Method for the analysis of sound sources in rotating systems

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Ennes Sarradj
• Subject Area: Acoustics
• Term: from 2018 to 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 407161744

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

Rotierende Teile an Maschinen sind bedeutende Verursacher von Lärm. Ein wesentlicher Schlüssel für Fortschritte im Verständnis der Lärmentstehung sind experimentelle Untersuchungen, die geeignet sind, Zusammenhänge zwischen Betriebsparametern der Maschine oder Eigenschaften des Rotors und den verschiedenen Schallentstehungsmechanismen aufzudecken. Während häufig ersatzweise auf Untersuchungen im nicht rotierenden System zurückgegriffen wird, lassen sich viele Fragen jedoch nur anhand der Untersuchung am rotierenden System klären. Deshalb hatte das Vorhaben zum Ziel, ein neuartiges experimentelles Verfahren zu entwickeln, das detaillierte Messungen von Ort, Art und Stärke der Schallentstehung bei Rotoren ermöglicht. Basis hierfür ist dabei die Messung mit einem ortsfesten, nicht rotierenden Mikrofonarray. Wegen der bei verschiedenen Anwendungsfällen unterschiedlichen Anforderungen wurde das Verfahren modular aufgebaut und verschiedene Modelle für Schallquellen, verschiedene Schallausbreitungsmodelle und verschiedenen mathematische Lösungsverfahren für das zugrunde liegende inverse Problem implementiert. Neben der Implementierung der Auswertealgorithmen, die quelloffen in der Python-Bibliothek Acoular zur Verfügung gestellt wurde, umfasste das Vorhaben auch die Produktion einer großen Anzahl synthetischer Datensätze, um die verschiedenen implementierten Verfahren zu validieren und ihre Zuverlässigkeit zu bewerten. Für die praktische Beurteilung der Verfahrensergebnisse wurden zwei Experimente durchgeführt, bei denen eine rotierende Lautsprecherzeile sowie ein Axialventilator mit 5 Schaufeln in jeweils unterschiedlichen Konfigurationen mit verschiedenen Mikrofonarrays untersucht wurden. Es konnte dabei nachgewiesen werden, dass die jeweiligen Schallquellen mit hoher Zuverlässigkeit charakterisiert werden. Die in den Experimenten generierten Datensätze wurden jeweils im offentlich zugänglichen Repositorium Depositonce zur Verfügung gestellt. Zu den wichtigsten neuen Ergebnisses des Vorhabens gehören: eine neue Methode, mit der andere als ringförmige Mikrofonarray-Anordnungen für rotierende Quellen verwendet werden können, die Implementierung inverser Methoden für die Charakterisierung rotierender Schallquellen, die gleichzeitige Berücksichtigung von Strömung und virtueller Rotation bei der Schallausbreitung, ein Verfahren zur Bestimmung der Richtcharakteristik rotierender Quellen im rotierenden Koordinatensystem, ein Verfahren zur drehwinkelabhängigen Auflösung der Ergebnisse sowie ein statistisch abgesicherter Vergleich der Qualität der Ergebnisse verschiedener Verfahren zur Charakterisierung rotierender Schallquellen.

Publications

• “An efficient ray tracing approach for beamforming on rotating sources in the presence of flow”. In: Proceedings of the 8th Berlin Beamforming Conference, March 2-3 2020. 2020, S. 1–9
  Ennes Sarradj, Simon Jekosch und Gert Herold
  
• “An Extension of the Virtual Rotating Array Method Using Arbitrary Microphone Configurations for the Localization of Rotating Sound Sources”. In: Acoustics 2.2 (2020), S. 330–342
  Simon Jekosch und Ennes Sarradj
  
• “Detection of rotational speeds of sound sources based on array measurements”. In: Applied Acoustics 157 (2020), S. 107002
  Gert Herold und Ennes Sarradj
  
• “Virtual rotating array methods for arbitrary microphone configurations”. In: Proceedings of the 8th Berlin Beamforming Conference, March 2-3 2020. 2020
  Simon Jekosch, Gert Herold und Ennes Sarradj
  
• “An Inverse Microphone Array Method for the Estimation of a Rotating Source Directivity”. In: Acoustics 3.3 (2021), S. 462–472
  Simon Jekosch und Ennes Sarradj
  
• “Charakterisierung der Performance von inversen Mikrofonarrayverfahren für rotierende Schallquellen”. In: Fortschritte der Akustik - DAGA 2021 : 47. Deutsche Jahrestagung für Akustik. Deutsche Gesellschaft für Akustik, 2021. ISBN: 978-3-939296-17-1
  Simon Jekosch, Adam Kujawski und Ennes Sarradj
  
• “Separate Detektion von Schallquellen an gegenläufigen Rotoren”. In: Fortschritte der Akustik - DAGA 2021 : 47. Deutsche Jahrestagung für Akustik. Deutsche Gesellschaft für Akustik, 2021. ISBN: 978-3-939296-17-1
  Gert Herold und Ennes Sarradj