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TU Berlin

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Entwicklung eines Triebwerksschallsimulators (TSS)

Konzept, Konstruktion und Fertigung des TSS


In der ersten Projektphase wurde ein Konzept für einen TSS entwickelt [9]. Dieses sah einen Lautsprechercluster vor, welcher zunächst eine kugelförmige Abstrahlcharakteristik aufweisen sollte. Als erstes wurden Lautsprecher nach geeigneter Größe sowie deren akustischen Eigenschaften ausgewählt und vermessen. Ziel war es, einen möglichst kompakten Lautsprechercluster zu realisieren, der jedoch eine gute Schallabstrahlung in einem Frequenzbereich von 50 Hz bis 10 kHz aufweisen sollte. Für die Geometrie des Lautsprecherclusters stellte sich eine Polyederstruktur in Form eines abgestumpften Ikosaeders als geeignet heraus. Diese hat eine kugelförmige Gestalt und besitzt 32 Flächen für die Integration der Lautsprecher. Um eine Beeinflussung der Lautsprecher untereinander zu verhindern, sah die Konstruktion 32 abgeschlossene Kammern vor. Realisiert wurde dies durch die Fertigung einzelner Gehäuseteile in Form von Pyramiden, welche in der Endmontage zusammengefügt wurden. Für den Antrieb der Lautsprecher kamen eigens entwickelte Leistungsverstärker zum Einsatz, welche platzsparend in Form von Einsteckkarten in 4 Gehäusen untergebracht wurden. Auch die Entwicklung und Fertigung dieser Bauteile konnte kostensparend in der hauseigenen Elektronikwerkstatt durchgeführt werden. Abbildung 1 zeigt den Lautsprechercluster und die dazugehörigen Leistungsverstärker.

Abbildung 1: Lautsprechercluster und Leistungsverstärker
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Zum Erfassen des Schallfeldes wurde ein Mikrofonarray bestehend aus 19 Messmikrofonen angeschafft. Entsprechende Mikrofonverstärker mussten ebenfalls entwickelt und gefertigt werden. Die Signalgenerierung sowie –verarbeitung wurde mittels PC und zwei PCI Messkarten von Innovative Integration mit insgesamt 32 analogen Eingängen sowie 32 analogen Ausgängen realisiert. Der schematische Aufbau der TSS-Hardware ist in Abbildung 2 veranschaulicht.

Abbildung 2: TSS-Hardware
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Eine eigens in C++ entwickelte Messsoftware ist für die Signalgenerierung der 32 analogen Kanäle zuständig. Dabei wird eine inverse FFT (iFFT) verwendet, um aus einem vorgegebenen Frequenzspektrum das Zeitsignal zu generieren. Das digitale Zeitsignal wird durch eine D/A-Wandlung mit Hilfe der Messkarten an die Leistungsverstärker ausgegeben. Das verstärkte Signal treibt die Lautsprecher an, welche ein entsprechendes Schallfeld mit einem gewünschten Frequenzspektrum sowie Richtcharakteristik generieren. Dieses 3D-Schallfeld wird zeitgleich mit Hilfe der 19 Messmikrofone erfasst, wobei das Messsignal zuerst mit den Mikrofonverstärkern verstärkt werden muss, bevor es dem PC bzw. Messprogramm mittels A/D-Wandlung in den Messkarten zurückgeführt werden kann. Die Arbeitsweise des Messprogramms ist in Abbildung 3 in Form eines Blockschaltbildes veranschaulicht.

Abbildung 3: Blockschaltbild des Messprogramms
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Die Generierung der 32 Ausgangssignale wird vom Messprogramm auf dem Hauptprozessor (CPU) des Messrechners durchgeführt. Durch Parametervorgaben wie Frequenzen, Amplituden und Phasenlagen wird für jeden einzelnen Kanal ein komplexes Frequenzspektrum generiert. Mit einem komplexen iFFT-Algorithmus wird daraus ein Zeitsignal berechnet, welches im Anschluss über den PCI-Bus zu den Messkarten in einem kontinuierlichen Datenstrom übertragen wird. Zur Gewährleistung der Kontinuität werden die Daten in einem Puffer zwischengespeichert. In den Messkarten werden die Daten in analoge Signale umgewandelt und an die Verstärker weitergeleitet. Da die Signalgenerierung einen hohen Anteil der Prozessorleistung benötigt, wird dagegen ein großer Teil der Signalverarbeitung von den DSP(Digital Signal Processing)-Prozessoren auf den beiden Messkarten übernommen. Hierbei zahlte sich die Investition in hochwertige Messkarten zu Projektbeginn aus. Auf den DSPs der Messkarten wird für jeden Messkanal eine rechenaufwendige FFT durchgeführt und anschließend das berechnete Frequenzspektrum an das Hauptprogramm übermittelt. Hierzu werden die analogen Eingangsdaten digitalisiert und im Speicher der Messkarte (Ringpuffer) als Datenblock abgelegt. Dabei werden immer pro 32-Bit-Speicheradresse zwei 16-Bit-Messwerte, einer im unteren und einer im oberen Speicherbereich, abgelegt. Für jeden Messkanal müssen die Daten entsprechend separiert werden, bevor diese weiterverarbeitet werden können. Nach der Signalverarbeitung wird das logarithmierte Frequenzspektrum wieder in einem Ringpuffer übertragen. Da die Rechenleistung der DSPs für eine kontinuierliche Signalverarbeitung nicht ausreicht, kann diese nur gepulst durchgeführt werden. Sobald der Ringpuffer gefüllt ist, werden die Daten über den PCI-Bus an das Hauptprogramm übergeben. Das Hauptprogramm führt nur noch die Terzanalyse durch, was zu einer erheblichen Datenreduktion führt. Die Terzpegel werden abgespeichert und können für die Optimierung und Auswertung der Abstrahlcharakteristik herangezogen werden. Über einen separaten Nachrichtenkanal können Parameter und Messeinstellungen zwischen dem Hauptprogramm und den Unterprogrammen auf den DSPs ausgetauscht werden. Durch dieses Konzept konnten die Ressourcen des Messsystems optimal genutzt und eine kontinuierliche Signalgenerierung sowie eine gepulste Signalverarbeitung bewerkstelligt werden.

TSS-Abstrahlcharakteristik

Nachdem die Entwicklung der TSS-Hardware und Software abgeschlossen war, wurde die Abstrahlcharakteristik des Systems vermessen. Dabei konnte das erste Ziel, die Realisierung eines isotropen Kugelstrahlers realisiert werden. Abbildung 4 zeigt die TSS-Abstrahlcharakteristik bezüglich Frequenzgang und Richtcharakteristik. Im Bereich von 125 Hz bis 4 kHz findet die beste Schallabstrahlung statt. Zu tieferen bzw. höheren Frequenzen nimmt diese entsprechend ab. Dieser Abfall im Frequenzgang kann jedoch durch eine geeignete Signalmodellierung entgegengewirkt werden. Über den gesamten Winkelbereich findet jedoch eine gleichmäßige Schallabstrahlung statt. Lediglich oberhalb von 8 kHz sind leichte Keulen in 60°-Richtung gemessen worden.

Abbildung 4: TSS-Abstrahlcharakteristik bei rosa Rauschen
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In der zweiten Phase sollte nun durch die Modifikation der einzelnen Lautsprechersignale eine gewünschte Orthotropie erreicht werden, um annähernd das Schallfeld eines realen Triebwerks abbilden zu können. Dieses konnte jedoch nur teilweise für hohe Frequenzen erreicht werden. Abbildung 5 zeigt beispielhaft eine Schallabstrahlung in 60°-Richtung für 4 ausgewählte Frequenzen. Bei hohen Frequenzen (4 kHz und 8 kHz) sind ausgeprägte Keulen zu erkenn. Zu tieferen Frequenzen hin werden diese immer breiter und verschwinden allmählich und nähern sich einer isotropen Abstrahlung an, obwohl bei dieser Messung nur die Lautsprecher in der entsprechenden 60°-Richtung angetrieben wurden.

Abbildung 5: Realisierte Schallabstrahlung in 60°-Richtung
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Diese Untersuchungen zeigten, dass es möglich ist, mit der entwickelten TSS-Konfiguration ansatzweise eine vorgegebene orthotrope Schallabstrahlung zu erzeugen. Jedoch reicht diese bei Weitem nicht aus, um das Schallfeld eines realen Triebwerks zu simulieren. Einerseits müsste die Richtcharakteristik der Einzellautsprecher verbessert werden. Dies könnte beispielsweise mit Hilfe von Hörnern erreicht werden. Entsprechende vielversprechende Untersuchungen wurden ebenfalls durchgeführt, jedoch würde diese Maßnahme zu einer Verdopplung der Abmessung des Lautsprecherclusters führen. Andererseits würde der Einsatz von noch mehr Lautsprechern die Richtcharakteristik des TSS deutlich verbessern. Dies ist jedoch ebenfalls sehr aufwendig, da eine Erweiterung der Ausgangskanäle Investitionen in weitere Messkarten sowie in einen leistungsfähigeren Messrechner voraussetzt. Für eine Nutzung als isotroper Kugelstrahler ist das TSS-System jedoch sehr gut geeignet.

Zusammenfassung

Im Rahmen des Forschungsprojekts konnte das TSS-System, bestehend aus Lautsprechercluster, Mikrofonarray, Leistungs- und Messverstärkern sowie Messrechner mit integrierter A/D- und D/A-Wandlung und Steuersoftware realisiert werden. Durch die Vermessung der Abstrahlcharakteristik konnte eine sehr gute Isotropie nachweisen werden. Lediglich die Erzeugung eines stark orthotropen Schallfeldes, wie es von einem Triebwerk erzeugt wird, gelang nur für hohe Frequenzen. Es wurden Konzepte zur Verbesserung der orthotropen Schallabstrahlung erarbeitet, welche jedoch aus Gründen einer enorm vergrößerten Geometrie des Lautsprecherclusters und der daraus resultierenden Problematik im Handling nicht umgesetzt wurden. Dennoch stellte sich das Messsystem für experimentell Untersuchungen sowohl im Labor als auch an einem realen Flugzeug als geeignet heraus.

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