Was verursacht das "Knurren" einiger großer Turbofans beim Startschub?

Es gibt einige (alle?) große Turbofans, die beim Startschub ein deutliches "Knurren" (manche Leute nennen es ein "Buzzsaw" -Geräusch) abgeben. Was verursacht es? Ich habe gesehen, wie es (wie in dieser Frage ) erklärt wurde, als die Lüfterblattspitzen transschallartig werden, aber es berücksichtigt nicht die Tonhöhe, oder so glaube ich. Ein Hauptlüfter hat ungefähr 20 oder 30 Flügel und muss sich bei Startleistung mit mehreren tausend U / min drehen (möglicherweise in der Größenordnung von 4.000); Eine Blattspitze würde dann einen bestimmten festen Punkt mit etwa 80.000 (oder mehr) pro Minute oder 1.300 (oder mehr) pro Sekunde passieren.

Das musikalische mittlere C liegt nur bei etwa 260 Hz, daher sollte jedes Klingengeräusch wie ein hohes Heulen und nicht wie ein tiefes Knurren klingen. Sie können oft „Beat“-Geräusche hören, die von zwei oder mehr Motoren stammen, die mit fast der gleichen Geschwindigkeit laufen, aber das Knurren der Kreissäge ist deutlich anders. Was verursacht also diesen Ton in dieser Tonhöhe?

Dies ist eine sehr wissenschaftliche Frage, keine reine Luftfahrtfrage, also glaube ich, dass sie auf physical.se stehen sollte
@Ben Aviation basiert eigentlich auf Wissenschaft, Physik, Mathematik, Aerodynamik, Materialwissenschaft, Aeroelastik, Strukturtechnik und einigen anderen.
@Koyovis natürlich, aber im Kern geht es bei dieser Frage um Klangphysik, ein Thema, das eher in Physics.se als auf dieser Website behandelt wird.
@Ben Nur weil etwas woanders zum Thema gehört, heißt das nicht, dass es hier nicht zum Thema gehört. Es hängt auch von der Art der gewünschten Antwort ab (bei Physics.SE erhalten Sie eine ganz andere Perspektive).

Antworten (2)

Der Lüfter erzeugt eine breite Palette von Obertönen, die bis in das untere Klangspektrum absteigen. Dieser Artikel befasst sich mit der Schalldämmung einer Turbofan-Hülle und enthält Schallmessungen eines tatsächlichen Turbofans in einer Bodeninstallation bei voller TO-Leistung:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Der Artikel scheint von Google aus dem Russischen ins Englische übersetzt worden zu sein, aber die gemachten Beobachtungen sind sehr gültig:

Bei Leistungsregimen mit Machzahl M > 1 an der Peripherie des Laufrads tritt ein gut beobachtetes Stoßwellengeräusch auf, das auf Oberschwingungen der Rotorfrequenz erscheint, das im Frequenzbereich zwischen der ersten Rotorfrequenz und dem Lüfter-BPF zu sehen war. Stoßwellengeräusche haben aufgrund des verwendeten Lemniskaten-Einlaufkanals ohne Auskleidung und Taillierung einen hohen Schallleistungspegel.

Wir gehen davon aus, dass mit "Taillieren" gemeint ist: Aufbringen einer variierenden Querschnittsform (Taille). Die blauen Linien im Diagramm sind die Harmonischen der Rotorfrequenz. Es gibt 16 davon in den ersten 1200 Hz, in einer linearen Skala bedeutet dies, dass der Abstand zwischen blauen Linien 75 Hz beträgt.

Deutliche Schallspitzen finden sich in Intervallen von 75 Hz, unmittelbar beginnend bei der ersten harmonischen Linie von 75 Hz. Beachten Sie, dass die Fan Blade Passing Frequency bei etwa 2.500 Hz liegt, das Frequenzspektrum unterhalb des Fan BPF jedoch recht dicht besetzt ist. Der dominante Schall, der am Boden von einem Flugzeug-Turbofan beobachtet wird, ist natürlich abhängig von der Position, Entfernung, Einlassform, Schallschutzmaßnahmen usw. usw. Es ist sehr sinnvoll, wenn die meisten Schallschutzanstrengungen in das lauteste Spektrum investiert werden, und dass die leisen Brummtöne als eine niedrige Priorität für die Unterdrückung angesehen werden, da sie nicht sehr störend sind.

"Buzzsaw Noise", wie allgemein definiert, wird durch die Stoßwellen von den Trans-Sonic-Lüfterblattspitzen verursacht, wie in der Antwort von @Koyovis sowie in der verknüpften Antwort beschrieben.

Ihre Frage scheint sich auf die Niederfrequenzkomponente des Schalls zu konzentrieren, und Sie weisen zu Recht darauf hin, dass die Durchgangsfrequenz der Lüfterflügel in der Größenordnung von 1 kHz liegt.

Es gibt eine weitere Geräuschquelle, die vom Motor erzeugt wird und oft in der Kabine zu hören ist, und diese wird durch die Vibration des Lüfterrotors verursacht. Wenn der Lüfter nicht perfekt ausbalanciert ist (und er ist niemals perfekt), verursacht die Unwucht eine Vibration bei der Rotationsfrequenz des Lüfters. Dies ist mit ziemlicher Sicherheit der 75-Hz-Grundton in dem von @Koyovis verlinkten Artikel. Die Rotordrehzahl variiert mit der Größe des Triebwerks, 45 Hz für ein großes wie bei einer 777, bis zu 100 - 200 Hz für kleine Regionaljets.

Diese Vibrationsenergie wird als strukturelle Vibration durch die Triebwerksstruktur, durch den Pylon und den Flügel übertragen und bewirkt dann, dass der Rumpf selbst mit dieser Frequenz vibriert. Dadurch wird das Innere der Kabine zu einem gigantischen Lautsprecher, bei der Rotorfrequenz.

Triebwerks- und Flugzeughersteller versuchen, dieses Geräusch zu kontrollieren, indem sie die Triebwerke gut ausbalanciert halten und versuchen, die durch den Flügel übertragene Kraftmenge zu minimieren.

Aber auch hier sollten Vibrationen aufgrund von Unwuchten mit der gleichen Frequenz wie die Wellendrehzahl (45 Hz, wie Sie sagen) sinusförmig sein. Das würde nicht als „Buzzsaw“-Geräusch wahrgenommen werden, sondern eher als Grollen, nicht wahr?
Vibrationen aufgrund von Unwucht sind sinusförmig mit der gleichen Frequenz wie die Wellendrehung, ja. Aber ich glaube nicht, dass das als "Grollen" empfunden wird. Das mag aber subjektiv sein. Gehen Sie zu szynalski.com/tone-generator und erzeugen Sie eine 75-Hz-Sinuswelle (oder so niedrig, wie Ihr Soundsystem geht). Klingt das für Sie wie ein Rumpeln?
Was verursacht das "Knurren" einiger großer Turbofans beim Startschub?
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