Measurements in a reverberation chamber use spatially averaged squared pressure to calculate sound absorption, sound power, and other sound measurements. While a reverberation chamber provides an approximation of a diffuse sound field, variations in the measurements introduce uncertainty in measurement results. Room qualification procedures require a sufficient number of source-receiver locations to obtain suitable measurements. The total acoustic energy density provides greater spatial uniformity than squared pressure, which requires fewer source-receiver positions to produce similar or better accuracy in measurement results. This paper explores the possibility of using energy density in place of squared pressure, using methods outlined in current ISO standards, by describing several experimental and analytical results.

Nearfield Acoustical Holography (NAH) is an acoustic field visualization technique that can be used to reconstruct three-dimensional (3-D) acoustic fields by projecting two-dimensional (2-D) data measured on a hologram surface. However, linear NAH algorithms developed and improved by many researchers can result in significant reconstruction errors when they are applied to reconstruct 3-D acoustic fields that are radiated from a high-level noise source and include significant nonlinear components. Here, planar, nonlinear acoustical holography procedures are developed that can be used to reconstruct 3-D, nonlinear acoustic fields radiated from a high-level noise source based on 2-D acoustic pressure data measured on a hologram surface. The first nonlinear acoustic holography procedure is derived for reconstructing steady-state acoustic pressure fields by applying perturbation and renormalization methods to nonlinear, dissipative, pressure-based Westervelt Wave Equation (WWE). The nonlinear acoustic pressure fields radiated from a high-level pulsating sphere and an infinite-size, vibrating panel are used to validate this procedure. Although the WWE-based algorithm is successfully validated by those two numerical simulations, it still has several limitations: (1) Only the fundamental frequency and its second harmonic nonlinear components can be reconstructed; (2) the application of this algorithm is limited to mono-frequency source cases; (3) the effects of bent wave rays caused by transverse particle velocities are not included; (4) only acoustic pressure fields can be reconstructed. In order to address the limitations of the steady-state, WWE-based procedure, a transient, planar, nonlinear acoustic holography algorithm is developed that can be used to reconstruct 3-D nonlinear acoustic pressure and particle velocity fields. This procedure is based on Kuznetsov Wave Equation (KWE) that is directly solved by using temporal and spatial Fourier Transforms. When compared to the WWE-based procedure, the KWE-based procedure can be applied to multi-frequency source cases where each frequency component can contain both linear and nonlinear components. The effects of nonlinear bent wave rays can be also considered by using this algorithm. The KWE-based procedure is validated by conducting an experiment with a compression driver and four numerical simulations. The numerical and experimental results show that holographically-projected acoustic fields match well with directly-calculated and directly-measured fields.

We consider fast computation methods for simulation of dynamics of a collection of particles dispersed in an unbounded Stokesian suspension. Stokesian suspensions are of great practical interest in the manufacturing and processing of various commercial products. The most popular dynamic simulation method for these kind of suspensions was developed by Brady and Bossis (Brady and Bossis [1988]). This method uses a truncated multipole expansion to represent the fluid traction on particle surfaces. The hydrodynamic interactions in Stoke-sian suspension are long ranged in nature, resulting in strong coupled motion of all particles. For an N particle system, this method imposes an O(N3) computational cost, thus posing limitations to the number of particles that may be simulated. More recent methods (Sierou and Brady [2001], Scintilla, Darve and Shaqfeh [2005]) have attempted to solve this problem using Particle Mesh Ewald summation techniques by distributing the moments on a grid and using Fast Fourier Transform algorithms, resulting in an O(N log N) computational cost. We review these methods and propose a version that we believe is some-what superior. In the course of this study, we have identified and corrected errors in previous studies that maybe of some importance in determining the bulk properties of suspensions. Finally, we show the utility of our method in determining certain properties of suspensions and compare them to existing analytical results for the same.

Recent advances in near-field acoustical holography (NAH) have expanded the theory to interior spaces where multiple sources and/or reflections are present. In 1990, Tamura presented the spatial Fourier transform separation method to measure the reflection coefficient at oblique angles using two measurement planes in the wave number domain. This paper adapts the spatial Fourier transform separation method for application in interior NAH. A practical exploration of important experimental parameters is performed, which include the relative amplitudes of primary and disturbing sources, the measurement plane separation distance, and an acceptable noise floor. This technique is successfully applied in a reverberant environment to reconstruct the velocity of a clamped vibrating plate. NAH methods based on the measurement of pressure and particle velocity have led to the ability to reduce the required measurement locations. Other recent advances in NAH have expanded the theory to interior spaces where multiple sources and/or reflections are present. This paper investigates the use of interpolation techniques to reduce the required measurement locations for interior NAH. Specifically, the benefits of a bi-cubic Hermite surface patch interpolation are discussed and compared to other interpolation routines. Although the required inputs for the Hermite interpolation can be measured using a variety of devices, a scanning six-microphone probe in a tetrahedral configuration is suggested. The six microphones are utilized to simultaneously sample pressure on two parallel planes and estimate the pressure gradients on both of these planes. The two interpolated measurement holograms are used to separate the incoming and outgoing waves using the spatial Fourier-transform method. Analytical simulations of simply supported plates are shown as well as experimental results in a reverberation room to characterize the reduction in measurement locations. Depending on the spatial frequency of the hologram, a measurement location reduction of 20–80% was observed.

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.

La presente investigación se desarrolló en Compañía Minera Cerro de Pasco (CMCP) donde se busca aplicar el uso del Plasma como agente de fragmentación de macizo rocoso en sectores productivos de la mina cercanas a zonas de expansión urbanas. La finalidad del estudio consiste en comparar los valores de Velocidad Pico Partícula (VPP) entre el uso de Plasma Frag Be vs el ANFO a una distancia promedio igual en ambos casos. En tal sentido, se construye el modelo matemático Imperialist Competitive Algorithm (ICA) – linear, el cual permite estimar valores de VPP y a su vez modificar las variables de entrada como el burden, el espaciamiento, la longitud de taco, el factor de carga, la cantidad máxima de Plasma por disparo y la distancia entre el punto de fragmentación y la ubicación del sismógrafo. El modelo ICA-linear queda validado mediante la aplicación de 4 indicadores de rendimiento estadísticos los cuales son: el coeficiente de determinación, el error cuadrático medio, el error absoluto medio y el error porcentual absoluto medio cuyos resultados son 0.817, 5.001, 1.979 y 14% respectivamente. Los resultados de comparar los valores de VPP a una distancia promedio de 172 metros como se determinó según el estudio, en el caso del Plasma Frag Be los valores estimados son nulos, es decir no se registrarán valores a dicha distancia, mientras que en el caso del ANFO los registros muestran un valor promedio de 8.802 mm/s para la misma distancia mencionada, lo cual demuestra que los valores de VPP en el caso del uso del Plasma como fragmentador de macizo rocoso son considerablemente menores que cuando se utiliza ANFO. / The present research was developed at Compañía Minera Cerro de Pasco (CMCP) where the aim is to apply the use of Plasma as a rock fragmentation agent in productive sectors of the mine close to urban expansion areas. The purpose of the study is to compare the values of Peak Particle Velocity (PPV) between the use of Plasma Frag Be vs ANFO at an equal average distance in both cases. In this sense, the Imperialist Competitive Algorithm (ICA) - linear mathematical model is built, which allows estimating PPV values and in turn modifying the input variables such as the burden, spacing, stemming, power factor, maximum charge of Plasma per delay and the distance from the blast-point to the seismograph. The ICA-linear model is validated by applying 4 statistical performance indicators which are: the determination coefficient, the mean square error, the mean absolute error and the mean absolute percentage error whose results are 0.817, 5.001, 1.979 and 14% respectively. The results of comparing the PPV values at an average distance of 172 meters as determined by the study, in the case of Frag Be Plasma the estimated values are zero, that is, no values will be recorded at that distance, while in the case of ANFO the records show an average value of 8,802 mm/s for the same distance mentioned, which shows that the PPV values in the case of the use of Plasma as a rock mass fragmentation device are considerably lower than when ANFO is used. / Tesis

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.

The combination of a video camera with an acoustic vector sensor (AVS) opens new possibilities in environment awareness applications. The goal of this thesis is the design of an algorithm for detection and tracking of low-flying aircraft using a multi-coordinate VAUDEO system. A commercial webcam placed in line with an AVS in a ground array are used to record real low-flying aircraft data at Teuge international airport. Each frame, the algorithm analyzes a matrix of three orthogonal acoustic particle velocity signals and one acoustic pressure signal using the Singular Value Decomposition to estimate the Direction of Arrival, DoA of propeller aircraft sound. The DoA data is then applied to a Kalman filter and its output is used later on to narrow the region of video frame processed. Background subtraction is applied followed by a Gaussian-weighted intensity mask to assign high priority to moving objects which are closer to the sound source estimated position. The output is applied to another Kalman filter to improve the accuracy of the aircraft location estimation. The performance evaluation of the algorithm proved that it is comparable to the performances of state-of-the-art video alone based algorithms. In conclusion, the combination of video and directional audio increases the accuracy of propeller aircraft detection and tracking comparing to reported previous work using audio alone. / +593 980826278