Akustische Wirkmechanismen eines Helmholtz-Resonator-Liners mit flexiblen Strukturelementen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ennes Sarradj, seit 9/2023
• Fachliche Zuordnung: Akustik ; Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 416728553

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Um den Lärm von modernen Flugzeugtriebwerken effektiv zu dämpfen können Helmholtz­Resonatoren mit flexiblen Platten kombiniert werden. Im Rahmen dieses Forschungsvorhanbens wurden die Wirkmechanismen dieses Resonatorkonzepts untersucht und ein analytisches Modell erstellt um die Dämpfungseigenschaften eines Helmholtz-Resonator-Liners mit zusätzlichen Strukturelementen zu beschreiben und vorherzusagen. Hierfür wurde ein modulares Ein-Kammer­System dieses neuartigen Schalldämpferkonzepts entworfen, gefertigt und sowohl experimentell, als auch numerisch und analytisch untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass verschiedene Plattenmaterialien mit möglichst geringer Biegesteife das Dämpfungsverhalten verbreitern und tieffrequent ergänzen können. Die Helmholtz-Resonanz wird hierbei zu niedrigen Frequenzen verschoben, wenn die dominante Strukturresonanz nahe, aber oberhalb jener liegt und umgekehrt. Die Position und Orientierung der flexiblen Platte sind irrelevant; eine größere Rückkavität verschiebt die Strukturresonanz zu tieferen Frequenzen und die Anzahl der flexiblen Wände verstärkt den dissipativen Effekt und verschiebt ihn ebenfalls zu tieferen Frequenzen. Mithilfe eines Vibrometeraufbaus konnte gezeigt werden, dass im runden Fall nur die radialen Modenformen angeregt werden und die Platte insbesondere bei niedrigen Betriebseigenschwingformen nahe der Helmholtz-Resonanz stark schwingt. Für einen effektiven Einsatz müssen die Struktureigenresonanzen somit möglichst niedrige Ordnung besitzen und nahe der Helmholtz-Resonanz liegen. Mithilfe des im Rahmen dieses Projekte entwickelten analytischen Modells kann der Beitrag der verschiedenen Dämpfungsquellen, also der Kavitätswände, der flexiblen Wand und des Perforats quantifiziert werden. Hierbei zeigte sich, dass die flexible Wand das Resonanzverhalten verbessern kann und je nach Materialdämpfung auch substantiell für zusätzliche Dämpfung sorgt. Es konnte gezeigt werden, dass in einem Resonator-Array die Dämpfungswirkung sowohl der flexiblen Platte als auch der Helmholtz-Resonanz verstärkt werden. Bei hohen Schalldrücken und Hintergrundströmung dominiert die Dämpfungswirkung (Wirbel- bzw. Strömungsablösung) des Perforats und das System verhält sich ähnlich eines konventionellen Helmholtz-Resonator-Liners. Dieses Verhalten ist insbesondere von der Porosität des Lochblechs abhängig. Die Projektergebnisse ermöglichen eine Weiterentwicklung des Konzepts hin zum Produkteinsatz in zukünftigen Flugzeugtriebwerken oder anderen Strömungskanälen wo eine tieffrequente Dämpfung bei geringem Platzbedarf gefordert ist.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• „Analytische und experimentelle Modellierung eines über flexible Wände gekoppelten Helmholtz-Resonators". Deutsche Gesellschaft für Akustik e.V. (DEGA). DAGA 2021 - 47. Jahrestagung für Akustik, 15. - 18. August 2021, Wien, Österreich
  Fleming Kohlenberg; Julia Genßler; Friedrich Bake; Karsten Knobloch & Lars Enghardt
  
• „Ei modularisierter Versuchsträger für experimentelle Untersuchungen an Helmholtz­Resonatoren mit flexiblen Wänden". Deutsche Gesellschaft für Akustik. DAGA 2021, 15. - 18. Aug. 2021, Wien, Österreich
  Julia Genßler; Fleming Kohlenberg; Friedrich Bake; Karsten Knobloch & Lars Enghardt
  
• Experimental and Numerical Investigation of Novel Acoustic Liners and Their Design for Aero-Engine Applications. Aerospace, 10(1), 5.
  Neubauer, Moritz; Genßler, Julia; Radmann, Vincent; Kohlenberg, Fleming; Pohl, Michael; Böhme, Kurt; Knobloch, Karsten; Sarradj, Ennes; Höschler, Klaus; Modler, Niels & Enghardt, Lars
  
• Modelling of Acoustic Liners Consisting of Helmholtz Resonators Coupled with a Second Cavity by Flexible Walls. 28th AIAA/CEAS Aeroacoustics 2022 Conference.
  Kohlenberg, Fleming; Schulz, Anita; Enghardt, Lars & Knobloch, Karsten
  
• Experimental and Numerical Analysis of the Vibro-Acoustic Behavior of a Helmholtz Resonator with a Flexible Wall. AIAA AVIATION 2023 Forum.
  Kohlenberg, Fleming; Radmann, Vincent; Genßler, Julia; Enghardt, Lars & Knobloch, Karsten
  
• Experimental Investigations of Flexible Wall Effects in Helmholtz Resonators for Aircraft Engine Acoustic Liners. AIAA AVIATION 2023 Forum.
  Genßler, Julia; Kohlenberg, Fleming; Knobloch, Karsten & Enghardt, Lars
  
• Modeling of Advanced Helmholtz Resonator Liners with a Flexible Wall. AIAA Journal, 61(7), 3108-3118.
  Kohlenberg, Fleming; Schulz, Anita; Enghardt, Lars & Knobloch, Karsten