areas ranging from 1% to 5%, the compressible model was used to predict impedance results. The model predictions were closer to the experimental resistance results for the 2% to 3% open area samples. The predictions tended to deteriorate as bias flow was increased. The reactance results were well predicted by the models for the higher percent open area, but deteriorated as the percent open area was lowered (5%) and bias flow was increased. A fit was done on the incompressible model to the experimental database. The fit was performed using an optimization routine that found the optimal set of multiplication coefficients to the non-dimensional groups that minimized the least squares slope error between predictions and experiments. The result of the fit indicated that terms not associated with bias flow required a greater degree of correction than the terms associated with the bias flow. This model improved agreement with experiments by nearly 15% for the low percent open area (5%) samples when compared to the unfitted model. The fitted model and the unfitted model performed equally well for the higher percent open area (10% and 15%). / Ph. D.

Um Flugzeugtriebwerke und stationäre Gasturbinen schadstoffärmer und leiser zu gestalten, werden effizientere Dämpfer zur Unterdrückung des in der Brennkammer entstehenden Schalls benötigt. Hierfür sollen durchströmte, perforierte Wandauskleidungen eingesetzt werden, die sogenannten Bias-Flow-Liner (BFL). Die Erhöhung der Dämpfungseffizienz von BFL erfordert jedoch ein tiefer gehendes Verständnis der aeroakustischen Dämpfungsmechanismen. Die Analyse der Mechanismen bedarf einer experimentellen Untersuchung des Vektorfeldes der Fluidgeschwindigkeit, die sowohl die Strömungsgeschwindigkeit als auch die Schallschnelle enthält. Zur gleichzeitigen Erfassung beider Größen wird eine berührungslose sowie örtlich und zeitlich hoch aufgelöste Messung der Geschwindigkeit von im Mittel 10 m/s bis 100 m/s bei einer Unsicherheit von maximal 10 mm/s für die Schallschnelleamplitude und einem Dynamikumfang von 1000 bis 10 000 benötigt. Für diese Messung sind optische Verfahren vielversprechend, genügten aber bisher nicht diesen Anforderungen. Deshalb wurden im ersten Schritt neuartige optische Geschwindigkeitsmessverfahren erstmals bezüglich der Eignung für aeroakustische Untersuchungen am BFL, speziell hinsichtlich der Unsicherheit und des Dynamikumfangs, charakterisiert: der Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor (LDV-PS), die akustische Particle Image Velocimetry (A-PIV) und die Doppler-Global-Velozimetrie mit Frequenzmodulation (FM-DGV). Aus dem Messunsicherheitsbudget geht für alle Verfahren die turbulente Strömungsfluktuation als dominierender Beitrag zur Unsicherheit für die gemessene Schnelleamplitude hervor, wobei die Unsicherheit durch eine Erhöhung der Messdauer gesenkt werden kann. Für eine Messdauer von 80 s beträgt die mittels FM-DGV erzielte Unsicherheit bei einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit von 100 m/s beispielsweise 10 mm/s, woraus ein Dynamikumfang von 10 000 resultiert. Demnach erfüllen die neuartigen Verfahren die Voraussetzungen für die Anwendung am BFL, was im zweiten Schritt experimentell demonstriert wurde. Hierbei wurde zwecks Untersuchung kleiner Strukturen der LDV-PS mit einer feinen Ortsauflösung von minimal 10 µm genutzt. Ferner wurde die großflächige Erfassung mittels A-PIV zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen den Perforationslöchern eingesetzt und eine spektrale Untersuchung der mittels FM-DGV gemessenen Geschwindigkeit bei einer hohen Messrate von 100 kHz durchgeführt. Im Ergebnis wurden folgende Erkenntnisse zum Dämpfungsverhalten gewonnen: Am BFL tritt eine Interaktion von Strömung und Schall auf, die zu einer Oszillation der Geschwindigkeit mit hoher Amplitude bei der Schallanregungsfrequenz führt. Aus der erstmals durchgeführten Zerlegung der volumetrisch gemessenen Geschwindigkeit in Strömungsgeschwindigkeit und Schallschnelle resultiert, dass die akustisch induzierte oszillierende Geschwindigkeit vorwiegend dem Strömungsfeld zuzuordnen ist. Folglich wurde ein Energietransfer vom Schallfeld ins Strömungsfeld am BFL nachgewiesen, der wegen des sich typischerweise anschließenden Zerfalls von Strömungswirbeln und der finalen Umwandlung in Wärmeenergie zur Dämpfung beiträgt. Zudem wurde mittels spektraler Analyse der Geschwindigkeit ein breitbandiger Energiezuwachs bei tonaler Schallanregung festgestellt, welcher mit der Dämpfungseffizienz korreliert ist. Somit wird die These der primär von der akustisch induzierten Wirbelbildung herrührenden Dämpfung gestützt. Diese mit den neuartigen optischen Messverfahren gewonnenen Erkenntnisse tragen perspektivisch zur Optimierung von BFL hinsichtlich einer hohen Dämpfungseffizienz bei.

Um Flugzeugtriebwerke und stationäre Gasturbinen schadstoffärmer und leiser zu gestalten, werden effizientere Dämpfer zur Unterdrückung des in der Brennkammer entstehenden Schalls benötigt. Hierfür sollen durchströmte, perforierte Wandauskleidungen eingesetzt werden, die sogenannten Bias-Flow-Liner (BFL). Die Erhöhung der Dämpfungseffizienz von BFL erfordert jedoch ein tiefer gehendes Verständnis der aeroakustischen Dämpfungsmechanismen. Die Analyse der Mechanismen bedarf einer experimentellen Untersuchung des Vektorfeldes der Fluidgeschwindigkeit, die sowohl die Strömungsgeschwindigkeit als auch die Schallschnelle enthält. Zur gleichzeitigen Erfassung beider Größen wird eine berührungslose sowie örtlich und zeitlich hoch aufgelöste Messung der Geschwindigkeit von im Mittel 10 m/s bis 100 m/s bei einer Unsicherheit von maximal 10 mm/s für die Schallschnelleamplitude und einem Dynamikumfang von 1000 bis 10 000 benötigt. Für diese Messung sind optische Verfahren vielversprechend, genügten aber bisher nicht diesen Anforderungen. Deshalb wurden im ersten Schritt neuartige optische Geschwindigkeitsmessverfahren erstmals bezüglich der Eignung für aeroakustische Untersuchungen am BFL, speziell hinsichtlich der Unsicherheit und des Dynamikumfangs, charakterisiert: der Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor (LDV-PS), die akustische Particle Image Velocimetry (A-PIV) und die Doppler-Global-Velozimetrie mit Frequenzmodulation (FM-DGV). Aus dem Messunsicherheitsbudget geht für alle Verfahren die turbulente Strömungsfluktuation als dominierender Beitrag zur Unsicherheit für die gemessene Schnelleamplitude hervor, wobei die Unsicherheit durch eine Erhöhung der Messdauer gesenkt werden kann. Für eine Messdauer von 80 s beträgt die mittels FM-DGV erzielte Unsicherheit bei einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit von 100 m/s beispielsweise 10 mm/s, woraus ein Dynamikumfang von 10 000 resultiert. Demnach erfüllen die neuartigen Verfahren die Voraussetzungen für die Anwendung am BFL, was im zweiten Schritt experimentell demonstriert wurde. Hierbei wurde zwecks Untersuchung kleiner Strukturen der LDV-PS mit einer feinen Ortsauflösung von minimal 10 µm genutzt. Ferner wurde die großflächige Erfassung mittels A-PIV zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen den Perforationslöchern eingesetzt und eine spektrale Untersuchung der mittels FM-DGV gemessenen Geschwindigkeit bei einer hohen Messrate von 100 kHz durchgeführt. Im Ergebnis wurden folgende Erkenntnisse zum Dämpfungsverhalten gewonnen: Am BFL tritt eine Interaktion von Strömung und Schall auf, die zu einer Oszillation der Geschwindigkeit mit hoher Amplitude bei der Schallanregungsfrequenz führt. Aus der erstmals durchgeführten Zerlegung der volumetrisch gemessenen Geschwindigkeit in Strömungsgeschwindigkeit und Schallschnelle resultiert, dass die akustisch induzierte oszillierende Geschwindigkeit vorwiegend dem Strömungsfeld zuzuordnen ist. Folglich wurde ein Energietransfer vom Schallfeld ins Strömungsfeld am BFL nachgewiesen, der wegen des sich typischerweise anschließenden Zerfalls von Strömungswirbeln und der finalen Umwandlung in Wärmeenergie zur Dämpfung beiträgt. Zudem wurde mittels spektraler Analyse der Geschwindigkeit ein breitbandiger Energiezuwachs bei tonaler Schallanregung festgestellt, welcher mit der Dämpfungseffizienz korreliert ist. Somit wird die These der primär von der akustisch induzierten Wirbelbildung herrührenden Dämpfung gestützt. Diese mit den neuartigen optischen Messverfahren gewonnenen Erkenntnisse tragen perspektivisch zur Optimierung von BFL hinsichtlich einer hohen Dämpfungseffizienz bei.

This thesis is motivated by the need for noise control in aircraft engine with orifices and perforated liner. The presence of high-level acoustic excitation, different flow situations either bias flow, grazing flow or any combination in the aircraft engine, makes the acoustic behavior complex due to the interaction between sound and flow over the lined wall. Both systematic acoustic prediction of aircraft engines and liner optimization necessitate progress in impedance measurement methods by including the effect of the complex flow situations. The aim of the present thesis is to experimentally study the change in acoustic properties of orifices and perforated liners under bias or grazing flow. In order to study the effect of different combinations of bias flow and high-level acoustic excitation, an in-duct orifice has been investigated with finely controlled acoustic excitation levels and bias flow speeds. This provides a detailed study of the transition from cases when high-level acoustic excitation causes flow reversal in the orifice to cases when the bias flow maintains the flow direction. Nonlinear impedance is measured and compared, and a scattering matrix and its eigenvalues are investigated to study the potentiality of acoustic energy dissipation or production. A harmonic method is proposed for modelling the impedance, especially the resistance, which captures the change in impedance results at low frequencies compared with experimental results. The presence of grazing flow can increase the resistance of acoustic liners and shift their resonator frequency. So-called impedance eduction technology has been widely studied during the past decades, but with a limited confidence due to the interaction of grazing flow and acoustic waves. A comparison has been performed with different test rigs and methods from the German Aerospace Center (DLR). Numerical work has been performed to investigate the effect of shear flow and viscosity. Our study indicates that the impedance eduction process should be consistent with that of the code of wave propagation computation, for example with the same assumption regarding shear flow and viscosity. A systematic analysis for measurement uncertainties is proposed in order to understand the essentials for data quality assessment and model validation. The idea of using different Mach numbers for wave dispersion and in the Ingard-Myers boundary condition has been tested regarding their effect on impedance eduction. In conclusion, a local Mach number based on friction velocity is introduced and validated using both our own experimental results and those of previous studies. / <p>QC 20150522</p>

In this thesis, the in-duct experimental methods for determining aeroacoustic N-ports of in-duct elements are discussed and improved. The scattering matrix determination methods and the related wave decomposition methods are evaluated from measurements in an empty duct carrying a mean flow. The improvements of a new over-determination method for the source part of the N-port is studied using simulations and measurements; in quiescent air as well as measurements of the flow associated noise of a mixer plate, here a triangular plate inserted at an angle in a duct. The new method is shown to improve suppression of random errors while no improvement is achieved for bias errors.   Further, the methods are applied in the study of two different aeroacoustic phenomena; one is the effect on the flow associated noise of the triangular plate achieved by varying the bending stiffness. For the most resilient plate tested, it is observed that when the Strouhal number of the flow noise coalesce with the Helmholtz number of a specific eigen-mode of the plate, the noise is drastically dampened. There is also a weaker broad band effect.   The other phenomena studied is the amplification and attenuation obtained for sound waves propagating in a T-junction of rectangular ducts. It is found that by adding only 10% of inflow in the side branch relative to that in the main branch, the amplification is heavily increased. By adding another 10% the amplification is again similar to that of no side branch flow. Adding further flow lessens the effects still. / QC 20101118 / Experimental characterization of aero-acoustic sources