Messung und Prognose von Ventilatorgeräuschenstroemungsakustik.de/old.mv.fh-duesseldorf.de/d... · • Programmierung einer Messdatenauswertung (Betriebspunktvariation) unter Matlab

Fachhochschule Düsseldorf

Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik

Diplomarbeit

Messung und Prognose von Ventilatorgeräuschen

Bearbeiter:

Ertugrul Sariaslan

Matrikel-Nr.: 367801

Labor für Strömungsmaschinen

Betreuer:

Prof. Dr.-Ing. F. Kameier

Dipl.-Ing. Y. Moutamassik

Dipl.-Ing. D. Reinartz

Düsseldorf, August 2004

FH Düsseldorf, Kameier, Josef-Gockeln-Str. 9, D-40474 Düsseldorf

Thema einer Diplomarbeit

für

Herrn Ertugrul Sariaslan

Matrikel-Nr. 367801

Messung und Prognose von Ventilatorgeräuschen

Ein industrieller Ventilatorenversuchsstand zur aeroakustischen Leistungsvermessung von Ventilatoren ist im Rahmen der Diplomarbeit nach einer Modernisierungsmaßnahme wieder in Betrieb zu nehmen. Die akustischen Messungen erfolgen gemäß dem Kanalverfahren DIN EN 25136 (2003) zu diesem Zweck ist ein Drehkanal für normgerechte Geräuschmessung in den Prüfstand zu integrieren. Ein im Labor für Strömungstechnik entwickeltes modularisiertes LabVIEW Programm zur Steuerung des Drehkanals soll praxisgerecht erprobt werden. Die Auswertung der Geräuschdaten erfolgt unter Matlab. Vorhandene Programme sollen erprobt und hinsichtlich der industriellen Anforderungen sowie einer Geräuschprognose angepasst werden. Die Bearbeitung der Arbeit soll in folgenden Schritten erfolgen: • Erarbeitung eines Projektzeitplans, • Einarbeitung in die Literatur zur Geräuschmessung und zur Geräuschprognose an

Ventilatoren, • Inbetriebnahme des aeroakustischen Ventilatorenprüfstands (Einbau eines

reflexionsarmen Abschlusses und des neuen Drehkanals), • Untersuchung des Einflusses von nicht schallharten Kompensatoren zwischen dem

Drehkanal und der Rohrstrecke, • Vergleich der akustischen Messdaten mit und ohne Umfangsmittelung (in

Abhängigkeit der Frequenz!), • Programmierung einer Messdatenauswertung (Betriebspunktvariation) unter Matlab

(Korrekturen gemäß DIN EN ISO 25136, Drehtöne kappen, Gesamtpegel berechen, Lw über Ma, Rausch-Spektrum prognostizieren).

• Auswertung verschiedener Drehzahlhochfahrten • Zusammenführen der Geräuschdaten „Rauschen“ und „Drehklang“ unter Matlab. • Erstellung einer Dokumentation der Arbeit zur Präsentation im Internet.

FH D Fachhochschule Düsseldorf

Prof. Dr.-Ing. Frank Kameier Labor für Strömungstechnik Fachbereich 4 Maschinenbau und Verfahrenstechnik Josef-Gockeln-Str. 9 40474 Düsseldorf Phone (0211) 4351-448 Fax (0211) 4351-468 E-Mail [email protected] http://ifs.muv.fh-duesseldorf.de

Düsseldorf, den 05.05.2003

Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung ....................................................................................................................................................... 4 2 Prüfstandsaufbau und Messvorkehrungen...................................................................................................... 5

2.1 Messbedingungen..................................................................................................................................... 5 2.2 Unsicherheit des Messverfahrens ............................................................................................................. 5 2.3 Der Prüfstand............................................................................................................................................ 6

2.3.1 Prüfstandsaufbau und Messgeräte.................................................................................................... 7 2.3.2 Ventilator und Gehäuse.................................................................................................................... 9 2.3.3 Aufbau der Kanäle ........................................................................................................................... 9 2.3.4 Strömungsgleichrichter .................................................................................................................... 9 2.3.5 Der Drehkanal................................................................................................................................ 10 2.3.6 Die Brüel&Kjaer-Schlitzrohrsonde................................................................................................ 10 2.3.7 Reflexionsarmer Kanalabschluss ................................................................................................... 10 2.3.8 Der Schalldämpfer ......................................................................................................................... 11 2.3.9 Normblende ................................................................................................................................... 11 2.3.10 Drosselvorrichtung....................................................................................................................... 11

2.4 Durchführung der Messungen ................................................................................................................ 12 2.4.1 Akustische Messungen und Auswertungen ................................................................................... 12 2.4.2 Aerodynamische Messungen ......................................................................................................... 12

3 Voruntersuchung zur Inbetriebnahme des Prüfstandes................................................................................. 14 3.1 Geräusche des Drehkanals...................................................................................................................... 14 3.2 Geräusche durch Undichtigkeiten des Prüfstandes................................................................................. 18 3.3 Ventilatorgeräusche im Bestpunkt im Drehkanal ................................................................................... 20 3.4 Ventilatorgeräusche abweichend vom Bestpunkt................................................................................... 23 3.5 Umfangsverteilung tonaler Geräuschkomponente im Kanal.................................................................. 32 3.6 Ventilatorgeräusche an zwei festen Positionen im Drehkanal................................................................ 35

3.6.1 Untersuchung positionscharakteristischer Merkmale .................................................................... 39 4 Spektrenvergleich zweier Messsysteme ....................................................................................................... 41

4.1 Terzspektrenvergleich zweier Messsysteme........................................................................................... 41 4.2 Schalldruckspektrenvergleich zweier Messsysteme............................................................................... 54

5 Die Messtechnik der Soundkarte .................................................................................................................. 61 5.1 Quantisierung ......................................................................................................................................... 61 5.2 Dynamik ................................................................................................................................................. 62 5.3 Aussteuerung .......................................................................................................................................... 63 5.4 Einstellung für eine unübersteuerte Messung......................................................................................... 64

5.4.1 Messung mit der Terratec EWS88 MT .......................................................................................... 64 5.4.2 Messung mit der DMXX Fire 1024 PCI........................................................................................ 69

6 Einfluss des Gleichrichters auf die Geräuschanalyse ................................................................................... 71 7 Einfluss von nicht schallharten Kompensatoren........................................................................................... 76 8 Der Blendenwechsel ..................................................................................................................................... 81

8.1 Aerodynamischer Vergleich verschiedener Modifikationen .................................................................. 81 8.2 Akustischer Vergleich zwischen dem Blendenwechsel.......................................................................... 83

9 Nah- und Fernfeldspektrenvergleich verschiedener Betriebspunkte ............................................................ 88 10 Das Prognoseverfahren............................................................................................................................. 102

10.1 Vorbereitung für das Prognoseverfahren............................................................................................ 103 11 Zusammenfassung .................................................................................................................................... 108 12 Literatur .................................................................................................................................................... 109 13 Verwendete Formelzeichen ...................................................................................................................... 110 Anhang AA: Umsetzung der Theorie in Dasylab...................................................................................... 112 Anhang AB: Umsetzung der Theorie in Matlab........................................................................................ 114 Anhang B: Bedienungsanleitung für das Programm „Mat_lesen_darstellen_3DAPS.m“...................... 118 Anhang CA: Bedienungsanleitung für das Programm zum Kappen ......................................................... 122 Anhang CB: Die Kappung ........................................................................................................................ 124 Anhang D: Die kombinierte Frequenzgangkorrektur nach DIN EN ISO 5136 ..................................... 125 Anhang E: Die Prüfstandsbedienung ..................................................................................................... 131 Anhang F: Daten der Arbeit................................................................................................................... 132 Anhang G: Die Matlab Programmierung................................................................................................ 134 Anhang GA: Mat_lesen_darstellen_3DAPS.m ......................................................................................... 135 Anhang GB: Mat_kap.m ........................................................................................................................... 142 Anhang GC: Mat_lesen_darstellen_kap.m................................................................................................ 149

1 Einleitung 4

Fachhochschule Düsseldorf Diplomarbeit 2004, Sariaslan Ertugrul

1 Einleitung

Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit wird ein neu aufgebauter

Versuchsstand, der neben einer aerodynamischen Vermessung auch die

akustische Vermessung von Ventilatoren normgerecht ermöglicht, in Betrieb

genommen. Untersucht wird, welche Einflüsse kleinere Prüfstandsänderungen

oder Unzulänglichkeiten auf das aerodynamische und akustische Verhalten

haben. Zudem werden Untersuchungen hinsichtlich der Vorschriften der DIN EN

ISO 5136, wie z. B. die Mittelung der Geräusche über den Umfang im Kanal

durchgeführt. Höhere akustische Rohrmoden bei Axialventilatoren sind in der

Fachliteratur bekannt und beschrieben jedoch nicht bei Radialventilatoren.

Messergebnisse werden hinsichtlich der Existenz von höheren akustischen

Rohrmoden diskutiert.

Ein sehr wichtiger Teil des Messsystems sind Soundkarten, die in dieser Arbeit als

Messgerät detaillierter analysiert werden. Die Messergebnisse des verwendeten

Messsystems werden mit professionellen Messsystemen verglichen. Das

verwendete Messsystem wird mit analogen, sowie digitalen Messsystemen unter

denselben Vorraussetzungen verglichen. Ferner wird auf das Messprinzip bei

Terzanalysen der Messsysteme näher eingegangen.

Mit den Messergebnissen wird angestrebt, ein bestehendes Prognoseverfahren zu

überarbeiten, welches Vorhersagen von Geräuschen in Abhängigkeit der

Betriebsbedingungen erlauben soll. Die Messergebnisse am Modell ermöglichen

mit der praktischen Anwendung der Ähnlichkeitsgesetze eine Hochrechnung der

Geräusche auf Großausführungen von Ventilatoren.

Die vorliegende Arbeit baut auf den Diplomarbeiten von Previti, 5/2003, /16/ und

Klitz, 6/2003, /1/ auf, die in Zusammenarbeit mit der Firma Pollrich Ventilatoren

GmbH entstanden. Die Auswertung der Geräuschdaten erfolgt unter Matlab.

Vorhandene Programme sollen erprobt und hinsichtlich der industriellen

Anforderungen sowie einer Geräuschprognose angepasst werden.

2 Prüfstandsaufbau und Messvorkehrungen 5


2 Prüfstandsaufbau und Messvorkehrungen

In einem Kanalsystem ist der Ventilator zusammen mit den Strömungsgeräuschen

der Formstücke eine der Hauptgeräuschquellen.

Die mechanischen Geräusche des Ventilators sind durch geeignete konstruktive

Maßnahmen derart reduziert worden, dass sie neben den aerodynamischen

Geräuschen nicht mehr ins Gewicht fallen. Diese entstehen durch Turbulenz, die

bei der Durchströmung des Laufrades und des Gehäuses unvermeidbar auftreten.

Es wurde gemäß DIN EN ISO 5136 (2003) /2/ gemessen.

2.1 Messbedingungen

DIN EN ISO 5136 ist auf Ventilatoren anwendbar, die breitbandigen,

schmalbandigen oder tonalen Dauerschall aussenden. Sie gilt für

Lufttemperaturen von -50 °C bis +70 °C. Der Bereich der Messkanaldurchmesser

erstreckt sich von 0,15 m bis 2 m. Kleinere oder größere Messkanaldurchmesser

sind gesondert zu behandeln. Die höchstzulässige Strömungsgeschwindigkeit am

Mikrofonkopf, bei der das Verfahren anwendbar ist, hängt von der Art des

Mikrofonwindschirms ab. In dieser Arbeit wird eine Brüel&Kjaer-Schlitzrohrsonde

verwendet. Die höchstzulässige Strömungsgeschwindigkeit am Mikrofonkopf

beträgt 40 m/s für das Messverfahren mit Schlitzrohrsonde. Oberhalb dieser

Strömungsgeschwindigkeit können die turbulenten Druckschwankungen durch die

Schlitzrohrsonde nicht mehr ausreichend reduziert werden.

2.2 Unsicherheit des Messverfahrens

Bei der Bestimmung der Schallleistung nach DIN EN ISO 5136 /2/ wird sich in der

Regel eine Messunsicherheit des Schallleistungspegels ergeben, die in Tabelle 1

als Vergleichsstandardabweichung angegeben ist. Die in dieser Tabelle

aufgeführten Standardabweichungen berücksichtigen die Gesamtwirkung aller

Ursachen für die Messunsicherheit, wie Aufstellungsort der Schallquelle,

Reflexionen an Kanalenden, Kanalübergangsstücke, die Kalibrierung der



Bild 1: Prüfstandsabmessungen

Messeinrichtung, Umrechnungsfehler bei der Berechnung der Schallleistung aus

dem Schalldruckpegel sowie bei der Messung /2/.

Tabelle 1: Vergleichsstandardabweichung der Schallleistungspegel (Genauigkeitsklasse 2) für die Schlitzrohrsonde /2/

2.3 Der Prüfstand

Terzband-Mittenfrequenz

[Hz]

Vergleichsstandardabweichung

[dB]

50 3,5 63 3 80

100

2,5

125 bis 4000

2

5000 2,5 6300 3 8000 3,5

10000 4 12500 4,5 16000 5 20000 5,5



��

X

2.3.1 Prüfstandsaufbau und Messgeräte

Bild 2: Prüfstandsaufbau und verwendete Messgeräte



Messgrößen Prüfstandskomponente und Messgeräte

Bezeichnung / Hersteller / Typ Abmaße / sonstiges

1 Drosselvorrichtung motorisch verstellbar

2 Normblende d = 238 mm, β = 0,6; bzw.

d = 318 mm, β = 0,802 3 Schalldämpfer 4 Reflexionsarmer Abschluss 5 U [V] Kondensatormikrofon Brüel&Kjaer Typ 4133 6 Zugangsklappe 7 Schlitzrohrsonde Brüel&Kjaer Typ UR0436 8 Drehkanal 9 Schrittmotor SIG positec VRDM 397/50 LWC 10 Manschette 11 Strömungsgleichrichter 12 Ringkanal Messung von dpa

13 U [V] Kondensatormikrofon Brüel&Kjaer Typ 4136 14 Übergangsstück von Rechteck auf Kreisförmig 15 16 Wägezelle mit Messprozessor Z3H3, Hottinger Baldwin Messtechnik 17 Pendelmotor 30 kW, nmax = 3000 U/min 18 Ventilator mit Gehäuse

19 Einlaufdüse

20 Steuergerät für den Drosselkegel

Eigenbau

21 Rechner für die aero- Dynamische Messung

Pentium 2 MMX, 200 MHz, mit Installiertem LabVIEW

22 TE [°C] Temperaturmessgerät Saturn 4010 ( Ni – CrNi ) 23 T1 [°C] Temperaturmessgerät Saturn 4010 ( Ni – CrNi ) 24 AD-Wandler 25 AD-Wandler 26 pb mbar Digitalmanometer Tradinco, Typ 2090-P A, 0-1100 mbar 27 dpBl mbar Digitalmanometer Tradinco, Typ 2090-DP, 0-100 mbar 28 dp1 mbar Digitalmanometer Tradinco, Typ 2090-P, 0-100 mbar 29 dpa mbar Digitalmanometer Tradinco, Typ 2090-P, 0-100 mbar 30 31 M [Nm] Drehmomentmessgerät MVD 2630A

32 n [U/min] Drehzahlmessgerät Hornel dig 200

33 Rechner für die akustische Messung

Pentium 3, 500 MHz, mit installiertem LabVIEW, Matlab, Dasylab

34 Positioniersteuerung TLC 511-F 35 Netzteil 225 W, 230~, 50 Hz 36 Signalverstärker Brüel&Kjaer-Verstärker „Nexus“ Akustischer Kalibrator Brüel&Kjaer Typ 4340, 1000 Hz, 94 dB



2.3.2 Ventilator und Gehäuse

Der Radialventilator [18] wird direkt von einem Pendelmotor [17] mit einer

maximalen Leistung von 30 kW angetrieben. Der Radialventilator mit seinen

rückwärts gekrümmten 10 Schaufeln, die einen Schaufelaustrittswinkel von 41°

haben, ist in einem Spiralgehäuse nach Einbaukategorie RD unter dem

Befestigungswinkel 90° eingebaut worden. Wegen des Laufradverhältnisses, das

etwa 2,3 beträgt, wird der Radialventilator der Baureihe 22 zugeordnet.

2.3.3 Aufbau der Kanäle

Entsprechend den Anforderungen der DIN ISO 5136 /2/ sind die Kanäle gerade,

koaxial zu Ein- bzw. Auslass des Ventilators und über die Länge konstantem,

kreisförmigem Querschnitt. Die Kanäle und Übergangsstücke sind aus Stahl mit

einer Mindestdicke von 1 mm, so dass eine schallharte und glatte Innenfläche

sichergestellt ist.

2.3.4 Strömungsgleichrichter

Um jegliche Drallenergie am Ventilatorauslass zu zerstreuen, ist vor dem

Messkanal ein Strömungsgleichrichter [11] eingebaut. Der doppelte Durchmesser

des zylindrischen Querschnitts entspricht der Länge des Strömungsgleichrichters.

Der Strömungsgleichrichter besteht aus ungefähr dreißig den Vollkreis füllenden

zylindrischen Rohren.

Bild 3: Schematische Darstellung des Strömungsgleichrichters



2.3.5 Der Drehkanal

Der Drehkanal [8] wird von einem Linearantrieb [9] über einen Zahnriemen

angetrieben und dreht sich mit einer Geschwindigkeit von 1 U/min. Auf dem

Drehkanal befindet sich eine Zugangsklappe, wo die Schlitzrohrsonde [7] mit dem

Kondensatormikrofon [5] in axialer Richtung, parallel zur Kanalachse und auf den

Ventilator hinweisend, befestigt ist. Der Abstand der Schlitzrohrsonde von der

Kanalachse beträgt gemäß DIN EN ISO 5136 0,16 m.

2.3.6 Die Brüel&Kjaer-Schlitzrohrsonde

Die Schlitzrohrsonde [7], auch Turbulenzschirm genannt ist ein Metallrohr mit

einem Längsschlitz, hinterlegt mit einem porösen Material, in welches das

Mikrofon eingebracht wird, so dass das Mikrofon auf das selbstinduzierte

Strömungsgeräusch und auf durch Turbulenz hervorgerufene

Wechseldruckschwankungen des Luftdrucks im Kanal in geringerem Maße

anspricht /2/.

Bild 4: Schematische Darstellung einer Schlitzrohrsonde für ein ½-Zoll-Mikrofon /2/

2.3.7 Reflexionsarmer Kanalabschluss

Das Hauptmerkmal eines reflexionsarmen Kanalabschlusses [4] besteht darin,

dass der Kanal sich nur allmählich erweitert, um Reflexionen der Schallwelle in

den Kanal zurück zu vermeiden, wo sie die Schallpegelmessungen

beeinträchtigen würden /2/. Bei dem hier verwendeten Reflexionsarmen Abschluss

wurde die allmähliche Erweiterung der Kanalquerschnittsfläche der Form eines

Exponentialtrichters angenähert.



2.3.8 Der Schalldämpfer

Der Schalldämpfer [3] besteht aus Mineralwolle, die in einem Hohlraum um den

Rohrkanal gefüllt wurde. Durch die Mineralwolle wird ein Grossteil der von der

Drossel erzeugten Schallenergie absorbiert. Dies führt zu einer Reduktion des

Gesamtschallleistungspegels hinter der Messstelle. Damit wird eine „einwandfreie“

Messung der abgestrahlten Schallleistung des Ventilators sichergestellt.

2.3.9 Normblende

Die Normblende [2] besteht aus einer

ebenen Scheibe mit kreisförmiger

scharfkantiger Einlauföffnung mit einem

Durchmesser von d = 0,238 m ( bzw.

d = 0,318 m) sowie Fassungsringen,

die Druckentnahmebohrungen bzw.

-schlitze enthalten /3/. Mit Hilfe der Norm-

blende wird die Wirkdruckdifferenz, die

zur Bestimmung des Volumenstromes

benötigt wird, gemessen.

Bild 5: Normblende mit Ringdruckentnahme /3/

2.3.10 Drosselvorrichtung

Eine einstellbare Drosselvorrichtung [1] ist auf der dem Ventilator abgewandten

Seite des reflexionsarmen Abschlusses angebracht. Die Drosselvorrichtung

ermöglicht eine Betriebspunktvariation bei konstanter Drehzahl. Dies ermöglicht

die Einstellungen derjenigen Betriebsbedingungen, für welche die

Geräuschanalyse des Ventilators gewünscht wird. Somit sind mehrere

Geräuschanalysen bei gleichen Betriebsbedingungen vergleichbar.



2.4 Durchführung der Messungen

Die Messungen gliedern sich in zwei Bereiche. Der erste Bereich der Messungen

umfasst die Messung der aerodynamischen Daten und der zweite Bereich die

Messung der akustischen Daten. Aerodynamische Messungen sind notwendig,

um die akustischen Messungen Betriebspunkten zuordnen zu können.

2.4.1 Akustische Messungen und Auswertungen

Die akustischen Messungen erfolgten im Drehkanal [8] mit dem Brüel&Kjaer-

Kondensatormikrofon [5] Type 4133, festgeschraubt in einer Brüel&Kjaer-

Schlitzrohrsonde [7]. Angetrieben wurde der Drehkanal [8] von einem Schrittmotor

[9] mit einem Zahnriemen, der von der TLC 511-F Positioniersteuerung [34],

angeschlossen an einem Rechner [33], gesteuert wurde. Bedient wurde die

Positioniersteuerung am Rechner mit einem Programm, das in LabVIEW von Klitz

/1/ geschrieben wurde. Zudem diente dieser Rechner [33] mit der Soundkarte der

Marke Terratec, Model DMX XFire 1024 PCI dazu, Signale vom Brüel&Kjaer-

Kondensatormikrofon Type 4133, die durch den Brüel&Kjaer-Verstärker „Nexus“

verstärkt wurden, zu empfangen und auszuwerten. Der Drehkanal ermöglichte

durch die konstante Umlaufgeschwindigkeit von 1 U/min die Signale 60 Sekunden

lang aufzunehmen. Ausgewertet wurden die standardisierten Wave-Files unter

Matlab /1/.

2.4.2 Aerodynamische Messungen

Die Aerodynamischen Messungen erfolgten mit einem Rechner [21], der folgende

Messgrößen erfasst hat:

pb, TE, n, M, dpa, dp1, dpBl, T1

Erfasst wurden die Daten über Schnittstellen und AD-Wandler, die mittels

LabVIEW programmiert waren.



2.4.2.1 dimensionslose Kennzahlen

Um Ventilatoren untereinander hinsichtlich ihrer Eignung für bestimmte

Einsatzfälle besser beurteilen und vergleichen zu können, werden für die

wichtigsten Eigenschaften dimensionslose Kenngrößen verwendet.

a) Wirkungsgrad: W

t

PVp

.

.⋅∆=η Gl. (1) mit WP = ϖ⋅M Gl. (2)

η ist das Verhältnis der erbrachten Förderleistung des Ventilators zur

erforderlichen Antriebsleistung an der Welle und damit ein Maß für die Güte der

Energieumsetzung im Ventilator.

b) Druckzahl ( ) VentDn

Y2

2

⋅⋅

⋅=22π

ψ Gl. (3)

ψ ist ein Maß für die Gesamtdruckdifferenz, die ein Ventilator, bezogen auf das

Quadrat der Umfangsgeschwindigkeit seines Radaußendurchmessers, erzeugt.

c) Lieferzahl VentD

nV

3

60

4

.

.

⋅⋅

⋅=2π

φ Gl. (4)

φ ist ein Maß für den Volumenstrom, den ein Ventilator, bezogen auf seinen

Radaußendurchmesser und seine Umfangsgeschwindigkeit, fördert.

3 Voruntersuchungen zur Inbetriebnahme des Prüfstandes 14


3 Voruntersuchung zur Inbetriebnahme des Prüfstandes

Es wurden akustische Messungen am stillstehenden und drehenden Drehkanal

durchgeführt. Schließlich wurde der Ventilator in Betrieb genommen und es

wurden aerodynamische sowie akustische Messungen durchgeführt. Diese

Messungen waren notwendig, um herauszufinden, ob störende Geräusche die

Messungen beeinflussen.

Der Versuchsstand wies undichte Stellen an den Schrauben des reflexionsarmen

Abschlusses, an der Verbindung zweier Rohre mit einer Manschette, an der

Schweißnaht des Schalldämpfers, an den Gleitlagern des Drehkanals und an der

Zugangsklappe des Drehkanals auf. Um den Unterschied zwischen dem

„undichten“ und dem „dichten“ Versuchsstand deutlich zu machen, wurden

Vergleichsmessungen im „dichten“ und „undichten“ Zustand durchgeführt.

In den Messungen wurden Störsignale festgestellt, die die Messdaten verfälschen.

Deshalb waren weitere Untersuchungen zu möglichen Mängeln des

Versuchsstands notwendig.

3.1 Geräusche des Drehkanals

Untersucht werden Geräusche, die im Kanal bei stehendem Drehkanal und

ausgeschaltetem Ventilator gemessen wurden. Diese Geräusche wurden den

Geräuschen, die am drehenden Drehkanal und ausgeschaltetem Ventilator

gemessen wurden, gegenübergestellt. Der Drehkanal dreht sich für die

Geräuschmessung mit einer Drehzahl von nM = 1 U/min.



Bild 6: Gegenüberstellung der Schalldruckspektren von 0 Hz – 17 kHz , blau: Stillstand des Drehkanals, rot: Drehung des Drehkanals mit nM = 1 U/min,

Ventilator: n=0 U/min

Bild 7: Gegenüberstellung der Schalldruckspektren von 0 Hz – 1 kHz , blau: Stillstand des Drehkanals, rot: Drehung des Drehkanals mit nM = 1 U/min,

Ventilator: n=0 U/min

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

10

20

30

40

50

60

70

\ Unbewertete APS | Kanal: rechts | Frequenzspanne [0; 17226.5625] Hz Fenster: hanning | Überlappung: 0 % | k: 7.9907 Pa/EU | delta_f: 1.3458 Hz | f_ab :44100 Hz

f [Hz]

Lp [

dB]

\DK_Stillstand_090903_zumittel_.MAT (GP:71.8 dB)AVG:82\DK_Messfahrt_Leer_170903mittel_.MAT (GP:76.7 dB)AVG:84

B

C

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80\ Unbewertete APS | Kanal: rechts | Frequenzspanne [0; 17226.5625] Hz Fenster: hanning | Überlappung: 0 % | k: 7.9907 Pa/EU | delta_f: 1.3458 Hz | f_ab :44100 Hz

f [Hz]

Lp [

dB]

\DK_Stillstand_090903_zumittel_.MAT (GP:71.8 dB)AVG:82\DK_Messfahrt_Leer_170903mittel_.MAT (GP:76.7 dB)AVG:84

A



Bild 6 zeigt die Gegenüberstellung der Schalldruckspektren von 0 Hz – 17 kHz.

Dargestellt sind Messdaten in blau „der Stillstand des Drehkanals“ und rot „die

Drehung des Drehkanals“ mit einer Drehzahl von 1 U/min. In der Legende sind

Dateiname und Gesamtpegel von Bedeutung. Wie erwartet liegt die Kurve der

Schalldruckpegel des drehenden Drehkanals über der Kurve des stillstehenden

Drehkanals. Die Schalldruckpegel im stillstehenden Drehkanal sind als

Ruhepegel des Drehkanals aufzufassen. Der Gesamtpegel des drehenden

Drehkanals weist einen um etwa 5 dB höheren Wert als der des Ruhepegels auf.

[A] zeigen tonale Komponente bei 8 kHz und 16 kHz, dessen Abstammung nicht

zugeordnet werden können.

Die Amplituden sinken mit zunehmender Frequenz, bei stillstehendem Drehkanal

treten konstante Amplituden bei Frequenzen >2 kHz auf, hingegen zeigt der

drehende Drehkanal erst konstante Amplituden bei Frequenzen >7 kHz.

Der Zoomplot Bild 7 zeigt den für den Gesamtpegel verantwortlichen

Frequenzbereich von 0 Hz bis 1 kHz. In der detaillierteren Ansicht sind tonale

Komponenten mit ihren Obertönen zu erkennen. [C] zeigt ein Signal mit Grund-

und Obertönen bei (nx250) Hz mit n=1, 2, 3,... . [B] zeigt den 50 Hz Grundton.

Dieser hat seine Obertöne bei (50+nx100) Hz mit n=1, 2, 3,... . Hier könnte es sich

um ein „50-Hz-Brummen der Soundkarte“ handeln, vgl. c’t 1/1998 /5/ und c’t

21/1999 /6/.



Bild 8: Gegenüberstellung der Terzspektren von 16 Hz – 12,5 kHz ,

blau: Stillstand des Drehkanals, rot: Drehung des Drehkanals mit nM = 1 U/min, Ventilator: n=0 U/min

Wie auch in den Bildern 6 und 7 liegen im Terzspektrum die Ruhepegel im

Drehkanal unter den Schalldruckpegeln des drehenden Drehkanals. Beide Kurven

weisen vergleichbare, breitbandige Erhebungen bei 16, 50, 160, 250, 500 und

8000 Hz auf.

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 800020

30

40

50

60

70

80Unbewertetes Terzspektrum; Kanal: rechts; AVG = 84; GP: 75.8 dB<rms>; Terzmittelfrequenzen [16; 12500]

f [Hz]

Lp [

dB]

\DK_Stills tand_090903_zumittel_.MAT (GP:71.8 dB)AVG:82\DK_Messfahrt_Leer_170903mittel_.MAT (GP:76.7 dB)AVG:84



3.2 Geräusche durch Undichtigkeiten des Prüfstandes

Der Versuchsaufbau wies zunächst undichte Stellen auf. Diese Stellen wurden

geortet, indem bei hoher Ventilatordrehzahl (2000 U/min) ein Betriebspunkt sehr

weit rechts auf der Drosselkennlinie eingestellt wurde. So konnte man Leckagen,

ausblasende Stellen und „unsaubere“ Verbindungen an der gesamten

Messstrecke entweder hören oder mit der Hand aufspüren.

Zum Vergleich der Geräusche im dichten und undichten Zustand des

Versuchsstandes erfolgten Messungen im drehenden Drehkanal. Die Schrauben

der Zugangsklappe am Drehkanal wurden dafür gelockert, so dass ein „Zischen“

deutlich zu hören war (undicht). Danach wurden die Schrauben festgezogen, so

dass nach außen hin nichts mehr von dem erzeugtem „Zischen“ zu hören war

(dicht). Am Ventilator wurde für beide Modifikationen derselbe Betriebspunkt

eingestellt. Die Geräusche des drehenden Drehkanals und die Ruhepegel im

Kanal, gemessen am stillstehenden Ventilator, sollen als Referenzkurve dienen

und den Unterschied zwischen Nutzsignal und Fremdsignal deutlich machen.

Bild 9: Gegenüberstellung der Schalldruckspektren 0 Hz – 17 kHz ,

[rot: undichte Stellen, blau: lokalisierte Stellen abgedichtet]� Ventilator: n=2000 U/min, φopt=0,08, ψ=1,135 [ schwarz: drehender Drehkanal, grün: Ruhepegel]� Ventilator: n=0 U/min, φ=0, ψ=0

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000-20

0

20

40

60

80

100

120\ Unbewertete APS | Kanal: links | Frequenzspanne [0; 17226.5625] Hz Fenster: hanning | Überlappung: 0 % | k : 8.0593 Pa/EU | delta_f: 1.3458 Hz | f_ab :44100 Hz

f [Hz]

Lp [

dB]

\DK_Mf_opteta2000_140104_di_MP1_li.MAT (GP:118.6 dB)AVG:84\DK_Mf_opteta2000_140104_undi_MP1_li.MAT (GP:118.8 dB)AVG:84\DK_Messfahrt_Leer_170903mittel_.MAT (GP:76.7 dB)AVG:84\DK_Stills tand_090903_zumittel_.MAT (GP:71.8 dB)AVG:82

A



Bild 10: Gegenüberstellung der Schalldruckspektren von 0 Hz – 1 kHz,


In Bild 9 sind die Schalldruckspektren verschiedener Modifikationen von 0 Hz bis

17 kHz des beim optimalen Wirkungsgrad laufenden Ventilators mit 2000 U/min

und des am stillstehenden Ventilators dargestellt. Bild 10 erlaubt eine detailliertere

Einsicht in den Frequenzbereich von 0 Hz bis 1 kHz, wo sich die höchsten

Schalldruckpegel befinden.

In Bild 9 erkennt man, dass die Kurven der „dichten“ und „undichten“ Modifikation

sehr gut übereinstimmen. Dies zeigt auch der Zoomplot Bild 10. Das „Zischen“

(außen hörbar) hatte somit keinen Einfluss auf die Geräuschemessung. D.h. die

Geräuschmessung in diesem Versuchsstand ist unempfindlich gegenüber

„undichten“ Stellen.

Ein erwähnenswerter Unterschied zwischen der [rot, blau] und der [schwarz,

grün] Modifikation ist die gewählte Dynamik, die mit Hilfe des B&K Verstärkers

„Nexus“ und der Regelstufenverstärker der Windows-Umgebung einstellbar ist.

Die [rot, blau] Modifikation erfordert eine Dynamik hin zu höheren Amplituden als

die [schwarz, grün] Modifikation, weshalb in Bild 9 der Unterschied in [A] entsteht.

Das Thema Dynamik wird in Kapitel 5.2 näher behandelt.

Deutlich zu erkennen sind an den Nutzsignalen in Bild 10 die

Blattfolgefrequenzen, die sich bei (nx333) Hz mit n=1, 2, 3 befinden.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

20

40

60

80

100

\ Unbewertete APS | Kanal: links | Frequenzspanne [0; 17226.5625] Hz Fenster: hanning | Überlappung: 0 % | k: 8.0593 Pa/EU | delta_f: 1.3458 Hz | f_ab :44100 Hz

f [Hz]

Lp [

dB]

\DK_Mf_opteta2000_140104_di_MP1_li.MAT (GP:118.6 dB)AVG:84\DK_Mf_opteta2000_140104_undi_MP1_li.MAT (GP:118.8 dB)AVG:84\DK_Messfahrt_Leer_170903mittel_.MAT (GP:76.7 dB)AVG:84\DK_Stills tand_090903_zumittel_.MAT (GP:71.8 dB)AVG:82

Blattfolgefrequenz



16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 800020

30

40

50

60

70

80

90

100

110Unbewertetes Terzspektrum; Kanal: links; AVG = 82; GP: 69.6 dB<rms>; Terzmittelfrequenzen [16; 12500]

f [Hz]

Lp [

dB]

Bild 11: Gegenüberstellung der Terzspektren 16 Hz – 12,5 kHz,


Die Gegenüberstellung der Terzspektren verschiedener Modifikationen ist in

Bild 11 dargestellt. Die Terzpegel der Geräusche des laufenden Ventilators der

Modifikationen „dicht“ und „undicht“ weisen vernachlässigbar kleine Abweichungen

voneinander im gesamten Bereich der Terzmittenfrequenzen auf.

3.3 Ventilatorgeräusche im Bestpunkt im Drehkanal

Zu untersuchen waren Geräusche im Kanal, die während einer Drehung und eines

Stillstands des Drehkanals bei zwei verschiedenen Drehzahlen des Ventilators,

jeweils am optimalen Wirkungsgrad, entstanden sind.

Geräusche, die während einer Umdrehung des Drehkanals aufgenommen

wurden, wurden für die Auswertung im Umfang gemittelt. Zum Vergleich wurde

beim Stillstand des Drehkanals gemessen, d.h. die Geräusche sind für die

Auswertung an einer Position zeitlich gemittelt worden. Zudem ging der Einfluss

der Geräusche des drehenden Drehkanals in das Nutzsignal ein. Außerdem ergab

sich die Möglichkeit, Geräusche beider Drehzahlen zu vergleichen.



0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 100050

60

70

80

90

100

110

120

130\ Unbewertete APS | Kanal: links | Frequenzspanne [0; 17226.5625] Hz Fenster: hanning | Überlappung: 0 % | k: 32.9475 Pa/EU | delta_f: 1.3458 Hz | f_ab :44100 Hz

f [Hz]

Lp [d

B]

\DK_Messfahrt_131103_opteta1000mittel_.MAT (GP:105.6 dB)AVG:84\DK_Stillstand_131103_opteta1000mittel_.MAT (GP:105.7 dB)AVG:82\DK_Messfahrt_131103_opteta2000mittel_.MAT (GP:117.5 dB)AVG:84\DK_Stillstand_131103_opteta2000mittel_.MAT (GP:117.5 dB)AVG:82

Bild 12: Gegenüberstellung der Schalldruckspektren 0 Hz – 17 kHz, [rot: Drehkanalstillstand, blau: Drehkanaldrehung]� Ventilator: n=1000 U/min, φ=0,08, ψ=1,135

[grün: Drehkanalstillstand, schwarz: Drehkanaldrehung]� Ventilator: n=2000 U/min, φ=0,08, ψ=1,135

Bild 13: Gegenüberstellung der Schalldruckspektren 0 Hz – 1 kHz, [rot: Drehkanalstillstand, blau: Drehkanaldrehung]� Ventilator: n=1000 U/min, φ=0,08, ψ=1,135

[grün: Drehkanalstillstand, schwarz: Drehkanaldrehung]� Ventilator: n=2000 U/min, φ=0,08, ψ=1,135

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000-20

0

20

40

60

80

100


f [Hz]

Lp [d

B]

\DK_Messfahrt_131103_opteta1000mittel_.MAT (GP:105.6 dB)AVG:84\DK_Stillstand_131103_opteta1000mittel_.MAT (GP:105.7 dB)AVG:82\DK_Messfahrt_131103_opteta2000mittel_.MAT (GP:117.5 dB)AVG:84\DK_Stillstand_131103_opteta2000mittel_.MAT (GP:117.5 dB)AVG:82

A




[rot: Drehkanalstillstand, blau: Drehkanaldrehung]� Ventilator: n=1000 U/min, φ=0,08, ψ=1,135 [grün: Drehkanalstillstand, schwarz: Drehkanaldrehung]� Ventilator: n=2000 U/min, φ=0,08, ψ=1,135

Dargestellt sind in Bild 12 die Schalldruckspektren von 0 – 17 kHz, in Bild 13 die

Schalldruckspektren von 0 – 1 kHz und in Bild 9 die Terzspektren. Alle drei Bilder

beinhalten die Auswertung der Geräusche des Ventilators mit 1000 U/min und

2000 U/min jeweils mit drehendem Drehkanal und stillstehendem Drehkanal.

Wie erwartet liegen die Kurven der Ventilatorgeräusche mit n=1000 U/min unter

der Kurve der Ventilatorgeräusche mit n=2000 U/min. Der Gesamtpegel der

Ventilatorgeräusche mit n=2000 U/min, dargestellt in der Legende, weisen einen

um etwa 11,9 dB höheren Wert als die Gesamtpegel der Ventilatorgeräusche mit

n=1000 U/min.

Die Auswertungen zeigen gut übereinstimmende Pegel der Geräusche, die über

den Umfang gemittelt wurden, mit den Geräuschen, die an einer festen Position

gemittelt wurden bei den jeweiligen Drehzahlen. Somit sind die Befürchtungen,

dass die Drehkanalgeräusche das Nutzsignal beeinflussen könnten, beseitigt.

Die größten Unterschiede der Pegel einer Drehzahl sind im Schalldruckspektrum

Bild 12 bei höheren Frequenzen [A], und im Terzspektrum Bild 14 bei 315 Hz und

630 Hz [B] erkennbar. Die ventilatorspezifischen Pegel befinden sich im

Frequenzbereich von 40 Hz bis 5 kHz. Pegelunterschiede bei Frequenzen > 5 kHz

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 800030

40

50

60

70

80

90

100


f [Hz]

Lp [d

B]

B



können vernachlässigt werden, da diese den Gesamtpegel kaum noch

beeinflussen.

3.4 Ventilatorgeräusche abweichend vom Bestpunkt

Mit Hilfe der empirischen Erfahrungen lässt sich zeigen, dass sich bei

Drehzahlsteigerung eines Ventilators der Schallleistungspegel theoretisch mit der

5. Potenz der Umfangsgeschwindigkeit u ändert:

Gl. (5)

Das Geräuschverhalten der vom Wirkungsgrad-Optimum abweichenden

Ventilatorauslegung ist näherungsweise aus Bild 28 zu ersehen. Es gilt für

sämtliche Ventilatortypen /7/

Es wurde eine Kennlinie, dargestellt in Bild 15, des hier verwendeten Ventilators

aufgenommen.

Bild 15: Ventilatorkennlinie, : Betriebspunkte, bei denen eine Geräuschanalyse erfolgte φopt_li=0,034; φopt=0,08; φop_re=0,086

��

��

�=∆

2

1w u

ulg*50L

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0,000 0,020 0,040 0,060 0,080 0,100

phi

eta

φopt_li

φopt_re

φopt



100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

50

60

70

80

90

100

\ Unbewertete APS | Kanal: links | Frequenzspanne [0; 17226.5625] Hz Fenster: hanning | Überlappung: 0 % | k : 17.8939 Pa/EU | delta_f: 1.3458 Hz | f_ab :44100 Hz

f [Hz]

Lp [

dB]

\DK_Mf_150104_opteta1000_limittel_.MAT (GP:110.1 dB)AVG:84\DK_Messfahrt_131103_opteta1000mittel_.MAT (GP:105.6 dB)AVG:84\DK_Mf_150104_opteta1000_remittel_.MAT (GP:106.0 dB)AVG:84

Bild 16: Gegenüberstellung der Schalldruckspektren von 0 Hz – 17 kHz , blau: φ opt_li=0,034; η=0,67; rot: φ opt=0,08; η=0,835; schwarz: φ opt_re=0,086; η=0,828;

n=1000 U/min

Bild 17: Gegenüberstellung der Schalldruckspektren von 0 Hz – 1 kHz , blau: φ opt_li=0,034; η=0,67; rot: φ opt=0,08; η=0,835; schwarz: φ opt_re=0,086; η=0,828;

n=1000 U/min

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000-20

0

20

40

60

80

100


f [Hz]

Lp [

dB]

\DK_Mf_150104_opteta1000_limittel_.MAT (GP:110.1 dB)AVG:84\DK_Messfahrt_131103_opteta1000mittel_.MAT (GP:105.6 dB)AVG:84\DK_Mf_150104_opteta1000_remittel_.MAT (GP:106.0 dB)AVG:84



16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 800030

40

50

60

70

80

90

100

Unbewertetes Terzspektrum; Kanal: links; AVG = 84; GP: 105.4 dB<rms>; Terzmittelfrequenzen [16; 12500]

f [Hz]

Lp [

dB]

In Bild 15 sind die Betriebspunkte dargestellt, bei denen eine Geräuschanalyse

erfolgte. In Bild 16 und 17 sind die Schalldruckspektren der Betriebspunkte, die in

Bild 15 grün markiert sind, dargestellt. Die Kurve von φopt_li liegt aufgrund der

relativ großen Drosselung zwischen 0 Hz und 350 Hz deutlich über der Kurve von

φopt und φopt_re. Die Drosselung der Kurven φopt und φopt_re liegen in Bild 15 sehr nah

beieinander, weshalb ihr Kurvenverlauf in den Bildern 16 und 17 sehr wenig

voneinander abweichen. Mit der derzeitig eingebauten Normblende konnte kein

Betriebspunkt weiter rechts auf der Drosselkurve als φopt_re eingestellt werden.

Deshalb ist im laufe der Arbeit ein Umbau der Normblende vorgesehen. Auffällig in

Bild 17 ist die 1. BFF bei 166 Hz, die mit zunehmender Drosselung an

Schalldruck gewinnt.

Bild 18: Gegenüberstellung der Terzspektren von 16 Hz – 12,5 kHz , blau: φ opt_li=0,034; η=0,67; rot: φ opt=0,08; η=0,835; schwarz: φ opt_re=0,086; η=0,828;

n=1000 U/min

Die Terzspektren in Bild 18 weisen die gleichen Aussagen auf, wie die

Schalldruckspektren in Bild 16 und 17. Eine zunehmende tonale Komponente

(1. BFF) bei schließendem Drosselkegel bei der Terzmittenfrequenz von 160 Hz

und der höher verlaufende Kurvenverlauf zwischen den Terzmittenfrequenzen 16

Hz und 315 Hz von φopt_li gegenüber φopt und φopt_re ist auch hier im Terzspektrum

Bild 18 zu erkennen.



Bild 19: Spektogramm von 0 Hz – 2 kHz über den Umfang im Kanal,

φ opt_li=0,034; η=0,67; n=1000 U/min

Bild 20: Spektogramm von 0 Hz – 2 kHz über den Umfang im Kanal, φ opt=0,08; η=0,835; n=1000 U/min



Bild 21: Spektogramm von 0 Hz – 2 kHz über den Umfang im Kanal, φ opt_re=0,086; η=0,828; n=1000 U/min

In den Bildern 19 bis 21 sind Spektogramme dargestellt, aufgenommen jeweils in

den grün markierten Betriebspunkten von Bild 15. Aus den φ-Werten geht hervor,

dass sich der Drosselkegel von Bild 19 nach Bild 21 öffnet. Betrachtet man die

Farbentwicklung dieser Bilder, so fällt auf, dass mit öffnendem Drosselkegel die

rote Farbe an Deutlichkeit verliert, insbesondere der tiefe Frequenzbereich

zwischen 0 Hz und der ersten BFF mit 167 Hz verändern sich. Vergleichbar in

allen drei Bildern ist der Frequenzbereich von ca. 500 Hz bis 650 Hz, wo sich hohe

Schalldruckpegel mit der zweiten und dritten BFF befinden. Die Streuung hoher

Schalldruckpegel im Frequenzbereich zwischen der ersten BFF mit 166 Hz und

der dritten BFF mit 500 Hz nimmt mit öffnendem Drosselkegel ab. Von 1000 Hz

bis 1800 Hz befindet sich ein weiterer Bereich, der vermutlich noch den

Gesamtpegel beeinflussen könnte.

Im folgenden werden nun die Betriebspunkte bei n = 2000 U/min diskutiert.



Bild 22: Gegenüberstellung der Schalldruckspektren von 0 Hz – 17 kHz ,

blau: φ opt_li=0,034; η=0,67; rot: φ opt=0,08; η=0,835; schwarz: φ opt_re=0,086; η=0,828; n=2000 U/min

Bild 23: Gegenüberstellung der Schalldruckspektren von 0 Hz – 1 kHz ,


0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 160000

20

40

60

80

100


f [Hz]

Lp [

dB]

\DK_Mf_150104_opteta2000_limittel_.MAT (GP:123.2 dB)AVG:84\DK_Mf_140104_opteta2000_di_MP1.MAT (GP:118.6 dB)AVG:84\DK_Mf_150104_opteta2000_remittel_.MAT (GP:117.8 dB)AVG:84

100 200 300 400 500 600 700 800 900 100070

75

80

85

90

95

100

105

110

115

\ Unbewertete APS | Kanal: links | Frequenzspanne [0; 17226.5625] Hz Fenster: hanning | Überlappung: 0 % | k : 56.7769 Pa/EU | delta_f: 1.3458 Hz | f_ab :44100 Hz

f [Hz]

Lp [

dB]

\DK_Mf_150104_opteta2000_limittel_.MAT (GP:123.2 dB)AVG:84\DK_Mf_140104_opteta2000_di_MP1.MAT (GP:118.6 dB)AVG:84\DK_Mf_150104_opteta2000_remittel_.MAT (GP:117.8 dB)AVG:84

Breitbandige Überhöhung



16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 800040

50

60

70

80

90

100

110


f [Hz]

Lp [

dB]

Bild 24: Gegenüberstellung der Terzspektren von 16 Hz – 12,5 kHz , blau: φ opt_li=0,034; η=0,67; rot: φ opt=0,08; η=0,835; schwarz: φ opt_re=0,086; η=0,828;

n=2000 U/min

Die Schalldruck- und Terzspektren in den Bildern 22 bis 24 weisen die gleichen

Charakteristiken auf wie die Bilder 16 bis 18. Die hauptsächlichen Unterschiede

liegen in den Gesamtpegeln und darin, dass sich die Kurven φopt und φopt_re ab

1000 Hz bezüglich der Schalldruckpegel unterscheiden. Zudem ist bei der BFF in

Bild 23 kein Zusammenhang mehr zum Öffnen des Drosselkegels erkennbar.

Bild 25: Spektogramm von 0 Hz – 2 kHz über den Umfang im Kanal, φ opt_li=0,034; η=0,67; n=2000 U/min



Bild 26: Spektogramm von 0 Hz – 2 kHz über den Umfang im Kanal, φ opt=0,08; η=0,835; n=2000 U/min

Bild 27: Spektogramm von 0 Hz – 2 kHz über den Umfang im Kanal, φ opt_re=0,086; η=0,828; n=2000 U/min

Bereich III

Bereich II

Bereich I



Analog zu den Bildern von 19 bis 21 sind in den Bilder 25 bis 27 Spektogramme

gleicher Betriebspunkte mit der Drehzahl n=2000 U/min dargestellt. Dunkle

Bereiche mit hohen Schalldruckpegeln befinden sich bei allen drei Bildern unter

800 Hz, extremer unter 200 Hz. Bei allen drei Bildern erkennt man drei BFF bei

den Frequenzen 333 Hz, 666 Hz und 999 Hz. Unterteilt man in allen drei Bildern

0 Hz – 1. BFF (333 Hz) als Bereich I, 1. BFF – 2. BFF (666 Hz) als Bereich II und

2. BFF – 3. BFF (999 Hz) als Bereich III, so fällt auf, dass die Schalldruckpegel in

den Breichen I und III bezüglich der Frequenz konstant abnehmen, jedoch die

Schalldruckpegel im Bereich II konstant bleiben. Diese breitbandigen

Überhöhungen kommen in Bild 23 auch zur Deutung.

In den Legenden der Schalldruckspektren Bild 16 und Bild 22 sind die

Gesamtpegel je Drehzahl für verschiedene Betriebspunkte dargestellt. Diese sind

in Tabelle 2 zusammengefasst und für die Untersuchung der Gleichung (5) und

Bild 28 vorbereitet.

φopt_li φopt φopt_re φopt_li - φopt φopt_re - φopt 0,034 0,080 0,086

n1 1000 U/min 110,1 dB 105,6 dB 106 dB 4,5 dB 0,4 dB

n2 2000 U/min 123,2 dB 118,6 dB 117,8 dB 4,6 dB -0,8 dB

Lw_n2 - Lw_n1 13,1 dB 13 dB 11,8 dB ∆Lw

Tabelle 2: Gesamtpegel im Frequenzbereich 0 Hz – 17 kHz der Drehzahlen n1=1000 U/min und n2=2000 U/min bei verschiedenen Betriebspunkten;

: Untersuchung der Gleichung (5), : Untersuchung von Bild 28

Untersuchung der Gleichung (5):

dB15min/U1000

min/U2000lg*50

uu

lg*50L2

1w ≈

��

�

�

��

�

�=��

�

��

�=∆



Untersuchung von Bild 28:

φopt_re / φopt = 0,086 / 0,08 = 1,08 � ∆Lw = 0,4 dB bis 0,9 dB

φopt_li / φopt = 0,034 / 0,08 = 0,43 � ∆Lw = 1 dB bis 5 dB

Bild 28: Geräuschverhalten bei vom Bestpunkt abweichender Auslegung /7/

Die in Bild 28 und Gleichung (5) dargestellten Ergebnisse sind nur tendenzielle

Daten und erlauben nur eine grobe Abschätzung der

Schallleistungspegeldifferenzen ∆Lw:

- da der Ma-Exponent des Ventilators gemäß Madison zu 5

gewählt wurde, aber aufgrund zahlreicher Untersuchungen u. a.

von L. Bommes /8/ je nach Ventilatortyp zwischen 4 und 6 liegt.

- da die Frequenzgangkorrektur nicht berücksichtigt wurde.

- da BFF vorhanden sind, die gekappt sein müssen. Bild 28 und

Gleichung (5) gelten nur für das Strömungsrauschen, d.h. ohne

tonale Geräuschkomponenten.

3.5 Umfangsverteilung tonaler Geräuschkomponenten im Kanal

Zur Untersuchung des Einflusses höheren Rohrmoden im Kanal wurden tonale

Komponenten betrachtet. Ihre Gesamtpegel wurden ungemittelt über den Umfang

ausgewertet. Dazu wurden abgelegte Zeitdaten zu Bild 17 und Bild 23 benutzt.

Untersucht wurden jeweils die ersten Blattfolgefrequenzen.

φ / φopt

∆∆ ∆∆LW

= L

Wφ φ φ φ - L

Wφφ φφ_

opt



Bild 29: Gegenüberstellung ungemittelter Gesamtpegel der 1. BFF (161,5 Hz – 172,3 Hz) aus Bild 17 über den Umfang im Kanal,


Bild 30: Gegenüberstellung ungemittelter Gesamtpegel der 1. BFF (327,0 Hz – 337,8 Hz)

aus Bild 17 über den Umfang im Kanal, blau: φ opt_li=0,034; η=0,67; rot: φ opt=0,08; η=0,835; schwarz: φ opt_re=0,086; η=0,828;

n=2000 U/min

30 60 90 120 180 210 240 270 300 330 36086

88

90

92

94

96

98

100

102

104

106\ ungemittelte GP [dB] für ein Frequenzband in Abhängigkeit der Umfangsposition | Kanal: links | delta_w: 4.2857

Umfangsposition [°]

Lp [

dB]

\DK_Mf_150104_opteta1000_li_MP3_li.MAT\DK_Messfahrt_131103_opteta1000_MP1_li.MAT\DK_Mf_150104_opteta1000_re_MP1_li.MAT

30 60 90 120 180 210 240 270 300 330 36098

100

102

104

106

108

110

112

114\ ungemittelte GP [dB] für ein Frequenzband in Abhängigkeit der Umfangsposit ion | Kanal: links | delta_w: 4.2857

Umfangsposition [°]

Lp [

dB]

\DK_Mf_150104_opteta2000_li_MP2_li.MAT\DK_Mf_140104_opteta2000_MP3_li.MAT\DK_Mf_150104_opteta2000_re_MP1_li.MAT



Bild 29 und Bild 30 zeigen die Änderung der Gesamtpegel der tonalen

Geräuschkomponente verschiedener Drehzahlen je nach Umfangsposition des

Mikrofons im Kanal. Deutlich zu erkennen sind die Schwankungsunterschiede

über den Umfang. Sofern die Pegel über die Umfangsposition deutlich schwanken,

ist das Vorhandensein höherer akustischer Moden wahrscheinlich. Die geringsten

Schwankungen weist die Kurve φopt_li in Bild 29 auf, dagegen schwanken alle

anderen Kurven in den Bildern 29 und 30. Die Bilder 29 und 30 geben kaum

Auskunft über höhere akustische Rohrmoden und lassen nur vermuten, dass sie

vorhanden sind.

Analog zu den Bildern 29 und 30, wo eine kontinuierliche Änderung der

Umfangsposition dargestellt ist, wurde zum Vergleich die zeitliche Änderung an

einer Umfangsposition herangezogen.

Bild 31: Gegenüberstellung ungemittelter Gesamtpegel der 1. BFF (161,5 Hz – 172,3 Hz)

über eine Position im Kanal, blau: φ opt_li=0,034; η=0,67; rot: φ opt=0,08; η=0,835; schwarz: φ opt_re=0,086; η=0,828;

n=1000 U/min

0 10 20 30 40 50 6080

85

90

95

100

105

110\ ungemittelte GP [dB] für ein Frequenzband in Abhängigkeit der Zeit | Kanal: links | delta_t: 0.74304

Zeit [s ]

Lp [

dB]

\DK_Ss_090204_opteta1000_li_HOCH2_li.MAT\DK_Ss_090204_opteta1000_HOCH1_li.MAT\DK_Ss_090204_opteta1000_re_HOCH3_li.MAT



Bild 32: Gegenüberstellung ungemittelter Gesamtpegel der 1. BFF (328,4 Hz – 339,2 Hz) über eine Position im Kanal,


Dargestellt in den Bildern 31 und 32 sind Änderungen der Gesamtpegel der

tonalen Geräuschkomponente verschiedener Drehzahlen in einer Position im

Kanal. Zweck dieser Untersuchung ist es herauszufinden, ob Unterschiede

zwischen der kontinuierlichen Änderung der Umfangsposition zu der zeitlichen

Änderung an einer Umfangsposition zu erkennen sind. Dazu dient der Vergleich

zweier Messgruppen; „über den Umfang im Kanal“ (Bilder 29 und 30) mit „über

eine Position im Kanal“ (Bilder 31 und 32). Aus dem Vergleich gehen keine

„krassen“ Unterschiede hervor.

3.6 Ventilatorgeräusche an zwei festen Positionen im Drehkanal

In diesem Kapitel wird der Frage nachgegangen, ob sich an zwei festen

Positionen im Drehkanal Unterschiede im zeitlich gemittelten Schalldruckspektrum

des Ventilatorgeräuschs bemerkbar machen. Zunächst wurden Geräusche an

einer Position im Drehkanal aufgenommen (Position 1). Dann wurde der

Drehkanal in einem Winkel von ungefähr 110° gedreht und erneut gemessen

(Position 2).

0 10 20 30 40 50 6096

98

100

102

104

106

108

110

112

114

\ ungemittelte GP [dB] für ein Frequenzband in Abhängigkeit der Zeit | Kanal: links | delta_t: 0.74304

Zeit [s]

Lp [

dB]

\DK_Ss_090204_opteta2000_li_HOCH3_li.MAT\DK_Ss_090204_opteta2000_HOCH3_li.MAT\DK_Ss_090204_opteta2000_re_HOCH1_li.MAT



Der Ventilator wurde mit n=2000 U/min betrieben, es wurden zwei Betriebspunkte

eingestellt.

Bild 33: Gegenüberstellung der Schalldruckspektren von 0 Hz – 17 kHz an zwei Positionen im Drehkanal, blau: Position 1; rot: Position 2 (110 ° versetzt gegenüber Position 1);

n=2000 U/min; φ opt_li=0,034; η=0,67


n=2000 U/min; φ opt_li=0,034; η=0,67

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 160000

20

40

60

80

100

120\ Unbewertete APS | Kanal: links | Frequenzband [0; 17226.5625] Hz Fenster: hanning | Überlappung: 0 % | k: 156.2362 Pa/EU | delta_f: 1.3458 Hz | f_ab :44100 Hz

f [Hz]

Lp [

dB]

\DK_Ss_160304_opteta2000_li_pos1_HOCH1_li.MAT (GP:123.6 dB) AVG:82\DK_Ss_160304_opteta2000_li_pos2_HOCH1_li.MAT (GP:123.6 dB) AVG:82

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

80

85

90

95

100

105

110

115

\ Unbewertete APS | Kanal: links | Frequenzband [0; 17226.5625] Hz Fenster: hanning | Überlappung: 0 % | k: 156.2362 Pa/EU | delta_f: 1.3458 Hz | f_ab :44100 Hz

f [Hz]

Lp [

dB]

\DK_Ss_160304_opteta2000_li_pos1_HOCH1_li.MAT (GP:123.6 dB) AVG:82\DK_Ss_160304_opteta2000_li_pos2_HOCH1_li.MAT (GP:123.6 dB) AVG:82

A




n=2000 U/min; φ opt_re=0,086; η=0,828

Bild 36: Gegenüberstellung der Schalldruckspektren von 0 Hz – 1 kHz an zwei Positionen im Drehkanal,

blau: Position 1; rot: Position 2 (110 ° versetzt gegenüber Position 1); n=2000 U/min; φ opt_re=0,086; η=0,828

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 1600010

20

30

40

50

60

70

80

90

100


f [Hz]

Lp [

dB]

\DK_Ss_160304_opteta2000_re_pos1_HOCH2_li.MAT (GP:118.0 dB) AVG:82\DK_Ss_160304_opteta2000_re_pos2_HOCH1_li.MAT (GP:117.9 dB) AVG:82

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

70

75

80

85

90

95

100

105


f [Hz]

Lp [

dB]

\DK_Ss_160304_opteta2000_re_pos1_HOCH2_li.MAT (GP:118.0 dB) AVG:82\DK_Ss_160304_opteta2000_re_pos2_HOCH1_li.MAT (GP:117.9 dB) AVG:82

A



Bild 37: Terzpegelabweichungen der Terzspektren zu den Bildern 29 und 30;

Terzpegelabweichung von blau (Position 1) zu rot (Position 2) (110 ° versetzt gegenüber Position 1); n=2000 U/min; φ opt_li=0,034; η=0,67

Bild 38: Terzpegelabweichungen der Terzspektren zu den Bildern 31 und 32;

Terzpegelabweichung von blau (Position 1) zu rot (Position 2) (110 ° versetzt gegenüber Position 1); n=2000 U/min; φ opt_re=0,086; η=0,828

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8Terzpegelabweichungen; Kanal: links, Terzmittelfrequenzen [16; 12500]

f [Hz]

Lp [

dB]

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000-1

-0.5

0

0.5

1

1.5Terzpegelabweichungen; Kanal: links, Terzmittelfrequenzen [16; 12500]

f [Hz]

Lp [

dB]



Dargestellt sind in den Bildern 33 und 35 Schalldruckspektren von 0 Hz – 17 kHz,

zeitversetzt aufgenommen mit einem Mikrofon an zwei verschiedenen Positionen

im Drehkanal. Variiert wird von Bild zu Bild der Betriebspunkt der Anlage. Die

Bilder 34 und 36 beinhalten den Zoomplot von den Bildern 33 und 35, dessen

Frequenzbereiche nur bis 1 kHz verlaufen.

Die Schalldruckspektren in den Bildern 33 und 35 zeigen gute Übereinstimmungen

zweier Positionen im Drehkanal. Erst in den Bildern 34 und 36 sind in [A]

positionscharakteristische Merkmale zu erkennen. Diese befinden sich in den

Frequenzen zwischen 500 Hz und 530 Hz und beinhalten zugleich die größten

Abweichungen im Schalldruckspektrum mit ungefähr 6 dB. Hier lässt sich

durchaus ein Zusammenhang zum Auftreten höherer akustischer Moden

vermuten, es folgen daher weitere Untersuchungen ...

Die Terzpegelabweichungen in den Bildern 37 und 38 zeigen, dass die

Terzspektren gut übereinstimmen, wenn man bedenkt, dass die DIN EN ISO 5136

je nach Terzmittenfrequenz 2 dB bis 4,5 dB als Messunsicherheit angibt.

Die guten Übereinstimmungen der Schalldruckspektren und der Terzspektren

zweier Positionen im Kanal stellt die geforderte Umfangsmittelung der DIN EN ISO

5136 an mindestens drei Positionen im Kanal bei diesem Ventilatortyp in Frage.

3.6.1 Untersuchung positionscharakteristischer Merkmale

Die in Kapitel 3.6 festgestellten positionscharakteristischen Merkmale [A], Bild 36,

könnten im Zusammenhang mit dem Auftreten höherer akustischer Moden stehen.

Um dieses Phänomen näher zu untersuchen, wurde eine weitere Messreihe

aufgenommen. Dabei wurde die zweite BFF mittels Drehzahlvariation des

Ventilators soweit nach links verschoben, dass sie im Frequenzbereich von [A],

Bild 36, lag.

Hzmsm

Da

fRohr

co 5,5024,0

343586,0586,0 ≈⋅=⋅= Gl. (6)



Bild 39: Gegenüberstellung der Schalldruckspektren von 200 Hz – 600 Hz an zwei Positionen im Drehkanal,

[rot: Position 1, blau: Position 2]� Ventilator: n=1590 U/min, ; φ opt_li=0,034; η=0,67; [schwarz: Position 1, grün: Position 2]� Ventilator: n=1590 U/min, φ opt_re=0,086; η=0,828;

Position 1 zu Position 2: 110 ° versetzt

Bild 39 beinhaltet die Schalldruckspektren von zwei Betriebspunkten von je zwei

Positionen im Drehkanal. Dargestellt ist der Bereich von 200 Hz bis 550 Hz, wo

sich die erste und zweite BFF befinden.

Deutlich zu erkennen ist die Vergleichbarkeit der ersten BFF bei 265 Hz je

Betriebspunkt. Dies trifft aber für die zweite BFF bei 530 Hz nicht zu. Dort sind

relativ große Abweichungen innerhalb eines Betriebspunktes, unabhängig von

dem Betriebspunkt selber (sowohl φ = 0,034 und φ = 0,034), zu erkennen. Der

blaue Peak, gemessen in Position 2, weist eine Abweichung von 8,6 dB gegenüber

dem roten Peak, gemessen in Position 1, auf. Der schwarze Peak, gemessen in

Position 1, weist eine Abweichung von 11,9 dB gegenüber dem grünen Peak,

gemessen in Position 2, auf. Die hohen Abweichungen der Peaks innerhalb eines

Betriebspunktes an zwei Positionen im Drehkanal festigen die Vermutung zum

Vorhandensein höherer akustischer Moden. Zudem bekräftigt dieses Phänomen

nun die Vorschrift von DIN EN ISO 5136, dass über mindestens drei

Umfangspositionen gemittelt werden sollte.

Offensichtlich sind tonale Komponenten, wie Blattfolgefrequenzen, auffälliger

hinsichtlich einer Umfangsverteilung als Rauschanteile. Die physikalischen

Ursachen der Umfangsverteilung einer BFF eines Radialventilators sind bisher

300 350 400 450 500

75

80

85

90

95

100

105

110

115


f [Hz]

Lp [

dB]

\DK_Ss_290304_opteta1590_li_pos1_HOCH1_li.MAT (GP:120.1 dB) AVG:82\DK_Ss_290304_opteta1590_li_pos2_HOCH1_li.MAT (GP:120.3 dB) AVG:82\DK_Ss_290304_opteta1590_re_pos1_HOCH1_li.MAT (GP:114.0 dB) AVG:82\DK_Ss_290304_opteta1590_re_pos2_HOCH1_li.MAT (GP:114.0 dB) AVG:82

101,4 dB

96,8 dB

92,8 dB

84,9 dB

Ebenes Wellenfeld höhere Moden ausbreitungsfähig

fco

4 Spektrenvergleich zweier Messsysteme 41


unbekannt, in der Literatur findet man entgegen zu Entstehungsmechanismen bei

axialen Maschinen für radiale Maschinen keine Hinweise.

4 Spektrenvergleich zweier Messsysteme

4.1 Terzspektrenvergleich zweier Messsysteme

Die akustischen Messungen im Kanal erfolgten mit einem Brüel&Kjaer-

Kondensatormikrofon (6) Type 4133. Das Kondensatormikrofon (6) mit

aufgesetzter Brüel&Kjaer-Schlitzrohrsonde (7) Typ UA0436 war am Brüel&Kjaer-

Verstärker (5) „Nexus“ Typ 2960 angeschlossen. Das Ausgangssignal vom

„Nexus“ wurde auf eine Soundkarte, Typ Terratec, Model DMX XFire 1024 PCI

und einem Brüel&Kjaer-Analysator (2) Type 2133 geschaltet. Analysiert wurden

die Geräusche im Kanal, die bei verschiedenen Drehzahlen und Betriebspunkten

des Ventilators aufgenommen wurden. Am Prüfstand wurden vier verschiedene

φ−Werte (zwei links vom Optimum, Optimum, eine rechts vom Optimum,

siehe Bild 2) bei den verschiedenen Drehzahlen eingestellt.

Bild 40: Schematische Darstellung des Prüfstandsaufbaus und der Messtechnik

zum Vergleich der Terzspektren



Prüfstandskomponente und Messgeräte

Bezeichnung / Hersteller / Typ Abmaße / sonstiges

1 Rechner für die akustische Messung

Pentium 3, 500 MHz, mit installiertem LabVIEW, Matlab, Dasylab

2 Brüel&Kjaer-Analysator Typ 2133

3 Netzteil 225 W, 230~, 50 Hz 4 Positioniersteuerung TLC 511-F 5 Signalverstärker Brüel&Kjaer-Verstärker „Nexus“ Typ 2690 6 Kondensatormikrofon Brüel&Kjaer Typ 4133 7 Schlitzrohrsonde Brüel&Kjaer Typ UA0436 8 Drehkanal 9 Schrittmotor SIG positec VRDM 397/50 LWC 10 Manschette 11 Strömungsgleichrichter 12 Ringkanal Bestimmung von ∆pa 13 Kondensatormikrofon Brüel&Kjaer Typ 4136, wandbündig 14 Übergangsstück von Rechteck auf Kreisförmig 15 Radialventilator D2=0,722m, z=10 16 Einlaufdüse

Bild 41: Ventilatorkennlinie, : Betriebspunkte bei denen eine Geräuschanalyse erfolgte. φ1=0,017; φ2=0,052; φ3=φopt=0,08; φ4=0,086;

Bild 41 zeigt die Betriebspunkte, bei denen für verschiedene Drehzahlen des

Radialventilators eine Geräuschanalyse durchgeführt wurde. Die Lieferzahl φ

wurde so gewählt, dass die Geräuschanalyse im Teil-, Optimum- und

„Überlastbetrieb“ des Ventilators erfolgte.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0,000 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050 0,060 0,070 0,080 0,090 0,100

φφφφ

φ1

φ2 φ3=φopt

φ4



16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 800030

40

50

60

70

80

90

100


f [Hz]

Lp [

dB]

Bild 42: Treppendiagramm: Terzpegel der Soundkarte; o: Terzpegel des B&K Analysators;

φ1=0,017, ψ=1,241, η=0,486, n=1000 U/min

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 800030

40

50

60

70

80

90

100


f [Hz]

Lp [

dB]


φ2=0,052, ψ=1,239, η=0,782, n=1000 U/min

Terzband-Mittenfrequenzen-Bereich

nach DIN EN ISO 5136



16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 800030

40

50

60

70

80

90

100


f [Hz]

Lp [

dB]


φ3=φopt=0,08, ψ=1,135, η=0,835, n=1000 U/min

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 800030

40

50

60

70

80

90

100


f [Hz]

Lp [

dB]


φ4=0,086, ψ=1,102, η=0,828, n=1000 U/min



Im folgenden werden aus Gründen der Übersichtlichkeit nur Terzpegelabweichungen der

gegenübergestellten Terzspektren aufgeführt. Als Zusammenfassung dient die Tabelle 3, die einen

Einblick in hohe Terzpegelabweichungen (>1dB) verschafft. Die relativ hohe Anzahl an Messungen

ist hilfreich für die Klärung einiger Messunterschiede verschiedener Messsysteme.

φφφφ1111=0,017, ψψψψ=1,241, ηηηη=0,486

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

Terzpegelabweichungen; Kanal: links, Terzmittelfrequenzen [16; 10000]

f [Hz]

∆Lp

[dB

]

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]

Bild 46: Terzpegelabweichungen; n=630 U/min Bild 47: Terzpegelabweichungen; n=710 U/min

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]


16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]


Terzband-Mittenfrequenzen- Bereich nach DIN EN ISO 5136



16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]


16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]

Bild 54: Terzpegelabweichungen; n=1600 U/min

φφφφ2222=0,052, ψψψψ=1,239, ηηηη=0,782

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]


16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]




16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]


16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]

Bild 61: Terzpegelabweichungen; n=1250 U/min Bild 62: Terzpegelabweichungen;n=1400 U/min

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]


φφφφ3333=φφφφopt=0,08, ψψψψ=1,135, ηηηη=0,835

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]




16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]


16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]


16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]


16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]




φφφφ4444=0,086, ψψψψ=1,102, ηηηη=0,828

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]


16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]


16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]


16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]




16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp

[dB

]


In Bild 40 ist nur der Teil des Prüfstandaufbaus dargestellt, wo eine Änderung zum

Prüfstandsaufbau in Kapitel 2.3.1 zu erkennen ist. Es wurde der Brüel&Kjaer-

Analysator parallel an den Brüel&Kjaer-Verstärker „Nexus“ dazugeschaltet, so

dass eine vergleichende Messung zwischen dem Brüel&Kjaer-Analysator und der

Soundkarte einschließlich Rechnersystem (Programm, Einstellungen,...) stattfand.

Die Frequenzgangkorrekturen (Vorschrift der DIN EN ISO 5136) waren bei dem

Vergleich nicht notwendig.

In den Bildern 42 bis 45 sind vier ausgewählte Ergebnisse der

Betriebspunktvariation als Terzspektren dargestellt. Gegenübergestellt sind

Auswertungen über die Soundkarte und Messung mit dem Brüel&Kjaer-

Analysator. In den Bildern 46 bis 81 sind Terzpegeldifferenzen aller Ergebnisse

der Betriebspunktvariationen als Terzspektren dargestellt:

∆Lp = Lp Soundkarte - Lp B&K

Variiert wird von Bild zu Bild die Drehzahl des Ventilators, als auch der φ-Wert

einer Messgruppe von Drehzahlen. Als Referenzgerät diente der Brüel&Kjaer-

Analysator.

[U/min] [Hz] Terzmittenfrequenz [Hz]

n BFF 16 25 125 160 200 250 315 10000

Bild 7 630 105 2,8 Bild 8 710 118 3,5 Bild 9 800 133 2,9 -1,2

Bild 10 900 150 3,2 -1,5 Bild 11 1000 167 2,6 -2,8 -2,6 Bild 12 1120 187 3,7 -1,5 Bild 13 1250 208 3,5 -1,3 -1,5 Bild 14 1400 233 3,0 -1,3 -1,6

φ 1 =

0,0

17

Bild 15 1600 267 3,0 -2,4




n BFF 16 25 125 160 200 250 315 10000

Bild 16 630 105 2,9 1,4 Bild 17 710 118 2,6 Bild 18 800 133 3,0 -1,2 Bild 19 900 150 2,8 -2,5 Bild 20 1000 167 2,7 -4,4 Bild 21 1120 187 2,7 -1,6 Bild 22 1250 208 2,7 -1,5 Bild 23 1400 233 3,1 -1,1

φ 2 =

0,0

52

Bild 24 1600 267 3,1 -3,3


n BFF 16 25 125 160 200 250 315 10000

Bild 25 630 105 3,1 1,5 Bild 26 710 118 1,9 1,0 Bild 27 800 133 2,8 Bild 28 900 150 2,8 -1,8 Bild 29 1000 167 2,8 -1,2 -2,8 Bild 30 1120 187 3,1 Bild 31 1250 208 2,7 Bild 32 1400 233 2,8

φ 3 =

0,0

8

Bild 33 1600 267 2,7 -1,7


n BFF 16 25 125 160 200 250 315 10000

Bild 34 630 105 2,9 Bild 35 710 118 2,9 Bild 36 800 133 2,5 Bild 37 900 150 2,8 -1,4 Bild 38 1000 167 2,6 -1,2 -1,7 Bild 39 1120 187 3,4 Bild 40 1250 208 2,7 Bild 45 1400 233 3,0

φ 4 =

0,0

86

Bild 46 1600 267 2,6

Tabelle 3: Terzpegelabweichungen >1 dB für verschiedene φ-Werte der Messung mit der Soundkarte zur Messung mit dem Brüel&Kjaer-Analysator

Relativ hohe Terzpegelabweichungen verteilen sich auf acht von neunundzwanzig

Terzmittenfrequenzen. Diese sind Abweichungen, die über 1 dB betragen und

befinden sich in den Terzmittenfrequenzen 16 Hz, 25 Hz, 125 Hz, 160 Hz, 200

Hz, 250 Hz, 315 Hz und 10000 Hz. Auffällig ist, dass bei allen Drehzahlen,

unabhängig vom Betriebspunkt, Abweichungen bei 16 Hz vorliegen, die



durchschnittlich 3 dB betragen. Dies hängt wahrscheinlich mit dem Frequenzgang

eines der beiden Messsysteme zusammen.

Das Messprinzip der beiden Systeme ist grundsätzlich unterschiedlich. Der B&K-

Analysator berechnet das Terzspektrum nach analoger Filterung des Zeitsignals.

Bei der Messkette aus Nexus und Soundkarte wird das Zeitsignal zunächst in

Blöcke von 1 Sekunde eingeteilt, mit einem Hanning-Fenster bewertet und dann in

die Frequenzebene übertragen. Aus den Frequenzlinien mit einer 1,35 Hz Abstand

wird dann das Terzspektrum berechnet. Analoge Filter haben gerade bei tiefen

Frequenzen lange Einschwingzeiten bis sie korrekte Werte liefern. Das rein

digitale Verfahren schneidet bei der Fensterung Signalanteile weg. Die DIN EN

ISO 5136 schreibt für das Terzspektrum den Frequenzbereich von max.

50 Hz – 10 kHz vor. Somit sind die Messergebnisse grundsätzlich verwertbar.

Die Bilder 42 bis 45 haben etwas gemeinsam. In diesen Spektren heben sich die

Terzpegel an der BFF von den anderen Terzpegeln deutlich ab. Betrachtet man

sich die Terzpegelabweichung eine Terzmittenfrequenz vor oder nach der BFF, so

fällt auf, dass sich dort stellenweise eine relativ große Abweichung ergibt. Dies

kommt auch in Tabelle 3 klar zur Geltung, denn bei allen φ-Werten zeigen sich

relativ große Abweichungen bei den 900’er Drehzahlen bei der

Terzmittenfrequenz von 125 Hz (eine Terzmittenfrequenz links vom BFF) und bei

den 1000’er Drehzahlen bei der Terzmittenfrequenz von 200 Hz (eine

Terzmittenfrequenz rechts vom BFF).

Hier stellt sich die Frage welches der beiden Messinstrumente das richtige

Ergebnis anzeigt? Eine Vermutung ist, dass der mit analogen Filtern arbeitende

B&K-Analysator die BFF zwar richtig auffasst, aber die BFF in die nächst

nahegelegene Terzmittenfrequenz noch mit einbezieht.

Zu den Terzpegelabweichungen haben Schmidt A. und Jeschke D. nähere

Untersuchungen durchgeführt /9/. Untersucht wurden die Vorgehensweisen zur

Terzfilterung der mit Analogfilter arbeitenden B&K Analysatoren und digital

arbeitenden Terzanalysen ausgehend von den Pegelwerten einer FFT eines

vorliegenden Schallereignisses.



Die FFT setzt die Existenz eines unendlichen, periodischen Zeitsignals voraus.

Durch Einsatz einer Fensterfunktion wird ein endliches und somit für den Rechner

quasi nicht periodisches Signal in den Bereich des Unendlichen erweitert und

einer Behandlung durch die FFT zugänglich gemacht. Damit wird auch die

Verarbeitung nicht periodischer Signale ermöglicht. Innerhalb der Untersuchungen

wurde der Einfluss einer Vielzahl unterschiedlicher Fenstertypen auf die

Frequenztransformation und dabei insbesondere auf das Terzspektrum

festgestellt. Die Untersuchung erfolgte nur für synthetisch erzeugte, kurze Signale.

Fenster Blackman Cauchy Cos^X Gauss Hamming Hanning Poisson Rechteck Tucky

Durchschnitts

fehler [dB] -5,12 -0,02 -0,02 -0,02 -4,02 -4,26 -0,02 -0,02 -4,26

Tabelle 4: Einfluss der Fensterung auf die Terzberechnung /9/

Darüber hinaus ist für die Vergleichbarkeit der analog und digital ermittelten

Terzpegel die Flankensteilheit der verwendeten analogen Filter zu

berücksichtigen. Die Flankensteilheit für die Berechnung der Terzspektren in

dieser Arbeit wurde unendlich groß gewählt. Bandfremde Frequenzen werden

somit nicht berücksichtigt. Dies unterscheidet sich bei analogen Terzfiltern. Die

Flankensteilheiten für analoge Filter sind in DIN 45652 festgelegt:

Bild 82: Verlauf realer Terzfilter nach DIN 45652



Damit ist gezeigt, dass die Berechnung von Terzbändern aus einer FFT sehr gute

Ergebnisse liefern können, wenn man die Filterkurve der bislang üblichen und

genormten Terzen zu Grunde legt. Die Fehler, die durch die Fensterung auftreten,

fallen für gemittelte Signale, aufgenommen über eine lange Zeitdauer, nicht ins

Gewicht. Darüber hinaus stellt sich die Frage, in wie weit die analoge Filterung, die

bandfremde Frequenzen berücksichtigt, die besseren Ergebnisse liefert.

Im folgenden Abschnitt wird zur Sicherheit ein weiteres Digitales Messsystem zu

Vergleichszwecken herangezogen.

4.2 Schalldruckspektrenvergleich zweier Messsysteme

Der Vergleich der Terzspektren zweier Messsysteme in Kapitel 4.1 bewies die

Tauglichkeit einer Soundkarte ein Breitbandspektrum ohne nennenswerten Fehler

wiederzugeben. Diese Untersuchungen waren nicht ausreichend genug um

explizit sagen zu können, dass eine „low-cost“ Soundkarte teure Messsysteme

ersetzen kann. Dafür bietet sich eine Untersuchung mit zwei Messsystemen im

Schmalbandspektrum an.

Für eine Schmalbandmessung bietet sich das PAK-System an. Das bewährte

Messsystem „PAK“ gilt hier als Referenzgerät und ist als „high cost“-Messsystem

einzustufen. Um auch einen fairen Vergleich zu präsentieren, wurden gleiche

Rahmenbedingungen für die beiden Messsysteme geschaffen. Dazu wurde am

Rechner und am PAK-System die gleiche Frequenzauflösung eingestellt und

Geräusche synchron an drei Betriebspunkten aufgenommen.



0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

50

60

70

80

90

100

110


f [Hz]

Lp [

dB]

\DK_Ss_310304_PAK_opteta2000_li.MAT (GP:123.3 dB) AVG:82

\DK_Ss_310304_opteta2000_li_HOCH1_li.MAT (GP:123.3 dB) AVG:82

Bild 83: Gegenüberstellung der Schalldruckspektren von 0 Hz – 6 kHz, blau: Messung mit der Soundkarte; rot: Messung mit dem PAK-System;

n=2000 U/min; φ opt_li=0,034; η=0,67

Bild 84: Gegenüberstellung der Schalldruckspektren von 0 Hz – 1 kHz, blau: Messung mit der Soundkarte; rot: Messung mit dem PAK-System; n=2000 U/min; φ opt_li=0,034; η=0,67

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

80

85

90

95

100

105

110

115


f [Hz]

Lp [

dB]

\DK_Ss_310304_PAK_opteta2000_li.MAT (GP:123.3 dB) AVG:82

\DK_Ss_310304_opteta2000_li_HOCH1_li.MAT (GP:123.3 dB) AVG:82

A



0 1000 2000 3000 4000 5000 600040

50

60

70

80

90

100


f [Hz]

Lp [

dB]

\DK_Ss_310304_PAK_opteta2000.MAT (GP:117.6 dB) AVG:82

\DK_Ss_310304_opteta2000_HOCH1_li.MAT (GP:117.6 dB) AVG:82

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

75

80

85

90

95

100

105


f [Hz]

Lp [

dB]

\DK_Ss_310304_PAK_opteta2000.MAT (GP:117.6 dB) AVG:82

\DK_Ss_310304_opteta2000_HOCH1_li.MAT (GP:117.6 dB) AVG:82

A


n=2000 U/min; φ opt=0,08; η=0,835

Bild 86: Gegenüberstellung der Schalldruckspektren von 0 Hz – 1 kHz, blau: Messung mit der Soundkarte; rot: Messung mit dem PAK-System; n=2000 U/min; φ opt=0,08; η=0,835



0 1000 2000 3000 4000 5000 600040

50

60

70

80

90

100


f [Hz]

Lp [

dB]

\DK_Ss_310304_opteta2000_re_HOCH1_li.MAT (GP:117.9 dB) AVG:82

\DK_Ss_310304_PAK_opteta2000_re.MAT (GP:117.9 dB) AVG:82


n=2000 U/min; φ opt_re=0,086; η=0,828

Bild 88: Gegenüberstellung der Schalldruckspektren von 0 Hz – 1 kHz, blau: Messung mit der Soundkarte; rot: Messung mit dem PAK-System; n=2000 U/min; φ opt_re=0,086; η=0,828

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 100075

80

85

90

95

100

105


f [Hz]

Lp [

dB]

\DK_Ss_310304_opteta2000_re_HOCH1_li.MAT (GP:117.9 dB) AVG:82

\DK_Ss_310304_PAK_opteta2000_re.MAT (GP:117.9 dB) AVG:82

A



Dargestellt in den Bildern 83 bis 88 sind Schalldruckspektren von 0 Hz – 6 kHz mit

ihren Zoomplots von 0 Hz – 1 kHz, die ein zusätzliches Zoombild erhalten. Der

Ausschnitt der zusätzlichen Zoombilder ist rosa markiert. Die x-Achse fängt bei

0 Hz an und verläuft in 20 Hz Intervallen bis 200 Hz. Die y-Achse des zusätzlichen

Zoomplots in Bild 84 ist in 5 dB Intervallen und in den Bildern 86 und 88 in 2 dB

Intervallen aufgeteilt.

In den Schalldruckspektren (Bilder 83, 85 und 87) von 0 Hz – 17 kHz erkennt man

keine gravierenden Unterschiede. Auch in den Zoomplots sind kaum Unterschiede

erkennbar. Sogar der zusätzliche Zoomplot zeigt eine sehr gute Übereinstimmung

bis auf die markante Stelle [A] bei 2,7 Hz. Hier sind Abweichungen bis 5 dB

erkennbar. Diese erklären aber nicht die in Kapitel 4 aufgeführten

Terzpegelabweichungen bei 16 Hz. Im Folgenden wird der Beweis aufgeführt.

Bild 89: Gegenüberstellung der Terzspektren von 0 Hz – 6,3 kHz, Terzpegeltreppen: Messung mit der Soundkarte; o: Messung mit dem PAK-System;

n=2000 U/min; φ opt_li=0,086; η=0,828

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 400070

75

80

85

90

95

100

105

110

115


f [Hz]

Lp [d

B]

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000

-4

-3

-2

-1

0

1

f [Hz]

∆Lp

[dB]



16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3


f [Hz]

∆Lp [dB]

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 400065

70

75

80

85

90

95

100

105


Lp [d

B]

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000

-4

-3

-2

-1

0

1

2

f [Hz]

∆Lp

[dB]

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 400065

70

75

80

85

90

95

100

105


Lp [d

B]

Bild 90: Gegenüberstellung der Terzspektren von 0 Hz – 6,3 kHz, Terzpegeltreppen: Messung mit der Soundkarte; o: Messung mit dem PAK-System;

n=2000 U/min; φ opt=0,08; η=0,828

Bild 91: Gegenüberstellung der Terzspektren und Terzpegelabweichungen von 0 Hz – 6,3 kHz,

Terzpegeltreppen: Messung mit der Soundkarte; o: Messung mit dem PAK-System; n=2000 U/min; φ opt_re=0,08; η=0,828



Gegenübergestellt sind in den Bildern 89 bis 91 Terzspektren des PAK Systems

zu der Soundkarte. Die Terzpegelabweichung ∆LP verdeutlichen den Betrag der

Abweichungen je Terzmittenfrequenz. Das PAK System beweist zwar, dass die

Signale von der Soundkarte um die Terzmittenfrequenz 16 Hz ohne

nennenswerten Fehler aufgefasst werden, weist aber bei der Terzmittenfrequenz

von 20 Hz nennenswerte Fehler auf. Nennenswerte Terzpegelabweichungen

befinden sich auch bei der Terzmittenfrequenz 50 Hz. Hier spielen wahrscheinlich

die Störsignale des 50 Hz Stromnetzes eine wichtige Rolle.

Bemerkenswert ist, dass sich bei den Terzspektren eine Terzmittenfrequenz vor

oder nach den hervorhebenden Peaks, fast keine Abweichung befindet. D.h. das

PAK System erzeugt die Terzspektren auch mit derselben Vorgehensweise, wie

mit dem unter Matlab geschriebenem Programm zur Geräuschanalyse.

Die sehr gute Vergleichbarkeit der Schalldruckspektren zweier Messsysteme

beweist somit auch die Tauglichkeit einer Soundkarte, verwertbare schmalbandige

Messergebnisse zu liefern. Diese Ergebnisse beweisen, dass Messsysteme mit

analogen Terzfiltern aufgrund der für sie gültigen EN 61260 (1995) mit Vorsicht

einzusetzen sind, da Abweichungen von der elektronischen Baugüte der analogen

Filter abhängen, so dass zwei Geräte unterschiedlicher Hersteller zu

unterschiedlichen Ergebnissen führen können. Für die akustischen

Ähnlichkeitsanalysen von Ventilatorgeräuschen sollten analoge Messsysteme

eher nicht verwendet werden, da der Einsatz einer Soundkarte zur

Spektralanalyse z.B. mittels Matlab zu eindeutigen Ergebnissen – unabhängig von

dem Verlauf des Spektrums – führt.

5 Die Messtechnik der Soundkarte 61


5 Die Messtechnik der Soundkarte

5.1 Quantisierung

Analoge Audiosignale sind kontinuierliche Signale. Bei der Digitalisierung werden

diese in eine regelmäßige Folge von diskreten Werten gewandelt. Hierzu wird die

Amplitude des Signals in regelmäßigen Abständen abgetastet und den einzelnen

Stichproben (=Samples) Werte aus einer begrenzten Wertemenge zugeordnet

(Quantisierung). Dabei wird ein Raster verwendet, das die möglichen Werte

bestimmt. Die Abtastfrequenz bestimmt, wie oft das Signal pro Sekunde

abgetastet wird. Die Auflösung (=Quantisierung; in bit angegeben) legt die

mögliche Wertemenge pro Sample fest.

Bild 92: Schematische Darstellung der Vorgehensweise zur Quantisierung /10/ In unserem Beispiel wird der Wertebereich des analogen Signals in 16 diskrete

Stufen aufgeteilt (-8...+7). Das Binärwort hat also 4 Bit Breite. Allgemein kann man

mit n Bit breiter Auflösung 2n Spannungswerte ausdrücken /10/.

Abtastzeitpunkt t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t 8 t 9 t 10 t 11

Wert 1 2 5 7 6 0 - 5 - 6 - 5 - 2 1 1

4-Bit-Code 0001 0010 0101 0111 0110 0000 1011 1010 1011 1110 0001 0001



0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000-20

0

20

40

60

80

100

120\ Unbewertete APS | Kanal: rechts | Frequenzspanne [0; 17226.5625] Hz Fenster: hanning | Überlappung: 0 % | k: 25.5966 Pa/EU | delta_f: 1.3458 Hz | f_ab :44100 Hz

f [Hz]

Lp [

dB]

\DK_Ss_opteta_1000_031203_optaussteu_HOCH1_li.MAT (GP:106.1 dB)AVG:175\DK_Ss_261103_opteta_1000mittel_.MAT (GP:105.9 dB)AVG:82

5.2 Dynamik

Unter der Dynamik versteht man den Pegelunterschied zwischen geringstem und

höchstem möglichen Pegel bei einer festen Messbereichseinstellung.

Regelverstärker ändern die Dynamik eines Signals.

Wie bereits in vorhergehenden Diplomarbeiten dokumentiert, Klitz (2003) /1/,

werden analog eingehende Signale digitalisiert, auf [Pa] umgerechnet und

schließlich in die Einheit [dB] überführt:

Gl. (7)

Damit werden natürlich die Stufen mit umgerechnet. Daraus ergibt sich die

theoretische Dynamik. Die Soundkarte Terratec DMXX Fire 1024 PCI unterstützt

die Aufnahme im 16 Bit / 44,1 kHz-Modus. Die entsprechende theoretische

Dynamik errechnet sich wie folgt:

Gl. (8) n Anzahl der Bits [ ] Lpdyn Dynamik [ dB ]

Es ergibt sich eine theoretische Dynamik von 96 dB für eine 16-Bit Soundkarte.

Bild 93: Gegenüberstellung der Schalldruckspektren der Ventilatorgeräusche bei n=1000 min-1,φ=0,08, ψ=1,135

rot: Messung mit der 16 Bit Soundkarte Terratec DMXX Fire 1024 PCI blau: Messung mit der 24 Bit Soundkarte Terratec EWS 88 MT

Dyn

amik

= 1

05 d

B

)p~p~log(20L0

p ⋅=

Dyn

amik

= 8

8 dB

A

)2log(20L npdyn ⋅=



Für die Erhöhung der Dynamik sorgt die Messung mit einer 24 Bit Soundkarte. Die

Dynamik der Terratec EWS88 MT beträgt nach Herstellerangaben 100 dB.

Gemessen wurde die tatsächliche Dynamik von 105 dB (Bild 93). In Bild 93 ist die

Dynamik beider Soundkarten gegenübergestellt. Gemessen wurde jeweils mit den

selben Rahmenbedingungen. Die Rauschgrenze [A] der 16 Bit Soundkarte

befindet sich bei 15 dB und der 24 Bit Soundkarte bei -2 dB. Die 24 Bit Soundkarte

weist somit, wie erwartet, einen höheren Rauschabstand als die 16 Bit

Soundkarte. Die Gesamtpegel zeigen aber einen etwa vergleichbaren Wert von

ungefähr 106 dB an. Das bedeutet, dass die 16 Bit Soundkarte für die

Geräuschmessung an Ventilatoren ausreichend ist.

DMXX Fire 1024 PCI -16 Bit- EWS 88 MT -24 Bit-

Vorteile

- direkte Erkennung unter Windows

Betriebssystemen.

- Günstig

- Messergebnisse vergleichbar mit teueren

Messgeräten

- hohe Dynamik, hoher Rauschabstand

- bis 96 kHz Abtasten möglich

- durch spezielle Abschirmungen weniger

Störsignale vorhanden

- Bedienerfreundliche und nützliche

Softwareumgebung

Nachteile

- Störsignale vorhanden [(50+nx100)Hz,

(nx250)Hz mit n = 1,2,3,… ; 8 kHz,

16 kHz]

- durch niedrige Dynamik niedriger

Rauschabstand und schlechte

Aussteuerung

- Kein Zusammenspiel der Treiber unter

LabView und Matlab

5.3 Aussteuerung

Eine möglichst gute Aussteuerung des Aufnahmepegels ist die Voraussetzung für

eine rauscharme und dynamikreiche A/D Wandlung. Bei der Digitalisierung gibt es

eine genau definierte obere Pegelgrenze, bei deren Überschreiten keine

Abbildung der Wellenform mehr möglich ist. Es wird solange nur ein Wert (der

Höchstwert) gemessen, wie der zulässige Pegel überschritten wird. Resultat ist

eine 'gekappte' Welle, die sich einer Rechteckschwingung annähert und mit dem

Original kaum noch etwas gemeinsam hat.



Bild 94: Gegenüberstellung des übersteuerten (rot) und ausgesteuerten (blau) 1000 Hz Sinussignals

5.4 Einstellung für eine unübersteuerte Messung

Tranceducer Setup: 13,2 mV/Pa entsprechend Mikrophonkalibrierschein

5.4.1 Messung mit der Terratec EWS88 MT

Mit einem Philips PM5139 function generator wurde eine sinusförmige

Wechselspannung erzeugt, die der Terratec EWS88 MT zugeführt wurde. In

Dasylab wurden die Signale betrachtet.

Regel- Verstärker- stufen

Zusätzliche Verstärkung Bis 14 dB

Automatische Aussteuerung für ein Signal

Bild 95: Das ControlPanel der Soundkarte Terratec EWS88 MT

Einstellungen für die Automatische Aussteuerung



Zunächst wurde für die Outputeinstellung „10 mV/Pa“ am „Nexus“ Verstärker für

jede Regelverstärkungsstufe die effektive Spannung vor der Clippinggrenze

aufgenommen, die Beziehung ermittelt und diese schließlich auf die weiteren

Outputeinstellungen des „Nexus“ Verstärkers übertragen.

Bild 96: Regelverstärkerstufen in Abhängigkeit der effektiven Spannung an der Clippinggrenze

für die Outputeinstellung 10 mV/Pa am „Nexus“ Verstärker

Für die maximale Spannung ergeben sich in Abhängigkeit der Outputeinstellungen

und der Regelverstärkerstufen Schalldruckpegel Lpgro, ohne dass es zu einer

Übersteuerung der Soundkarte kommt. In Kenntnis der Dynamik ergeben sich die

geringsten möglichen Pegel LPgru:

LPgru = LPgro - Lpdyn Gl. (9)

Regel- [mV/Pa] [dB] [dB] [dB] verstärkerstufe

18 Verstärker-

einstellungen Lpgro Lpgru

[Pa] p0 0,00002 10 118 13 31,6 108 3 [mV] Ueffmax 162 100 98 -7

316 88 -17 1000 78 -27

RegelverstärkerkennlinieUeff = 1254,9e-0,1138RVS

0

200

400

600

800

1000

1200

0 5 10 15 20

Regelverstärkerstufe (RVS) [dB]

eff.

Spa

nnun

g (U

eff)

[mV

]

6 dB

Fakt

or 2




15 Verstärker-


[Pa] p0 0,00002 10 121 16 31,6 111 6 [mV] Ueffmax 228 100 101 -4

316 91 -14 1000 81 -24


12 Verstärker-


[Pa] p0 0,00002 10 124 19 31,6 114 9 [mV] Ueffmax 320 100 104 -1

316 94 -11 1000 84 -21


9 Verstärker-


[Pa] p0 0,00002 10 127 22 31,6 117 12 [mV] Ueffmax 451 100 107 2

316 97 -8 1000 87 -18


6 Verstärker-


[Pa] p0 0,00002 10 130 25 31,6 120 15 [mV] Ueffmax 634 100 110 5

316 100 -5 1000 90 -15


3 Verstärker-


[Pa] p0 0,00002 10 133 28 31,6 123 18 [mV] Ueffmax 892 100 113 8

316 103 -2 1000 93 -12




0 Verstärker-


[Pa] p0 0,00002 10 136 31 31,6 126 21 [mV] Ueffmax 892 100 116 11

316 106 1 1000 96 -9 Tabelle 5: Größt- und geringstmögliche Schalldruckpegel in Abhängigkeit der Regelstufenverstärker und den Nexus-Outputeinstellungen.

Bild 5: Gegenüberstellung der Schalldruckspektren von 0 Hz – 1 kHz, Bild 97: Gegenüberstellung der Schalldruckspektren von 0 Hz – 37 kHz,

grün: Ruhepegel, Regelstufe: 2,5 dB, Nexus-Output: 1000 mV/Pa; schwarz: Ruhepegel, Regelstufe: 18 dB, Nexus-Output: 100 mV/Pa;

rot: Ventilatorgeräusche, n=2000 min-1,φ=0,08, ψ=1,135, Regelstufe: 0 dB, Nexus-Output: 31,6 mV/Pa blau: Ventilatorgeräusche, n=2000 min-1,φ=0,08, ψ=1,135, Regelstufe: 12 dB, Nexus-Output: 10 mV/Pa

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

x 104

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120\ Unbewertete APS | Kanal: links | Frequenzspanne [0; 37500] Hz Fenster: hanning | Überlappung: 0 % | k: 1.4284 Pa/EU | delta_f: 2.9297 Hz | f_ab :96000 Hz

f [Hz]

Lp [

dB]

\DK_Ss_opteta_2000_12dB_10_HOCH1_li.MAT (GP:117.6 dB)AVG:175\DK_Ss_opteta_2000_0dB_31.6_HOCH1_li.MAT (GP:117.4 dB)AVG:175\Ruhepegel_18dB_100_HOCH1_li.MAT (GP:59.6 dB)AVG:96\Ruhepegel_2.5dB_1000_HOCH1_li.MAT (GP:60.9 dB)AVG:97



Bild 98: Gegenüberstellung der Schalldruckspektren von 0 Hz – 12,5 kHz, grün: Ruhepegel, Regelstufe: 2,5 dB, Nexus-Output: 1000 mV/Pa;

schwarz: Ruhepegel, Regelstufe: 18 dB, Nexus-Output: 100 mV/Pa; rot: Ventilatorgeräusche, n=2000 min-1,φ=0,08, ψ=1,135, Regelstufe: 0 dB, Nexus-Output: 31,6 mV/Pa blau: Ventilatorgeräusche, n=2000 min-1,φ=0,08, ψ=1,135, Regelstufe: 12 dB, Nexus-Output: 10 mV/Pa

Um der Frage nachzugehen, ob eine Verstärkung mit den Regelstufen oder mit

dem „Nexus“ Verstärker bevorzugt werden sollte, wurden Schalldruckspektren der

Umgebungsgeräusche und der Ventilatorgeräusche bei n=2000 min-1

aufgenommen. Abgetastet wurde mit 96 kHz, weshalb die x-Achse des

Schalldruckspektrums bis ungefähr 37 kHz verläuft. Maßgebende

Schalldruckpegel der Ventilatorgeräusche befinden sich in den Frequenzen

0 Hz – 12 kHz. Ab 12 kHz werden keine ventilatorspezifischen Geräusche mehr

gemessen. Das Terzspektrum Bild 98 zeigt ab 8 kHz einen fallenden Terzpegel,

der bei 63 dB beginnt. Diese tragen zum Gesamtpegel messbar nichts mehr bei.

Deshalb wird in Zukunft mit einer Abtastrate von 44,1 kHz gemessen.

Bei den Ruhepegeln wurde die „grüne“ Modifikation hauptsächlich mit dem Nexus-

Verstärker, die „schwarze“ mit dem Regelstufenverstärker verstärkt. Bei den

Ventilatorgeräuschen wurde die „rote“ Modifikation hauptsächlich mit dem Nexus-

Verstärker, die „blaue“ mit dem Regelstufenverstärker verstärkt. Deutlich zu

erkennen sind bei den Modifikationen mit der Nexus-Verstärker-Verstärkung eine

deutlich niedrigere Rauschgrenze als bei der Regelstufenverstärkung. D.h. es

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 800010

20

30

40

50

60

70

80

90

100


f [Hz]

Lp [d

B]



sollte eine Verstärkung mit dem Nexus-Verstärker bevorzugt werden, um einen

höheren Rauschabstand zu den Hauptpegeln zu gewährleisten.

Für den Pistonfon-Kalibrierpegel von Lp = 124 dB muss – um eine Übersteuerung

zu vermeiden und einen genügend großen Rauschabstand zu gewährleisten – die

Regelverstärkerstufe auf 0 dB und der Nexus-Verstärker-Outputwert auf

31,6 mV/Pa eingestellt werden. Bei der Kalibrierung mit dem Brüel&Kjaer-

Kalibrator Lp = 94 dB ergibt sich die Einstellung der Regelverstärkerstufe ebenfalls

mit 0 dB und der Nexus-Verstärker-Outputwert jedoch mit 1000 mV/Pa.

5.4.2 Messung mit der DMXX Fire 1024 PCI

Analog zu Kapitel 5.4.1 wurde mit der Soundkarte DMXX Fire 1024 PCI

gemessen.

Bild 99: Regelverstärkerstufeneinstellung der Soundkarte Terratec DMXX Fire 1024 PCI

in der Windows Umgebung



Bild 100: Regelverstärkerstufen in Abhängigkeit der effektiven Spannung an der Clippinggrenze

für die Outputeinstellung 10 mV/Pa am „Nexus“ Verstärker


7 Verstärker-


[Pa] p0 0,00002 10 119 31 31,6 109 21 [mV] Ueffmax 176 100 99 11

316 89 1 1000 79 -9


5 Verstärker-


[Pa] p0 0,00002 10 128 40 31,6 118 30 [mV] Ueffmax 479 100 108 20

316 98 10 1000 88 0


3 Verstärker-


[Pa] p0 0,00002 10 135 47 31,6 125 37 [mV] Ueffmax 1161 100 115 27

316 105 17 1000 95 7

RegelverstärkerkennlinieUef f = -0,5156RVS5+9,2138RVS4-62,642RVS3+266,64RVS2-1175,1RVS+3364,3

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Regelverstärkerstufe (RVS)

Sp

ann

un

g (

Uef

f) [m

V]




1 Verstärker-


[Pa] p0 0,00002 10 142 54 31,6 132 44 [mV] Ueffmax 2400 100 122 34

316 112 24 1000 102 14


0 Verstärker-


[Pa] p0 0,00002 10 144 56 31,6 134 46 [mV] Ueffmax 3170 100 124 36

316 114 26 1000 104 16 Tabelle 6: Größt- und geringstmögliche Schalldruckpegel in Abhängigkeit der Regelverstärkerstufen und den Nexus-Outputeinstellungen

Die Funktion „Trendlinie“ unter Excel konnte sich mit der Kurve der

Regelverstärkerstufen der Terratec DMXX Fire 1024 PCI nicht so gut decken wie

die „Trendlinie“ der Kurve der Regelverstärkerstufen der Terratec EWS88 MT.

Eine Einheit zu den Regelverstärkerstufen konnte nicht zugewiesen werden. Diese

sind auf die Qualitätsunterschiede zurückzuführen. Deshalb ist es unmöglich im

Gegensatz zu Terratec EWS88 MT mit genauen Zahlenwerten zu arbeiten und die

bestmögliche Aussteuerung zu errechnen.

6 Einfluss des Gleichrichters auf die Geräuschanalyse

Der eingebaute Gleichrichter zum Abbau möglicher Drallkomponenten stromab

des Ventilators wurde hinsichtlich der Funktion einer störenden Geräuschquelle

untersucht. Für die bevorstehende Untersuchung der Prognoseverfahren kann

dies eine enorme Fehlerquelle darstellen. Deshalb ist eine nähere Untersuchung

des Einflusses des Gleichrichters auf die Geräuschanalyse unumgänglich. Dazu

wurde am Prüfstand der Gleichrichter entfernt, Geräusche aufgenommen und

dessen Ergebnisse mit den Ergebnissen der Geräusche mit Gleichrichter im

Prüfstand verglichen. Im Folgenden sind die Ergebnisse der Untersuchungen

dargestellt.

6 Einfluss des Gleichrichters auf die Geräuschanalyse 72


16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 800050

60

70

80

90

100

110


f [Hz]

Lp [

dB]

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 160000

20

40

60

80

100


f [Hz]

Lp [d

B]

\DK_Mf_150104_opteta2000_li_MP3_li.MAT (GP:123.2 dB) AVG:84\DK_Mf_280404_opteta2000_li_oG_MP2_li.MAT (GP:122.9 dB) AVG:84

Bild 101: Gegenüberstellung der Schalldruckspektren verschiedener Modifikationen des Prüfstandes von 0 Hz – 17 kHz mit einem Zoomplot von 0 Hz – 1 kHz;

blau: mit Gleichrichter; rot: ohne Gleichrichter; n=2000 U/min; φopt_li=0,034; η=0,67; cRohr=8,5 m/s

Bild 102: Gegenüberstellung der Terzspektren verschiedener Modifikationen des Prüfstandes 0 Hz – 12,5 kHz;

blau: mit Gleichrichter; rot: ohne Gleichrichter; n=2000 U/min; φopt_li=0,034; η=0,67; cRohr=8,5 m/s



16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 800040

50

60

70

80

90

100


f [Hz]

Lp [

dB]

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 160000

20

40

60

80

100


f [Hz]

Lp [d

B]

\DK_Mf_140104_opteta2000_MP2_li.MAT (GP:118.7 dB) AVG:84\DK_Mf_280404_opteta2000_oG_MP2_li.MAT (GP:117.2 dB) AVG:84


blau: mit Gleichrichter; rot: ohne Gleichrichter; n=2000 U/min; φopt=0,08; η=0,835; cRohr=20,1 m/s


blau: mit Gleichrichter; rot: ohne Gleichrichter; n=2000 U/min; φopt=0,08; η=0,835; cRohr=20,1 m/s



16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 800040

50

60

70

80

90

100

110


f [Hz]

Lp [

dB]

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 160000

20

40

60

80

100


f [Hz]

Lp [dB

]

\DK_Mf_150104_opteta2000_re_MP1_li.MAT (GP:117.9 dB) AVG:84\DK_Mf_280404_opteta2000_re_oG_MP2_li.MAT (GP:118.1 dB) AVG:84


blau: mit Gleichrichter; rot: ohne Gleichrichter; n=2000 U/min; φopt_re=0,086; η=0,828; cRohr=21,6 m/s


blau: mit Gleichrichter; rot: ohne Gleichrichter; n=2000 U/min; φopt_re=0,086; η=0,828; cRohr=21,6 m/s



Dargestellt in den Bildern 101 bis 106 sind schmalbandige Schalldruckspektren

und ihre zugehörigen Terzspektren jeweils für drei Betriebspunkte des Ventilators.

Die Gegenüberstellung der Spektren zeigt einen Einfluss des Gleichrichters auf

die Geräuschanalyse. Der größte Einfluss ist überraschenderweise im Optimum

der Drosselkurve des Ventilators zu erkennen.

Eine relativ gute Übereinstimmung mit und ohne Gleichrichter ist unabhängig vom

Betriebspunkt unter 2 kHz gegeben. Somit kann man den Einfluss des

Gleichrichters unter der 2 kHz Marke ausschließen. Die für die Gesamtpegel

maßgeblichen Schalldruckpegeln befinden sich in diesem Bereich. Deshalb sind

die Gesamtpegeldifferenzen der Modifikation „mit Gleichrichter“ und „ohne

Gleichrichter“ von größerer Bedeutung. Die Gesamtpegeldifferenzen betragen im

Betriebspunkt φopt_li 0,4 dB, im Betriebspunkt φopt 1,5 dB und im Betriebspunkt

φopt_re 0,2 dB. Die relativ gute Übereinstimmung unter der 2 kHz Marke wird somit

auch von den Gesamtpegeln bestätigt.

Betrachtet man sich den Frequenzbereich über 2 kHz, so fallen dort die größten

Abweichungen auf, die aber nicht mehr gesamtpegelbestimmend sind.

Anscheinend werden turbulente Druckschwankungen, die sich ab 2 kHz

bemerkbar machen von dem Gleichrichter abgebaut.

Eine Begründung für die leicht unterschiedlichen Schalldruckspektren mit und

ohne Gleichrichter könnte auch ein Umbau (Ausbau des Gleichrichters) des

Prüfstandes sein. Zur Reproduzierbarkeit der Messungen hinsichtlich des Umbaus

des Prüfstandes können keine Aussagen getroffen werden.

7 Einfluss von nicht schallharten Kompensatoren 76


7 Einfluss von nicht schallharten Kompensatoren

An den Drehkanal wurden jeweils auf beide Seiten nicht schallharte

Kompensatoren angebracht. Der flexible Werkstoff aus dem die Kompensatoren

bestehen, dienen zum Abbau jeglicher Spannungen an den Gleitlagern des

Drehkanals. Die entlasteten Gleitlager weisen bessere Laufruhen auf und bieten

längere Lebensdauer. Die mechanische Perspektive bietet für die nicht

schallharten Kompensatoren nur Vorteile, aber wie sieht das akustische Verhalten

aus?

Das Problem der Reproduzierbarkeit der akustischen Messergebnisse nach

einem Umbau des Prüfstandes war auch in diesem Fall zutreffend. Von dieser

Problematik sind die meisten Prüfstände zur aeroakustischen

Leistungsvermessung betroffen und deshalb umfangreichere Untersuchungen

notwendig.

Damit sich die Vergleiche in einem fairen Rahmen befinden werden im Folgenden

Schalldruckspektren der Modifikation „mit Kompensatoren“ der Modifikation „ohne

Gleichrichter“ gegenübergestellt. Um der Reproduzierbarkeit besondere

Aufmerksamkeit zu schenken liegt zwischen beiden Modifikationen somit nur ein

Umbau.



16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 800040

50

60

70

80

90

100

110


f [Hz]

Lp [d

B]

Bild 107: Gegenüberstellung der Schalldruckspektren 0 Hz – 10 kHz mit einem Zoomplot von 0 Hz – 1 kHz, [blau: ohne Kompensator, rot: mit Kompensator]� Ventilator: n=2000 U/min, φopt_li=0,034 [schwarz: ohne Kompensator, grün: mit Kompensator]� Ventilator: n=1000 U/min, φopt_li=0,034


[blau: ohne Kompensator, rot: mit Kompensator]� Ventilator: n=2000 U/min, φopt_li=0,034 [schwarz: ohne Kompensator, grün: mit Kompensator]� Ventilator: n=1000 U/min, φopt_li=0,034

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

20

40

60

80

100

120

140


f [Hz]

Lp [

dB]

\DK_Mf_280404_opteta2000_li_oG_MP2_li.MAT (GP:122.9 dB) AVG:84\DK_Mf_100504_opteta2000_li_oG+Ks_MP2_li.MAT (GP:124.3 dB) AVG:84\DK_Mf_280404_opteta1000_li_oG_MP2_li.MAT (GP:110.3 dB) AVG:84\DK_Mf_100504_opteta1000_li_oG+Ks_MP2_li.MAT (GP:110.7 dB) AVG:84

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

60

70

80

90

100

110

f [Hz]



16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 800040

50

60

70

80

90

100


f [Hz]

Lp [d

B]

Bild 109: Gegenüberstellung der Schalldruckspektren 0 Hz – 10 kHz mit einem Zoomplot von 0 Hz – 1 kHz, [blau: ohne Kompensator, rot: mit Kompensator]� Ventilator: n=2000 U/min, φopt=0,08 [schwarz: ohne Kompensator, grün: mit Kompensator]� Ventilator: n=1000 U/min, φopi=0,08


[blau: ohne Kompensator, rot: mit Kompensator]� Ventilator: n=2000 U/min, φopt=0,08 [schwarz: ohne Kompensator, grün: mit Kompensator]� Ventilator: n=1000 U/min, φopt=0,08

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

20

40

60

80

100

120


f [Hz]

Lp [d

B]

\DK_Mf_280404_opteta2000_oG_MP2_li.MAT (GP:117.2 dB) AVG:84\DK_Mf_100504_opteta2000_oG+Ks_MP2_li.MAT (GP:117.0 dB) AVG:84\DK_Mf_280404_opteta1000_oG_MP2_li.MAT (GP:105.5 dB) AVG:84\DK_Mf_100504_opteta1000_oG+Ks_MP2_li.MAT (GP:104.8 dB) AVG:84

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

60

65

70

75

80

85

90

95

100

105

f [Hz]



16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 800040

50

60

70

80

90

100

110


f [Hz]

Lp [d

B]

Bild 111: Gegenüberstellung der Schalldruckspektren 0 Hz – 10 kHz mit einem Zoomplot von 0 Hz – 1 kHz, [blau: ohne Kompensator, rot: mit Kompensator]� Ventilator: n=2000 U/min, φopt_re =0,086 [schwarz: ohne Kompensator, grün: mit Kompensator]� Ventilator: n=1000 U/min, φopt_re=0,086


[blau: ohne Kompensator, rot: mit Kompensator]� Ventilator: n=2000 U/min, φopt_re=0,086 [schwarz: ohne Kompensator, grün: mit Kompensator]� Ventilator: n=1000 U/min, φopt_re=0,086

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120


f [Hz]

Lp [d

B]

\DK_Mf_280404_opteta2000_re_oG_MP2_li.MAT (GP:118.1 dB) AVG:84\DK_Mf_100504_opteta2000_re_oG+Ks_MP2_li.MAT (GP:117.6 dB) AVG:84\DK_Mf_280404_opteta1000_re_oG_MP2_li.MAT (GP:106.1 dB) AVG:84\DK_Mf_100504_opteta1000_re_oG+Ks_MP2_li.MAT (GP:105.8 dB) AVG:84

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

60

70

80

90

100

110

f [Hz]



Dargestellt sind in den Bildern 107 bis 112 schmalbandige Schalldruckspektren

mit ihren zugehörigen Terzspektren aufgenommen jeweils an drei

Betriebspunkten. Die Schalldruckspektren und ihre Terzspektren weisen eine

relativ gute Vergleichbarkeit innerhalb eines Betriebspunktes und einer Drehzahl

beider Modifikationen auf. Auch hier lohnt sich ein Vergleich der Gesamtpegeln

innerhalb eines Betriebspunktes beider Modifikationen.

[U/min] φopt_li φopt φopt_re

n oG oG + Ks oG oG + Ks oG oG + Ks

2000 122,9 dB 124,3 dB 117,2 dB 117,0 dB 118,1 dB 117,6 dB

[oG+Ks]-oG 1,4 dB -0,2 dB -0,5 dB

1000 110,3 dB 110,7 dB 105,5 dB 104,8 dB 106,1 dB 105,8 dB

[oG+Ks]-oG 0,4 dB -0,7 dB -0,3 dB

Tabelle 7: Gegenüberstellung der Gesamtpegel verschiedener Betriebspunkte für zwei verschiedene Drehzahlen,

oG: ohne Gleichrichter; oG+Ks: ohne Gleichrichter und mit Kompensatoren

Die Gegenüberstellung der Gesamtpegel zeigen sehr gute Übereinstimmungen.

Die aufwändigeren Umbaumaßnahmen gegenüber den Umbaumaßnahmen des

Gleichrichters ließen größere Unterschiede hinsichtlich der Messergebnisse

erwarten. Doch die sehr guten Übereinstimmungen stellen die in Kapitel 6

aufgestellte Vermutung über die schlechte Reproduzierbarkeit der

Messergebnisse nach einem Umbau in Frage. Damit erhöht sich die

Wahrscheinlichkeit, dass in Kapitel 6 der tatsächliche Einfluss des Gleichrichters

gemessen wurde.

Der größte Einfluss ist links vom Optimum der Drosselkurve des Ventilators bei

einer Drehzahl von 2000 U/min zu erkennen. Diese Beobachtung wird von den

Terzspektren und den Gesamtpegeln bestätigt. Bei den BFF kann man mit

Kompensatoren niedrigere Pegel als ohne den Kompensatoren beobachten.

8 Der Blendenwechsel 81


8 Der Blendenwechsel

Aus den Auswertungen der aerodynamischen Messgrößen erkennt man eine

Einschränkung des Volumenstromes gegenüber älteren Messungen, verursacht

durch das Durchmesserverhältnis der jeweils verwendeten Messblende, vgl.

Kameier, Nr. L 180 /11/. Dadurch waren akustische Untersuchungen weit rechts

vom optimalen Betriebspunkt des Ventilators nicht möglich, siehe Bild 1. Für die

bevorstehende Untersuchung der Prognoseverfahren sind Betriebspunkte weit

rechts vom optimalen Betriebspunkt von größerer Bedeutung. Deshalb wurde an

der Normblende die Lochscheibe mit dem Durchmesserverhältnis β = 0,6 gegen

eine Lochscheibe mit dem Durchmesserverhältnis β = 0,802 ausgetauscht.

8.1 Aerodynamischer Vergleich verschiedener Modifikationen

Anhand der Kenliniendaten wird die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse

bewertet. Die durchgeführten Modifikationen sind im Einzelnen beschrieben:

: Leckagen und offene Stellen an der Anlage vorhanden (undicht), Gleichrichter eingebaut, Kompensator nicht eingebaut, Blende mit β = 0,6 : Leckagen und offene Stellen abgedichtet (dicht), Gleichrichter eingebaut, Kompensator nicht eingebaut, Blende mit β = 0,6 : Dicht, Gleichrichter abgebaut, Kompensator eingebaut, Blende mit β = 0,8

: Dicht, Gleichrichter abgebaut, Kompensator eingebaut, Blende mit β = 0,8, Reproduzierbarkeitsmessung



0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0,000 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500

qv [m³/s]

dp_

t [P

a]

Drosselung_1500_Blendealt Drosselung_1500_Blendeneu

Drosselung_1500_Blendeneu_Repro Drosselung_1500_undicht

20.08.2003

10.09.2003

19.05.2004

26.05.2004

0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

1,200

1,400

0,000 0,020 0,040 0,060 0,080 0,100 0,120 0,140 0,160

phi

psi

0,000

0,100

0,200

0,300

0,400

0,500

0,600

0,700

0,800

0,900

1,000

eta

Drosselung_1500_Blendealt Drosselung_1500_Blendeneu

Drosselung_1500_Blendeneu_Repro Drosselung_1500_undicht

Bild 113: Drosselkurve, aufgenommen an verschiedenen Tagen und bei verschiedenen Modifikationen

Bild 114: Kennlinie, aufgenommen an verschiedenen Tagen und bei verschiedenen Modifikationen

Optimale Betriebspunkte: [ � ��] : φφφφ = 0,0806 � ηηηη = 0,838 [ � � �] : φφφφ = 0,0816 � ηηηη = 0,865



Dargestellt sind in Bild 113 die Drosselkurven verschiedener Modifikationen. In

den darauf folgendem Bild 114 sind die zugehörigen Kennlinien dargestellt. An

den Drosselkurven in Bild 113 erkennt man, dass die undichte Modifikation

[Drosselung_1500_undicht] gegenüber der „dichten“ Modifikation

[Drosselung_1500_Blendealt] den Totaldruck dp_t schlechter aufbaut. Dies

spiegelt sich auch in Bild 114 wieder, wo man den Wirkungsgrad des Ventilators je

nach Modifikation ablesen kann. Am Optimalpunkt wurde ein Unterschied von 1,7

Prozentpunkten verzeichnet. Vermutlich ist dies auf das Abdichten der Anlage

zurückzuführen. Nach dem Abbau des Gleichrichters, Einbau der Kompensatoren

und dem Blendenwechsel [Drosselung_1500_Blendeneu] ist sogar ein

Unterschied von 2,7 Prozentpunkten zu der „dichten“ Modifikation

[Drosselung_1500_Blendealt] am Optimalpunkt festzustellen. Eine Erklärung zu

diesem Phänomen kann jedoch nicht geliefert werden. Eine Vermutung ist, dass

der Gleichrichter Verluste erzeugt und so den Totaldruckaufbau benachteiligt.

Ältere Messungen (ohne Gleichrichter) an dem hier untersuchten Ventilator

ergaben einen maximalen Wirkungsgrad von ungefähr 86%, vgl. Bommes,

„Ventilatoren“, August 1990 /12/. Dies kommt der Modifikation

[Drosselung_1500_Blendeneu] sehr nahe.

8.2 Akustischer Vergleich zwischen dem Blendenwechsel

In diesem Kapitel wird auf die Reproduzierbarkeit der akustischen

Messergebnisse nach einem Blendenwechsel eingegangen. Die aerodynamischen

Messergebnisse wiesen eine nicht zu vernachlässigende Abweichung nach einem

Blendenwechsel auf. Es ist drauf zu achten, dass im aerodynamischen Teil

zwischen den Modifikationen [Drosselung_1500_Blendealt] und

[Drosselung_1500_Blendeneu] der Abbau des Gleichrichters und der Einbau der

Kompensatoren liegt. Dies gilt aber nicht für den akustischen Teil, da die Akustik

empfindlicher gegenüber Umbauten an der Anlage reagiert. Die akustischen

Messungen beziehen sich somit immer nur vor und nach einem Umbau an der

Anlage. In wie weit nur der Blendenwechsel die akustischen Messergebnisse

beeinflusst, ist im Folgenden dargestellt.



16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 800040

50

60

70

80

90

100

110


f [Hz]

Lp [d

B]

Bild 115: Gegenüberstellung der Schalldruckspektren 0 Hz – 10 kHz mit einem Zoomplot von 0 Hz – 1 kHz, [blau: alte Blende, rot: neue Blende]� Ventilator: n=2000 U/min, φopt_li=0,034

[schwarz: alte Blende, grün: neue Blende]� Ventilator: n=1000 U/min, φopt_li=0,034

Bild 116: Gegenüberstellung der Terzspektren 0 Hz – 12,5 kHz, [blau: alte Blende, rot: neue Blende]� Ventilator: n=2000 U/min, φopt_li=0,034

[schwarz: alte Blende, grün: neue Blende]� Ventilator: n=1000 U/min, φopt_li=0,034

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

20

40

60

80

100

120


f [Hz]

Lp [d

B]

\DK_Mf_100504_opteta2000_li_oG+Ks_MP2_li.MAT (GP:124.3 dB) AVG:84\DK_Mf_210504_opteta2000alt_li_neueBlende_MP2_li.MAT (GP:124.9 dB) AVG:84\DK_Mf_100504_opteta1000_li_oG+Ks_MP1_li.MAT (GP:110.5 dB) AVG:84\DK_Mf_210504_opteta1000alt_li_neueBlende_MP1_li.MAT (GP:110.4 dB) AVG:84

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

60

70

80

90

100

110


Lp [d

B]



16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 800040

50

60

70

80

90

100


f [Hz]

Lp [d

B]

Bild 117: Gegenüberstellung der Schalldruckspektren 0 Hz – 10 kHz mit einem Zoomplot von 0 Hz – 1 kHz, [blau: alte Blende, rot: neue Blende]� Ventilator: n=2000 U/min, φopt=0,08

[schwarz: alte Blende, grün: neue Blende]� Ventilator: n=1000 U/min, φopt=0,08

Bild 118: Gegenüberstellung der Terzspektren 0 Hz – 12,5 kHz, [blau: alte Blende, rot: neue Blende]� Ventilator: n=2000 U/min, φopt=0,08

[schwarz: alte Blende, grün: neue Blende]� Ventilator: n=1000 U/min, φopt=0,08

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120


f [Hz]

Lp [d

B]

\DK_Mf_100504_opteta2000_oG+Ks_MP2_li.MAT (GP:117.0 dB) AVG:84\DK_Mf_210504_opteta2000alt_neueBlende_MP1_li.MAT (GP:116.5 dB) AVG:84\DK_Mf_100504_opteta1000_oG+Ks_MP1_li.MAT (GP:104.9 dB) AVG:84\DK_Mf_210504_opteta1000alt_neueBlende_MP2_li.MAT (GP:104.2 dB) AVG:84

0 100 200 300 400 500 600 700 800 90055

60

65

70

75

80

85

90

95

100

105

f [Hz]



16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 800040

50

60

70

80

90

100


f [Hz]

Lp [d

B]

Bild 119: Gegenüberstellung der Schalldruckspektren 0 Hz – 10 kHz mit einem Zoomplot von 0 Hz – 1 kHz, [blau: alte Blende, rot: neue Blende]� Ventilator: n=2000 U/min, φopt_re=0,086

[schwarz: alte Blende, grün: neue Blende]� Ventilator: n=1000 U/min, φopt_re=0,086

Bild 120: Gegenüberstellung der Terzspektren 0 Hz – 12,5 kHz, [blau: alte Blende, rot: neue Blende]� Ventilator: n=2000 U/min, φopt_re=0,086

[schwarz: alte Blende, grün: neue Blende]� Ventilator: n=1000 U/min, φopt_re=0,086

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120


f [Hz]

Lp [d

B]

\DK_Mf_100504_opteta2000_re_oG+Ks_MP1_li.MAT (GP:117.7 dB) AVG:84\DK_Mf_210504_opteta2000alt_re_neueBlende_MP1_li.MAT (GP:116.8 dB) AVG:84\DK_Mf_100504_opteta1000_re_oG+Ks_MP2_li.MAT (GP:105.8 dB) AVG:84\DK_Mf_210504_opteta1000alt_re_neueBlende_MP2_li.MAT (GP:104.8 dB) AVG:84

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 100055

60

65

70

75

80

85

90

95

100

105



Die Schalldruckspektren mit ihren zugehörigen Terzspektren, dargestellt in den

Bildern 115 bis 120, aufgenommen für zwei verschiedene Drehzahlen und drei

verschiedene Betriebspunkte beinhalten die Messergebnisse der Messungen vor

und nach einem Blendenwechsel. Das subjektive Empfinden während der

Messung nach dem Blendenwechsel lies vermuten, dass die Kurven sich in keiner

Weise ähneln würden, da sich durch eine andere Drosselstellung höhere

Geräuschentwicklungen bemerkbar machten. Aber die gut übereinstimmenden

Kurven in den Schalldruckspektren, bestätigt durch die Terzspektren und den

Gesamtpegeln, dargestellt in den Legenden der Schalldruckspektren, weisen

keine gravierenden Unterschiede auf. Dies lässt darauf schließen, dass die

Schalldämpfer und der Reflexionsarme Abschluss ihre Aufgabe sorgfältig und mit

großer Zufriedenheit getan haben. Den Messergebnissen kann man entnehmen,

dass mit dem Versuchsstand auch nach verschiedenen Umbauten eine gute

Reproduzierbarkeit der Schalldruckspektren im Kanal zu erreichen ist.

9 Nah- und Fernfeldspektrenvergleich verschiedener Betriebspunkte 88


9 Nah- und Fernfeldspektrenvergleich verschiedener Betriebspunkte

Neben den Schalldruckmessungen in der angeschlossenen druckseitigen

Rohrstrecke im Drehkanal – im folgenden Fernfeld genannt – sind Messungen der

Wanddruckschwankungen in unmittelbarer Nähe zum Laufrad – im folgenden

Nahfeld genannt – durchgeführt worden (siehe Bild 1 und Bild 2, Position [13]). Die

Rohrwand wurde mit einer Bohrung von d = 1 mm versehen. Über die Bohrung

wurde eine Hülse geklebt, so dass ein ¼ “ – Mikrofon der Marke Microtech

platziert werden konnte. Für die Messung wurde der Drehkanal in die gleiche

Ebene des Nahfeldmikrofons gedreht. Das Nahfeldmikrofon wurde an einem

zweiten Kanal des „Nexus“ Verstärkers angeschlossen. Die verstärkten Signale

beider Kanäle wurden dann über die Soundkarte als eine Stereo-WAV Datei

synchron abgespeichert. Der rechte Kanal der WAV-Datei beinhaltet die Signale,

die mit dem Nahfeldmikrofon und der linke Kanal die Signale, die mit dem

Fernfeldmikrofon aufgenommen wurden. Es wurden vier verschiedene

Betriebspunkte bei drei verschiedenen Drehzahlen aufgenommen. Die Ergebnisse

der Untersuchung sind im folgenden dargestellt.

Bild 121: Schematische Darstellung der Betriebspunkte für die akustische Untersuchung

φopt_li=0,034; φopt=0,08; φop_re=0,086; φop_re1=0,11



40

50

60

70

80

90

100

110Lp

[dB]

\nf_230704_opteta2000_li_HOCH1_re.MAT (GP:125.7 dB) AVG:82\nf_230704_opteta2000_li_HOCH1_li.MAT (GP:124.9 dB) AVG:82

30

40

50

60

70

80

90

100

110

Lp [d

B]

\nf_230704_opteta2000_HOCH1_re.MAT (GP:119.6 dB) AVG:82\nf_230704_opteta2000_HOCH1_li.MAT (GP:117.0 dB) AVG:82

40

50

60

70

80

90

100

110

Lp [d

B]

\nf_230704_opteta2000_re_HOCH1_re.MAT (GP:120.3 dB) AVG:82\nf_230704_opteta2000_re_HOCH1_li.MAT (GP:117.6 dB) AVG:82

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

40

50

60

70

80

90

100

110

f [Hz]

Lp [dB]

\nf_230704_opteta2000_re1_HOCH1_re.MAT (GP:122.6 dB) AVG:82\nf_230704_opteta2000_re1_HOCH1_li.MAT (GP:119.7 dB) AVG:82

Bild 122: Gegenüberstellung der Schalldruckspektren von 0 Hz – 8 kHz für ein Ventilatordrehzahl von n=2000 U/min,

[blau]:� Nahfeldmessung; [rot]: Fernfeldmessung

φ = 0,034 ψ = 1,28

φ = 0,08 ψ = 1,15

φ = 0,086 ψ = 1,12

φ = 0,11 ψ = 0,95

Turbulenzgeräusch [A]

1. BFF = (n/60) • z = 333 Hz



75

80

85

90

95

100

105

110

115

120

Lp [d

B]


70

80

90

100

110

Lp [d

B]


70

80

90

100

110

Lp [d

B]


100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

80

90

100

110

f [Hz]

Lp [dB]




φ = 0,034 ψ = 1,28

φ = 0,08 ψ = 1,15

φ = 0,086 ψ = 1,12

φ = 0,11 ψ = 0,95

Drehzahl- und Betriebspunktunabhängiger Unterschied [B]



60

70

80

90

100

110

120

Lp [d

B]

60

70

80

90

100

110

120

Lp [d

B]

50

60

70

80

90

100

110

120

Lp [d

B]

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 800050

60

70

80

90

100

110

120

f [Hz]

Lp [dB]

Bild 124: Gegenüberstellung der Terzspektren von 0 Hz – 12,5 kHz für ein Ventilatordrehzahl von n=2000 U/min,


φ = 0,034 ψ = 1,28 cRohr = 8,5 m/s

Terzpegelunterschied [C]

φ = 0,08 ψ = 1,15 cRohr = 20,1 m/s

φ = 0,086 ψ = 1,12 cRohr = 21,6 m/s

φ = 0,11 ψ = 0,95 cRohr = 27,6 m/s



104

106

108

110

112

114

Lp [d

B]

\nf_230704_opteta2000_li_HOCH1_re.MAT\nf_230704_opteta2000_li_HOCH1_li.MAT

100

102

104

106

108

110

112

114

Lp [d

B]

\nf_230704_opteta2000_HOCH1_re.MAT\nf_230704_opteta2000_HOCH1_li.MAT

102

104

106

108

110

112

114

Lp [d

B]

\nf_230704_opteta2000_re_HOCH1_re.MAT\nf_230704_opteta2000_re_HOCH1_li.MAT

0 10 20 30 40 50 60100

102

104

106

108

110

112

114

116

118

Zeit [s]

Lp [dB]

\nf_230704_opteta2000_re1_HOCH1_re.MAT\nf_230704_opteta2000_re1_HOCH1_li.MAT

Bild 125: Gegenüberstellung ungemittelter Gesamtpegel der 1. BFF aus Bild 123 für ein Ventilatordrehzahl von n=2000 U/min,


1. B

FF: 3

29,7

Hz

- 339

,2 H

z

1. B

FF: 3

29,7

Hz

- 339

,2 H

z

1. B

FF: 3

27 H

z –

341,

8 H

z

1. B

FF: 3

27 H

z –

341,

8 H

z

1. B

FF: 3

31,1

Hz

– 33

7,8

Hz

1. B

FF: 3

31,1

Hz

– 33

7,8

Hz

1. B

FF: 3

29,7

Hz

– 33

6,5

Hz

1. B

FF: 3

29,7

Hz

– 33

6,5

Hz

φ = 0,034 ψ = 1,28

φ = 0,08 ψ = 1,15

φ = 0,086 ψ = 1,12

φ = 0,11 ψ = 0,95

Pegelniveauunterschied [D]

Schw = 6 dB

Schw = 10 dB

Schw = 8 dB

Schw = 12 dB



30

40

50

60

70

80

90

100


Lp [d

B]


30

40

50

60

70

80

90

100

Lp [d

B]


30

40

50

60

70

80

90

100

Lp [d

B]


0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 800030

40

50

60

70

80

90

100

f [Hz]

Lp [dB]




φ = 0,034 ψ = 1,28

φ = 0,08 ψ = 1,15

φ = 0,086 ψ = 1,12

φ = 0,11 ψ = 0,95



65

70

75

80

85

90

95

100

105

110

Lp [d

B]


70

80

90

100

Lp [d

B]


70

80

90

100

Lp [d

B]


100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

70

80

90

100

f [Hz]

Lp [d

B]




φ = 0,034 ψ = 1,28

φ = 0,08 ψ = 1,15

φ = 0,086 ψ = 1,12

φ = 0,11 ψ = 0,95



50

60

70

80

90

100

110


Lp [d

B]

50

60

70

80

90

100

110

Lp [d

B]

50

60

70

80

90

100

110

Lp [d

B]

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 800040

50

60

70

80

90

100

110

f [Hz]

Lp [dB]



φ = 0,034 ψ = 1,28 cRohr = 6,4 m/s

φ = 0,08 ψ = 1,15 cRohr = 15,1 m/s

φ = 0,086 ψ = 1,12 cRohr = 16,2 m/s

φ = 0,11 ψ = 0,95 cRohr = 20,7 m/s



105

106

107

108

109

Lp [d

B]


84

86

88

90

92

94

96

98

100

102

104

Lp [d

B]


86

88

90

92

94

96

98

100

102

104

Lp [d

B]


0 10 20 30 40 50 6088

90

92

94

96

98

100

102

104

Zeit [s]

Lp [dB]




1. B

FF: 2

47,6

Hz

– 25

3 H

z

1. B

FF: 2

47,6

Hz

– 25

3 H

z

1. B

FF: 2

47,6

Hz

– 25

4,4

Hz

1. B

FF: 2

43,6

Hz

– 25

5,7

Hz

1. B

FF: 2

43,6

Hz

– 25

7,1

Hz

1. B

FF: 2

43,6

Hz

– 25

7,1

Hz

1. B

FF: 2

46,3

Hz

– 25

3 H

z

1. B

FF: 2

45 H

z –

253

Hz

φ = 0,034 ψ = 1,28

φ = 0,08 ψ = 1,15

φ = 0,086 ψ = 1,12

φ = 0,11 ψ = 0,95

Schw = 3 dB

Schw = 18 dB

Schw = 16 dB

Schw = 11 dB



20

30

40

50

60

70

80

90

100

Lp [d

B]


20

30

40

50

60

70

80

90

100

Lp [d

B]


20

30

40

50

60

70

80

90

100

Lp [d

B]


0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

20

30

40

50

60

70

80

90

100

f [Hz]

Lp [dB]




φ = 0,034 ψ = 1,28

φ = 0,08 ψ = 1,15

φ = 0,086 ψ = 1,12

φ = 0,11 ψ = 0,95



60

70

80

90

100

110

Lp [d

B]


60

70

80

90

100

Lp [d

B]


60

70

80

90

100

Lp [d

B]


100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

60

70

80

90

100

f [Hz]

Lp [dB]




φ = 0,034 ψ = 1,28

φ = 0,08 ψ = 1,15

φ = 0,086 ψ = 1,12

φ = 0,11 ψ = 0,95



50

60

70

80

90

100

110

Lp [d

B]

50

60

70

80

90

100

Lp [d

B]

50

60

70

80

90

100

110

Lp [d

B]

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 800040

50

60

70

80

90

100

110

f [Hz]

Lp [dB]



φ = 0,034 ψ = 1,28 cRohr = 4,3 m/s

φ = 0,08 ψ = 1,15 cRohr = 10 m/s

φ = 0,086 ψ = 1,12 cRohr = 10,8 m/s

φ = 0,11 ψ = 0,95 cRohr = 13,8 m/s



101

102

103

104

105\ ungemittelte GP [dB] für ein Frequenzband in Abhängigkeit der Zeit | Kanal: links | delta_t: 0.74304

Lp [d

B]


90

92

94

96

98

100

Lp [d

B]


88

90

92

94

96

98

100

Lp [d

B]


0 10 20 30 40 50 6084

86

88

90

92

94

96

98

100

Zeit [s]

Lp [dB]




1. B

FF: 1

64,2

Hz

– 16

9,6

Hz

1. B

FF: 1

64,2

Hz

– 16

9,6

Hz

1. B

FF: 1

62,8

Hz

– 17

2,3

Hz

1. B

FF: 1

62,8

Hz

– 17

2,3

Hz

1. B

FF: 1

62,8

Hz

– 16

9,6

Hz

1. B

FF: 1

62,8

Hz

– 17

2,3

Hz

1.

BFF

: 162

,8 H

z –

169,

6 H

z

1. B

FF: 1

62,8

Hz

– 17

0,9

Hz

φ = 0,034 ψ = 1,28

φ = 0,08 ψ = 1,15

φ = 0,086 ψ = 1,12

φ = 0,11 ψ = 0,95

Schw = 3 dB

Schw = 10 dB

Schw = 11 dB

Schw = 13 dB



Auffällig an allen Schalldruckspektren und Terzspektren sind die breitbandigen,

buckelförmigen Erhebungen [A] um die 3 kHz Frequenz. Bemerkenswert sind die

Pegelzunahmen der Turbulenzgeräusche [A] mit zunehmendem φ - Wert. Die

Terzspektren zeigen, dass bei relativ hohen φ - Werten die Turbulenzgeräusche

[A] die Gesamtpegel deutlich beeinflussen können. Bemerkenswert sind auch die

Schwankungen an den Turbulenzgeräuschen [A], die mit zunehmendem φ

schwinden.

Betrachtet man in den Schalldruckspektren den Bereich der 1. Cut-on Frequenz,

der bei 502,5 Hz (siehe Gl. (6)) liegt [B], so fällt auf, dass der Kurvenverlauf der

Nahfeldmessung unabhängig von Drehzahl und Betriebspunkt einen Druckberg,

aber die Fernfeldmessung dagegen ein Drucktal, aufweist. Eine Erklärung dafür

könnte in höheren akustischen Rohrmoden liegen.

Im Bereich von etwa 600 Hz befinden sich im Fernfeld Pegel, die die Pegel des

Nahfeldes überragen. Eine Vermutung ist, dass das Übertragungsverhalten der

Schlitzrohrsonde dafür verantwortlich sein könnte. Eine andere Vermutung wäre,

dass an den Schlitzen der Schlitzrohrsonde Verwirbelungen entstanden sind, die

in diesem Frequenzbereich dominierend waren. Zur Klärung sind weitere

Untersuchungen notwendig.

In Kapitel 3.5 wurden ungemittelte Gesamtpegel zur Untersuchung der

Umfangsverteilung tonaler Geräuschkomponenten im Drehkanal betrachtet. Nun

werden ungemittelte Gesamtpegel zur Untersuchung tonaler

Geräuschkomponente in axialer Richtung, stromab des Ventilators betrachtet. Die

ungemittelten Gesamtpegel der 1. BFF (Bilder 125, 129 und 133) weisen

Kurvenverläufe auf, die sich bei niedrigen Drehzahlen zwar im gleichen

Pegelniveau befinden (Ausnahme Bild 129 bei φ = 0,034), sich dafür aber nicht

exakt ähneln. Die Kurvenverläufe bei hohen Drehzahlen (Bild 125) haben dagegen

zwar einen Pegelniveau-Unterschied, ähneln sich dafür exakt. Vergleicht man die

ungemittelten Gesamtpegel der 1. BFF mit den Terzpegeln auf der

Terzmittenfrequenz, wo sich die 1. BFF befindet, so erkennt man, dass sich eine

Aussage deckt: Der Gesamtpegelniveau-Unterschied [D] in den ungemittelten

Gesamtpegeln der 1. BFF des Nahfeldes zum Fernfeld ist proportional zu dem

zugehörigen Terzpegelunterschied [C]. Eine Gesetzmäßigkeit, wie sich die BFF je

nach Drehzahl und Betriebspunkt entwickelt, ist hier noch nicht zu erkennen. Hohe

Schwankungen der 1. BFF (siehe Bilder 125, 129 und 133, abgekürzt mit Schw)



befinden sich bei relativ hohen φ - Werten, aber eine Gesetzmäßigkeit ist

wiederum nicht zu erkennen.

Alle Gesamtpegel des Nahfeldes, dargestellt in den Legenden der

Schalldruckspektren, liegen wie erwartet über den Gesamtpegel des zugehörigen

Fernfeldes. Die Gesamtpegel unterscheiden sich sehr stark in den

Gesamtpegeldifferenzen, die im folgenden als Tabelle zur Übersicht

zusammengefasst sind:

n = 2000 n = 1500 n = 1000 φ Nahfeld Fernfeld ∆ GP Nahfeld Fernfeld ∆ GP Nahfeld Fernfeld ∆ GP

0,034 125,7 [dB]

124,9 [dB]

0,8 [dB]

119,2 [dB]

117,9 [dB]

1,3 [dB]

111,5 [dB]

110,7 [dB]

0,8 [dB]

0,08 119,6 [dB]

117,0 [dB]

2,6 [dB]

113,0 [dB]

110,3 [dB]

2,7 [dB]

105,8 [dB]

104,5 [dB]

1,3 [dB]

0,086 120,3 [dB]

117,6 [dB]

2,7 [dB]

113,8 [dB]

111,1 [dB]

2,7 [dB]

106,6 [dB]

105,3 [dB]

1,3 [dB]

0,11 122,6 [dB]

119,7 [dB]

2,9 [dB]

116,5 [dB]

113,2 [dB]

3,3 [dB]

109,1 [dB]

106,6 [dB]

2,5 [dB]

Tabelle 8: Übersicht der Gesamtpegel, Betriebspunkte bei dreiDrehzahlen

Man erkennt in Tabelle 8, dass die Gesamtpegeldifferenzen ∆GP mit steigendem

φ - Wert zunehmen. Interessant ist, dass bei einem φ - Wert und bei abnehmender

Drehzahl die Gesamtpegeldifferenz zuerst (von 2000 U/min auf 1500 U/min) leicht

zunimmt und dann (auf 1000 U/min) stark abnimmt. Eine Gesetzmäßigkeit ist

wiederum nicht zu erkennen. Um eine Gesetzmäßigkeit herauszufinden wären

umfangreichere Untersuchungen (mit mehreren Betriebspunkten bei mehreren

Drehzahlen) empfehlenswert.

10 Das Prognoseverfahren

Die Geräuschspektren von Ventilatoren setzen sich aus einem breitbandigen

Rauschanteil und überlagerten Tönen zusammen. Für das breitbandige Rauschen

dürften im wesentlichen Schallquellen mit Dipolcharakter verantwortlich sein, die

zurückzuführen sind auf Wirbelablösung und turbulente Anströmung von festen

Konstruktionsteilen.

Einzeltöne im Spektrum werden hauptsächlich durch periodische Wechselkräfte

hervorgerufen, die durch die Wechselwirkung von bewegten und unbewegten

10 Das Prognoseverfahren 103


festen Konstruktionsteilen des Ventilators und die damit verbundene

periodisch.schwankende Anströmung dieser Teile entstehen. Pegelbestimmende

Einzeltöne im Spektrum können bei den Radialventilatoren durch Wechselwirkung

zwischen den Schaufeln und der Zunge auftreten /13/.

Für die Gültigkeit des bevorstehenden Prognoseverfahrens ist die Trennung des

breitbandigen Rauschanteils von den Einzeltönen im Schalldruckspektrum

unumgänglich, da jedes für sich prognostiziert wird. Erst im nächsten Stadium

werden die Geräuschdaten „Rauschanteil“ und „Einzeltöne“ zusammengeführt und

so das Gesamtspektrum prognostiziert.

10.1 Vorbereitung für das Prognoseverfahren

Für das Prognoseverfahren wurde zunächst ein Programm in Matlab geschrieben

(Mat_kap.m, Mat_lesen_darstellen_kap.m). Die Anwendung der Programme und

die Vorgehensweise zur Programmierung sind in den Programmen selbst und im

Anhang C dokumentiert.

Schließlich wurden die ersten Spektren von den Einzeltönen befreit (Der genaue

Algorithmus wird im Anhang CB erläutert) und als Vorbereitung für das

Prognoseverfahren ausgewertet. Diese sind im folgenden als Schalldruckspektren

und Terzspektren dargestellt. Die akustischen Untersuchungen erfolgten für die in

Bild 134 dargestellten Betriebspunkte und Drehzahlen.

Bild 134: Schematische Darstellung der Betriebspunkte für die akustische Untersuchung

Bild 135

Bild 136

Bild 137

Bild 138

Bild 139

Bild 140



200 400 600 800 1000 1200 1400

75

80

85

90

95

100

105

110

115

120


f [Hz]

Lp [d

B]

\DK_Ss_090204_opteta2000_HOCH1_li.MAT (GP:117.8 dB...109.2 dB(A))\DK_Ss_090204_opteta2000_HOCH1_li_k.MAT (GP:115.2 dB...107.4 dB(A))

Bild 135: Gegenüberstellung der Schalldruckspektren von 0 Hz – 1,6 kHz,

blau: ungekappt; rot: gekappt + 0 Hz bis 44 Hz Pegel auf 0 dB verringert; n=2000 U/min;φ=0,08

200 400 600 800 1000 1200 1400

70

75

80

85

90

95

100

105

110

115


f [Hz]

Lp [d

B]

\Dk_Ss_130204_phi017_HOCH9_li.MAT (GP:121.7 dB...110.3 dB(A))\Dk_Ss_130204_phi017_HOCH9_li_k.MAT (GP:116.0 dB...107.0 dB(A))



16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 80000

20

40

60

80

100

120

f [Hz]

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 80000

20

40

60

80

100

120

f [Hz]



0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

65

70

75

80

85

90

95

100

105


f [Hz]

Lp [

dB]




200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

65

70

75

80

85

90

95

100


f [Hz]

Lp [

dB]




16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 80000

20

40

60

80

100

120

f [Hz]

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 80000

20

40

60

80

100

120

f [Hz]



200 400 600 800 1000 1200 1400

60

70

80

90

100

110

120


f [Hz]

Lp [d

B]




0 200 400 600 800 1000 1200 1400 160050

60

70

80

90

100


f [Hz]

Lp [d

B]


Bild 140: Gegenüberstellung der Schalldruckspektren von 0 Hz – 1,6 kHz, blau: ungekappt; rot: gekappt + 0 Hz bis 44 Hz Pegel auf 0 dB verringert; n=1000 U/min;φ=0,052

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 80000

20

40

60

80

100

120

f [Hz]

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 80000

20

40

60

80

100

120

f [Hz]



Bild φ n GP GPkap ∆ GP GP(A) GP(A)kap ∆ GP(A) [ ] [U/min] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB]

135 0,08 2000 117,8 115,2 2,6 109,2 107,4 1,8 136 0,017 1600 121,7 116 5,7 110,3 107 3,3 137 0,052 1600 115,8 111,1 4,7 105,2 101,4 3,8 138 0,08 1600 113,7 109,3 4,4 102,9 100,5 2,4 139 0,08 1250 109 103,3 5,7 95 94,4 0,6 140 0,052 1000 107,5 99,9 7,6 91,3 89 2,3

Tabelle 9: Gesamtpegel der Untersuchten Betriebspunkte in Übersicht

Dargestellt in den Bildern 135 bis 140 sind gekappte und ungekappte

Schalldruckspektren mit ihren zugehörigen Terzspektren der Betriebspunkte, die

in Bild 134 aufgeführt sind (siehe Anhang CA und CB). Zur Übersicht sind die

Gesamtpegel der Schalldruckspektren aller untersuchten Betriebspunkte in

Tabelle 9 aufgelistet. In Tabelle 9 erkennt man eine nicht zu vernachlässigende

Gesamtpegeländerung nach dem Kappen und dem Herabsetzen des

tieffrequenten Anteils, gemäß DIN EN ISO 5136 (50 Hz – 10 kHz). Eine

Beziehung, die für das Prognoseverfahren eine wichtige Rolle spielt, ist noch nicht

zu erkennen. Für die Untersuchungen sind die kombinierten

Frequenzgangkorrekturen (C = C1 + C2 + C3,4; siehe Diplomarbeit Previti, Mai

2003 /16/) nicht berücksichtigt worden. Insbesondere C3,4 hat bei höheren

Frequenzen einen großen Einfluss, während C2 einen deutlich geringeren Einfluss

hat.

11 Zusammenfassung 108


11 Zusammenfassung

Der aeroakustische Ventilatorenprüfstand wurde nach dem Wiedereinbau des

reflexionsarmen Abschlusses und des Drehkanals in Betrieb genommen und die

ersten Messdaten aufgezeichnet und ausgewertet. Die akustischen

Aufzeichnungen erfolgten in Abhängigkeit der Betriebspunkte mit verschiedenen

Drehzahlhochfahrten.

Einflüsse verschiedener Modifikationen wurden ausgewertet. Eine Undichtigkeit in

der Nähe des Mikrofons wurde simuliert und mit der dichten Modifikation,

akustisch sowie aerodynamisch verglichen. Akustische Unterschiede waren im

Gegensatz zu aerodynamischen Unterschieden nicht zu erkennen. Beim Vergleich

der Ventilatorgeräusche an zwei festen Positionen im Drehkanal wurden

Differenzen festgestellt, die vermutlich durch höhere akustische Rohrmoden

verursacht wurden.

Das Messsystem wurde auf Tauglichkeit für professionelle Anwendungsgebiete

getestet und erwies sich als zufriedenstellend. Die Errechnung der optimalen

Aussteuerungswerte konnte mit der verwendeten Soundkarte nicht gelöst werden.

Der Gleichrichter wies einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die

Geräuschanalyse sowie auf die Aerodynamik auf. Der Wechsel der Normblende

mit einem größeren Öffnungsverhältnis ermöglichte einen größeren

Volumendurchsatz, d.h. die Ventilatorkennlinie konnte bis weit rechts vom

Optimalpunkt ermittelt werden. Der Vergleich der akustischen Auswertungen vor

und nach dem Blendenwechsel wies keine gravierenden Unterschiede auf. Auch

der akustische Vergleich der Modifikationen mit und ohne schallharte

Kompensatoren, wies keine nennenswerten Unterschiede auf.

Geschriebene Programme von Klitz /1/ wurden mit Menues versehen und

erweitert. Bei der Programmierung wurde besonders auf die

Bedienerfreundlichkeit Wert gelegt. Das Programm wurde mit dem Plot

ungemittelter Gesamtpegel und mit dem Plot eines Spektogramms jeweils über

einen gewählten Frequenzbereich erweitert. Dazu kamen die Frequenz-

gangkorrekturen der Schlitzrohrsonde, die mit diesem Programm berücksichtigt

werden können. Zur Beseitigung der Drehtöne vom Schalldruckspektrum wurde

ein Programm erstellt, das ebenfalls auf bedienerfreundliche Weise funktioniert.

12 Literatur 109


12 Literatur

/1/ Klitz, „Konstruktion Aufbau und Programmierung eines Drehkanals zur

Bestimmung der von Ventilatoren in Kanäle abgestrahlten Schalleistung“;

Düsseldorf, 6/2003.

/2/ DIN ISO 5136, „Bestimmung der von Ventilatoren und anderen

Strömungsmaschinen in Kanäle abgestrahlten Schalleistung“; 10/2003.

/3/ Willi Bohl, „Strömungsmaschinen 1“; Vogel Buchverlag, 7. Auflage.

/4/ Demissie, Diplomarbeit; 2000.

/5/ c’t 1/1998.

/6/ c’t 21/1999.

/7/ VDI Richtlinien 2081, „Geräuscherzeugung und Lärmminderung in

Raumlufttechnischen Anlagen“, Juli 2001.

/8/ L. Bommes / J. Fricke / R. Grundmann, „Ventilatoren“, Vulkan Verlag, 2002.

/9/ Schmidt A.; Jeschke D.; „Parameterstudie zur Terzfilterung mittels der Fast

Fourier Transformation“, IMW Institutsmitteilung Nr. 22, 1997.

/10/ http://www.nano.physik.uni-muenchen.de/elektronik/nav/k12t2.html.

/11/ Kameier, „Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall“, Nr. L 180,

September 2000.

/12/ L. Bommes, „Ventilatoren“, August 1990.

/13/ M. Heckl, H.A. Müller, „Taschenbuch der technischen Akustik“, Springer

Verlag, 1994.

/14/ National Instruments, Dasylab V 5.6 Hilfe, Mönchengladbach 2000.

/15/ Frank Kameier, Vorlesungsskript „Strömungsakustik“ Teil 1, Düsseldorf,

2001.

/16/ Previti, „Objektorientierte Programmierung eines Ventilatorenprüfstandes zur

aeroakustischen Leistungsvermessung“; 5/2003.

13 Verwendete Formelzeichen 110


13 Verwendete Formelzeichen

A Amplitude [ ]

a Schallgeschwindigkeit [m/s]

BFF Blatfolgefrequenz [Hz]

DRohr Kanaldurchmesser [m]

DVent Durchmesser des Ventilators [m]

dp1 Absolutdruck vor der Blende [mbar]

dpa Absolutdruck am Ventilatoraustritt [mbar]

dpBl Blendenwirkdruckdifferenz [mbar]

ε Formfaktor des Bewertungsfensters [ ]

f Frequenz [Hz]

φ Lieferzahl [ ]

fco „cut-on“ – Frequenz [Hz]

∆f Frequenzauflösung [Hz]

fm Terzmittenfrequenz [Hz]

Fs Abtastrate [Hz]

GP Gesamtpegel [dB]

η Wirkungsgrad [ ]

Lp Schalldruckpegel [dB]

Lpdyn Dynamik [dB]

LW Schallleistungspegel [dB]

M Drehmoment des Motors [Nm]

n Motordrehzahl [U/min]

nfft Blockgröße [ ]

p~ Schalldruck [Pa]

0p~ Bezugsschalldruck [Pa]

pb Barometerstand [mbar]

∆pt Totaldruckerhöhung [mbar]

PW Motorleistung [W]

t Zeit [s]

T Zeitfenster [s]

13 Verwendete Formelzeichen 111


T1 Temperatur am Austritt des Ventilators [°C]

tA Aufnahmedauer [s]

TE Temperatur am Eintritt des Ventilators [°C]

U Spannung [V]

u Umfangsgeschwindigkeit [m/s] .V Volumenstrom [m³/s]

ω Winkelgeschwindigkeit [1/s]

Y Stutzenarbeit [Nm/kg]

ψ Druckzahl [ ]

z Anzahl der Schaufeln [ ]

Anhang 112


Anhang AA: Umsetzung der Theorie in Dasylab

Fs1

t =∆ (Gl. 10)

Mit der Abtastrate Fs stellt

man die Geschwindigkeit

ein, mit der Werte pro

Sekunde gelesen werden.

Dementsprechend kann

man den Abstand zweier

benachbarter Werte

errechnen (Gl. 10).

Bild 141: gezoomtes Sinus-Signal im Zeitbereich

Die Blockgröße gibt die

Anzahl der Datenwerte

an, die in den einzelnen

Modulen in einem

Bearbeitungszyklus ver-

arbeitet werden. Es kann

jeder beliebige Wert

zwischen 1 und 32768

eingestellt werden; für die

FFT notwendig sind

jedoch 2er-Potenzen. Bild 142: Sinus-Signal im Zeitbereich

Ein Modul bearbeitet Daten erst dann komplett, wenn die Anzahl der eingestellten

Werte (Blockgröße nfft) dem Modul am jeweiligen Eingang zur Verfügung steht

/14/.

t∆

T

Anhang 113


Wie lange es dauert (Zeitfenster T), bis die eingestellten Werte weiterverarbeitet

werden, hängen ganz von der eingestellten Blockgröße (nfft) und der Abtastrate

(Fs) ab:

(Gl. 11)

T1

nfftFs

f ==∆ (Gl. 12)

Für eine genaue

Frequenzauflösung be-

nötigt man einen langen

Betrachtungszeitraum,

für eine präzise

Betrachtung im Zeit-

bereich benötigt man

dagegen einen geringen

Abtastabstand, respek-

tive eine höhere Abtast-

rate. Will man beide

Anforderungen erfüllen,

so fällt eine entsprech-

end große Datenmenge an. Bild 143: gezoomtes Sinus-Signal im Spektrum

Das Abtasttheorem

besagt, dass ein

kontinuierliches Signal

mit einer Maximal-

frequenz fmax mit einer

Frequenz mindestens

2×fmax abgetastet werden

muss, damit man aus

dem so erhaltenen

zeitdiskreten Signal das

Bild 144: Sinus-Signal im Spektrum

Fsnfft

T =

f∆

Anhang 114


Fs*tA x 2

tA/T x 1

nfft/2 x 1

nfft/2 x tA/T

Fs*tA x 1

Ursprungssignal ohne Informationsverlust wieder rekonstruieren kann. Das heißt,

mit einer FFT kann im Spektrum nur der Frequenzbereich bis

(Gl. 13)

dargestellt werden.

∆t [s]: Abstand zweier benachbarter Stützstellen Fs [Hz]: Abtastrate

nfft []: Anzahl der Stützstellen, Blockgröße T [s]: Zeitfenster

∆f [Hz]: Frequenzauflösung tA: Aufnahmedauer

Anhang AB: Umsetzung der Theorie in Matlab

Es liegt eine WAV Datei aufgenommen mit 44,1 kHz und 16 Bit vor.

Einlesen der rohen Zeitdaten:

• [zeitdaten_roh, abtastrate, bits] = wavread(datei.wav);

� zeitdaten_roh sind Werte, die in einem Zeitraum mit der

Abtastgeschwindigkeit eingelesen wurden.

� (Matlab erzeugt eine Matrix mit dem Namen zeitdaten_roh

mit Fs*tA Zeilen und 2 Spalten, da die Soundkarte stereo also

zweikanalig betrieben wird)

zeitdaten_roh umwandeln in zeitdaten_Pa:

• zeitdaten_Pa = zeitdaten_roh(:,2) * kalibrierfaktor;

� Sofern nur ein Kanal analysiert werden soll, wird z.B. die zweite Spalte der

Matrix von zeitdaten_roh betrachtet. Alle Zeilen der zweiten Spalte werden mit

dem Kalibrierfaktor multipliziert und so auf die Einheit [Pa] überführt.

FFT der WAV Datei mit dem Befehl specgram:

• [B_th, F_th, T_th] = specgram(zeitdaten_Pa, blockgroesse, abtastrate);

� Erstellt in T_th die Zeitachse und skaliert sie.

Erstellt in F_th die Frequenzachse und skaliert sie.

Berechnet in B_th die FFT von zeitdaten_Pa, die Komplex sind.

2Fs

fmax =

Anhang 115


Bild 145: Unter Matlab erstelltes Spektogramm

Dies ist nur ein ausgewählter Abschnitt (Zoomplot) in einem Spektogramm zur

Verdeutlichung der Matrizen, die in Matlab erstellt werden.

x-Achse: T_th

Die Anzahl der Linien entspricht der Anzahl der Schalldruckspektren, die tA/T

betragen. D.h. während der Aufnahmezeit tA wurden jede T Sekunden ein

Schalldruckspektrum erzeugt.

y-Achse: F_th

Da dies nur ein Zoomplot ist, geht der Frequenzbereich nur von ca. 327 Hz bis ca.

338 Hz. Würde man sich das Spektogramm ungezoomt betrachten, müsste der

Frequenzbereich zwischen 0 Hz und Fs/2 betragen. In Matlab würde deshalb ein

Matrix mit nfft/2 Zeilen erzeugt werden, da die nfft/2 Stelle im Matrix vom gesamten

Frequenzbereich genau Fs/2 beträgt.

z-Achse: aps_lin_mittel_dB_gesamt

Die z-Achse ist mit der zugehörigen Legende Farblich dargestellt. Die Einheit ist

[dB] und wird in den folgenden Seiten berechnet.

Linie

Anhang 116


Die Fouriertransformation einer reelen Messgröße ergibt eine komplexe Größe,

die symmetrisch zur 0 Hz Frequenzlinie verläuft. Bild 146 zeigt ein Fourier-

Spektrum, das sich über den gesamten positiven und negativen Frequenzbereich

erstreckt. In Bild 147 ist der Ergebnisvektor nach positiven und negativen

Frequenzen sortiert /15/.

Gleichanteil

A

FFT

Anzahlpunkte

Bild 146: Schematische Dartellung eines zweiseitigen Fourierspektrums, die negativen Frequenzen sind an die Positiven angefügt, vgl. Chlyeh, 2000, /15/.

f

A

Gleichanteil

Negativer AnteilPositiver Anteil

Anzahlpunkte

Bild 147: Sortierte Darstellung des Ergebnisvektors nach negativen und positiven Anteilen, Chlyeh, 2000, /15/.

Anhang 117


nfft/2 x tA/T

nfft/2 x 1

1 x 1

Berechnung der APS:

• aps_lin_Pa_gesamt = (2.0 * fenster * abs(B_th) / blockgroesse) / sqrt(2.0);

� Der Faktor 2 ersetzt die theoretisch durchzuführende Addition der

Amplituden des negativen und positiven Frequenzbereiches. Der

Fensterfaktor macht die Normierung des angewendeten Wichtungsfensters

Rückgängig. Mit der Division durch sqrt(2.0) werden RMS-Amplituden

berechnet.

Gesonderte Beachtung des Gleichanteils:

• aps_lin_Pa_gesamt(1,:) = aps_lin_Pa_gesamt(1,:) ./ 2.0;

� Die erste Zeile von aps_lin_Pa_gesamt wird durch 2 dividiert, da der

Gleichanteil, wie in Bild 147 dargestellt, nur einmal vorkommt. Die erste

Zeile darf also nicht mit dem Faktor 2 vervielfacht werden.

Mitteln des APS:

• aps_lin_mittel_Pa_gesamt = sqrt(sum(aps_lin_Pa_gesamt.^2, 2)/n);

� Die Anzahl der Spektren aps_lin_Pa_gesamt beträgt tA/T. Diese werden hier

quadratisch gemittelt: n

A

A

n

1i

2ij

j

�== mit n = tA/T (Gl. 14)

so, dass im Matrix nur noch eine Spalte übrig bleibt. Dies ist dann das

zeitlich gemittelte Schalldruckspektrum.

Umrechnung der Schalldrücke in Schalldruckpegel:

• aps_lin_mittel_dB_gesamt = 20*log10(aps_lin_mittel_Pa_gesamt ./ p_null);

• gp_aps_lin_mittel_dB_gesamt=20*log10(gp_aps_lin_mittel_Pa_gesamt ./ p_null);

� Die Matrix aps_lin_mittel_Pa_gesamt und die Zahl gp_aps_lin_mittel_Pa_gesamt mit

der Einheit [Pa] wird in [dB] umgerechnet:

��

��

�=

0p p

plog*20L mit 5

0 10*2p −= (Gl. 15)

Berechnung der Gesamtpegel:

• gp_aps_lin_mittel_Pa_gesamt = sqrt(1/epsilon*sum(aps_lin_mittel_Pa_gesamt.^2));

� Der Gesamtpegel wird wie folgt berechnet:

�=ε

=N

1i

2iA*

1GP (Gl. 16)

nfft/2 x 1

Anhang 118


Anhang B: Bedienungsanleitung für das Programm „Mat_lesen_darstellen_3DAPS.m“

Nachdem das Programm „Mat_lesen_darstellen_3DAPS.m“ in Matlab geöffnet

und gestartet wurde erscheint das Fenster:

Bild 148: Auswahlfenster

Hier können MAT-Dateien ausgewählt werden, die mit Hilfe des Programms

„Wav_Analyse_Programm_auto_3DAPS“ erstellt wurden.

Nach dem auswählen einer MAT-Datei erscheint ein Menue bei dem man

zwischen der Optionen „Frequenzgangkorrektur durchführen“ oder

„unkorrigiert fortfahren“ wählen kann (näheres zu Frequenzgangkorrektur siehe

Anhang D). Nun werden 3 Fenster mit folgendem Inhalt geöffnet:

• Figure No.1: Zeitlich gemitteltes Schalldruckspektrum über der Frequenz

• Figure No.2: Gesamtpegel über der Zeit

• Figure No.3: Terzspektrum

Anhang 119


Bild 149: Drei erstellte Diagrammfenster: Schalldruckspektrum, zeitabhängiger Gesamtpegel, Terzspektrum

Nun erscheint ein Menue:

Bild 150: Menue 1

Die Option „Terzpegelabweichungen plotten“ kann nur ausgewählt werden,

wenn im Diagrammfenster Figure No.3 zwei Terzspektren zu sehen sind. Mit

dieser Option werden die Terzpegelabweichungen zweier Terzspektren graphisch

dargestellt.

Wird die erste Option „Spektogramm plotten“ gewählt, öffnet sich ein weiteres

Menue:

Bild 151: Menue 2

Anhang 120


Diese Abfrage dient der graphischen Darstellung des Spektogramms. Falls

Geräusche während einer Drehung des Drehkanals aufgenommen wurden, sollte

über der „Umfangsposition“ aufgetragen und falls Geräusche während eines

Stillstands aufgenommen wurden, sollte über der „Zeit“ aufgetragen werden. Wird

eine dieser Optionen ausgewählt, so gelangt man in einen Dialogbox:

Bild 152: Dialogbox. Hier ist ein Frequenzbereich einzugeben.

Hier kann man den Frequenzbereich angeben, der im Spektogramm dargestellt

werden soll. Zusätzlich wird ein weiteres Fenster erstellt, das ungemittelte

Gesamtpegel des angegebenen Frequenzbereiches in Abhängigkeit der im

[Menue 2] gewählten Option beinhaltet.

Bild 153: zwei erstellte Diagrammfenster: ungemittelte Gesamtpegel und Spektogramm

des angegebenen Frequenzbereiches

Anhang 121


Wird in eines der beiden Menues abgebrochen, so erscheint ein weiteres Menue:

Bild 154: Menue 3

Mit der Option „JA“ lassen sich weitere Kurven in die schon erstellten

Diagrammfenster einlesen. So lassen sich verschiedene Kurven miteinander

vergleichen. Eine Multidiagrammansicht (mehrere Kurven in einem Diagramm) ist

außer im Diagrammfenster „Spektogramm plotten“ und

„Terzpegelabweichungen plotten“ bei allen Diagrammfenstern möglich. Zu

beachten ist, dass bei Multidiagrammdarstellungen für die ungemittelten

Gesamtpegel die selbe Abhängigkeit (Umfangsposition / Zeit) in Menue 2 gewählt

werden muss.

Mit der Option „Vergleichsplot“ lassen sich Terzpegel aus TXT-Dateien einlesen

und ins Terzspektrum als Kreise einzeichnen. So lassen sich z.B. mit anderen

Messinstrumenten aufgenommenen Terzspektren mit der des Rechners

vergleichen. Der Inhalt der TXT-Datei unterliegt einer bestimmten Struktur, damit

das Programm „Mat_lesen_darstellen_3DAPS.m“ diese auch lesen kann. Für die

richtige Struktur sorgt das Programm „terzlp2txt.m“. Es werden hintereinander je

nach Terzmittenfrequenz die Terzpegel eingegeben. Daraus wird dann eine TXT-

Datei mit dem Namen terzpegel_1.txt erzeugt. Gibt man weitere Messgruppen ein,

so erhöht sich die Zahl im Namen terzpegel_1.txt fortlaufend.

Anhang 122


Anhang CA: Bedienungsanleitung für das Programm zum Kappen

Das Programm zum Kappen „Mat_kap.m“ verwendet bereits erstellte

Schalldruckspektren und kappt nach einer Eingabeaufforderung der Drehzahl die

BFF. Dazu hat man die Möglichkeit unerwünschte Peaks manuell zu kappen

(interaktiv). Mit dem starten des Programms erscheint ein Datei-Auswahlfenster.

Dann wird folgendermaßen vorgegangen:

- Im Datei-Auswahlfenster wird die

MAT-Datei ausgewählt, die mit dem

Programm „Wav_Analyse_Prog-

ramm_auto.m“ oder mit dem

Programm „Wav_Analyse_Prog-

ramm_auto_3DAPS.m“ erstellt

wurde.

Bild 155: Auswahlfenster

- Danach erfolgt ein Plot des

Schalldruckspektrums mit einer

Eingabeaufforderung nach der

Drehzahl um die Peaks der BFF

aufzufinden.

Bild1156:Drehzahlabfrage

- Nach dem Auffinden der Peaks erscheinen hintereinander Plots mit

Abfragefenstern, ob die aufgefundenen Peaks gekappt werden sollen. Im

Abfragefenster-Text ist die Frequenz der zu kappenden Peaks aufgeführt. Mit

dem Klick auf den Button „Ja“ wird bei der aufgeführten Frequenz der Peak

gekappt. Dabei ändert sich die Farbe des „neuen“ Schalldruckspektrums. Mit

„Nein“ wird das Programm beendet und das „neue“ Schalldruckspektrum unter

Anhang 123


Bild 157: Kappung der Drehtonabhängigen Peaks

Bild 158: interaktive Kappung beliebiger Peaks

dem Dateinamen [alte Dateiname]

[_kap][.MAT], im Verzeichnis, wo sich

die alte MAT-Datei befand,

abgespeichert.

- Mit „Start interaktiv“ wird das von

Drehtönen befreite Schalldruck-

spektrum aktualisiert und in

einheitlichen Farben geplottet. Mit

dem Mauszeiger kann nun ein

Rechteck um einen Peak gelegt

werden, den man aus dem

Schalldruckspektrum entfernen

möchte. Nach jedem interaktiv

gekappten Peak erscheint das

Abfragefenster „Nochmal interaktiv

kappen“. Mit „Ja“ kann man das interaktive Plotten fortsetzen. Mit „Nein“ wird

das aktuelle Spektrum, wie oben beschrieben, abgespeichert.

- Beim Abspeichern werden die Schalldruckpegel bis 44 Hz (Eckbandfrequenz

der 50 Hz Terzfrequenz) auf 0 dB herabgesetzt. Somit wird der Messvorschrift

der DIN EN ISO 5136 (Terzspektren von 50 Hz bis 10 kHz) nachgekommen.

Die abgespeicherte MAT-Datei kann nun mit „Mat_lesen_darstellen_kap.m“ zur

Auswertung dargestellt werden. Hiermit können Multiplots der MAT-Dateien mit

und ohne den Zusatz „_kap“ erstellt werden.

Anhang 124


Anhang CB: Die Kappung

Es wird unterschieden zwischen der theoretischen BFF und der realen BFF. Die

theoretische BFF ergibt sich aus der Drehzahl, was aber nicht heißt, dass es auch

im Schalldruckspektrum zu sehen sein müsste. Im Schalldruckspektrum befindet

sich der Peak meist nicht genau bei der berechneten BFF. Diese Abweichungen

liegen an der manuellen Eingabe der Drehzahl, die über eine induktive Messung

erfolgt und an möglichen Drehzahlschwankungen leidet. Die Drehzahleingabe ist

notwendig, um den abzusuchenden Bereich einzugrenzen. Es wird ein Bereich

±15 Linien um den Bereich der theoretischen BFF abgesucht. Nach dem Auffinden

des Peaks wird er in zwei Teile geteilt (rechte Seite des Peaks, linke Seite des

Peaks). Ein Peak hat die Eigenschaft, dass er vom Maximalwert her fällt (rechts

vom Maximalwert, sowohl links vom Maximalwert). Sobald ein Wert größer als

sein Vorgänger ist, hört der Peak auf. Dies sind die Endpunkte des Peaks

(rechtsseitig, sowohl linksseitig). Zwischen den beiden Punkten wird eine Gerade

mit y = m x x + n erstellt. Die dazwischen liegenden Punkte gehören somit zum

Peak und werden alle auf die Gerade heruntergesetzt.

Bild 159: Schematische Darstellung des Kapp-Prinzips

Anhang 125


Anhang D: Die kombinierte Frequenzgangkorrektur nach DIN EN ISO 5136

2000 4000 6000 8000 10000 12000-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

f [Hz]

C2

Bild 160: Frequenzgangkorrektur des Mikrofonvorsatzes C2 (ermittelt nach DIN EN ISO 5136 Kap. 5.3.3 im

großen reflexionsarmen Raum der FHD); rot: HP-Analysator, ∆f =16 Hz blau: “ versplined“ und so für die Weiterverarbeitung vorbereitet ∆f=1,35 Hz

2000 4000 6000 8000 10000 1200010

20

30

40

50

60

70

80

90


f [Hz]

Lp [d

B]

\DK_Mf_280404_opteta1000_oG_MP1_li.MAT (GP:105.9 dB) AVG:84\DK_Mf_280404_opteta1000_oG_MP1_li.MAT (GP:106.1 dB) AVG:84

Bild 161: rot: Ventilatorrauschen mit C2 korrigiert � Terzspektrum errechnet

blau: dasselbe Ventilatorrauschen unkorrigiert � Terzspektrum errechnet

63 125 250 500 1000 2000 4000 800040

50

60

70

80

90

100

f [Hz]

Anhang 126


63 125 250 500 1000 2000 4000 8000-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5Unbewertetes Terzspektrum; Kanal: ; AVG = ; GP: 14.7 dB<rms>; Terzmittelfrequenzen [16; 12500]

f [Hz]

C2 [d

B]

Bild 162: Vergleich der berechneten C2-Werte

rot: Terzspektrum der Korrekturwerte C2 aus Bild 1 (HP-Analysator); blau: Terzpegeldifferenzen des Ventilatorrauschens aus Bild 2 � C2(vorhanden);

Terzpegel(Ventilatorrauschen unkorrigiert) – Terzpegel(Ventilatorrauschen korrigiert)

63 125 250 500 1000 2000 4000 8000-2

0

2

4

6

8

10

f [Hz]

C3,

4

Bild 163:Terzspektrum des Strömungsgeschwindigkeits-Modal-Frequenzgangkorrektur C3,4 für eine

Strömungsgeschwindigkeit von c=4,3 m/s, DR=0,4 m

C2 = Lp2 – Lp1 nach DIN EN ISO 5136 Lp1: Mikrofon mit Schlitzrohrsonde Lp2: Mikrofon alleine

Anhang 127


0 2000 4000 6000 8000 10000 12000-2

0

2

4

6

8

10

12

f [Hz]

C3,

4

Bild 164: „Schmalbandspektrum“ der Strömungsgeschwindigkeits-Modal-Frequenzgangkorrektur C3,4 für

eine Strömungsgeschwindigkeit von c=4,3 m/s mit Polynom aus DIN EN ISO 5136 („versplined“)

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 1100010

20

30

40

50

60

70

80

90


f [Hz]

Lp [

dB]

\DK_Mf_280404_opteta1000_oG_MP1_li.MAT (GP:105.9 dB) AVG:84\DK_Mf_280404_opteta1000_oG_MP1_li.MAT (GP:106.1 dB) AVG:84

Bild 165: rot: Ventilatorrauschen mit der kombinierten Frequenzgangkorrektur C= C1+ C2 + C3,4 korrigiert

� Terzspektrum errechnet (zur Vorgehensweise siehe letzte Seite dieses Kapitels); n=1000 U/min, φ=0,034, c=4,3 m/s; DR=0,4 m

blau: Ventilatorrauschen unkorrigiert � Terzspektrum errechnet

63 125 250 500 1000 2000 4000 800040

50

60

70

80

90

100

Untere Rauschgrenze: Abhängig von der Aussteuerung

Anhang 128


63 125 250 500 1000 2000 4000 8000-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

f [Hz]

C =

C2 +

C3,

4 [dB

]

Bild 166:Terzpegeldifferenzen aus Bild 165 � C= C1 + C2 + C3,4

für eine Strömungsgeschwindigkeit von 4,3 m/s

Frequenzgangkorrektur C2 des Mikrofonvorsatzes:

Die kombinierte Frequenzgangkorrektur C = C1 + C2 + C3,4 wird von der DIN EN

ISO 5136 vorgeschrieben und kann unter diesem Menue berücksichtigt werden.

Die C1 des Mikrofons, kann laut Werkprüfschein für den gesamten

Frequenzbereich 0 dB gesetzt werden. Die Frequenzgangkorrektur C2 des

Mikrofonvorsatzes wurde am 02.08.04 im großen Reflexionsarmen Raum der FHD

ermittelt. Sie liegt extern als eine .MAT Datei vor. Sie wurde mit dem HP

Analysator mit einer Bandbreite von 16 Hz erstellt. Die DIN EN ISO 5136 schreibt

eine Frequenzauflösung von mindestens 25 Hz vor:

- Damit eine Korrektur des gemessenen Schmalbandspektrums mit einer

Bandbreite von 1,35 Hz durchgeführt werden konnte, wurde die mit dem

HP-Anaylsator erstellte MAT-Datei für die Weiterverarbeitung zunächst

"versplined" und so in ein Schmalband mit ∆f=1,35 Hz überführt

(Bild 160),

- in das Schmalbandspektrum des Nutzsignals (Ventilatorrauschen)

eingerechnet (Bild 161),

- und schließlich aus dem Schmalbandspektrum des Nutzsignals (inkl.

Korrekturwerte) das Terzspektrum ermittelt (Bild 162).

Anhang 129


Bild 3 beinhaltet die Terzspektren:

blau: Frequenzgangkorrektur des Mikrofonvorsatzes im Schmalbandspektrum (mit dem HP-Analysator erstellt und „versplined“) �Terzspektrum = C2 (theoretisch) rot: Nutzsignal (Ventilatorrauschen) � Terzspektrum

- Nutzsignal (Ventilatorrauschen) im Schmalband mit dem „versplinetem“ Frequenzgangkorrektur des Mikrofonvorsatzes versehen � Terzspektrum = C2 (vorhanden)

Es sollte geklärt werden, dass auch nach einem „versplinen“ zum Schmalband, die

daraus resultierenden Terzspektren reproduzierbar sind. Maximale

Terzpegelabweichungen von 0,3 dB befinden sich bei 200 Hz. Vermutlich sind

diese Abweichungen auf den Spline und Rundungsfehler zurückzuführen. Zudem

befinden sich die Abweichungen in angemessenem Maße und im Rahmen der

Reproduzierbarkeit der Messergebnisse.

Kombinierte Strömungsgeschwindigkeits-Modal-Frequenzgangkorrektur C3,4:

Die Koeffizienten zur Berechnung der kombinierten Strömungsgeschwindigkeits-

Modal-Frequenzgangkorrektur-Werte sind von der DIN EN ISO 5136 in

Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und dem Rohrdurchmesser vorgegeben

und liegen extern als .Mat Datei vor. Eine ausführliche Beschreibung liegt in /16/

vor. Nach der Eingabe der Geschwindigkeit wird

- das Terzspektrum der Frequenzgangkorrektur errechnet (Bild 163),

- das Terzspektrum des Nutzsignals mit den Terz-Frequenzgangkorrekturen

addiert,

- die Terz-Frequenzgangkorrekturen "versplined" � in Schmalband

überführt,

- das Schmalbandspektrum des Nutzsignals mit den "versplinten"

Terz-Frequenzgangkorrekturen addiert (zur Vorgehensweise siehe unten).

Vorsicht: Hat man das Messsystem schlecht ausgesteuert, so befindet sich die Rauschgrenze im hochfrequenten Teil weit oben, so dass eine falsche Korrektur durchgeführt wird. Deshalb ist die optimale Aussteuerung eine Vorraussetzung für die kombinierte Frequenzgangkorrektur.

Anhang 130


0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 1600010

20

30

40

50

60

70

80

90

100

f [Hz]

\DK_Mf_280404_opteta1000_oG_MP1_li.MAT (GP:105.8 dB) AVG:84

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 800050

60

70

80

90

100

110

f [Hz]

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000-2

0

2

4

6

8

10

12

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 1600010

20

30

40

50

60

70

80

90


f [Hz]

Lp [d

B]

\DK_Mf_280404_opteta1000_oG_MP1_li.MAT (GP:105.8 dB) AVG:84

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

f [Hz]

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 800050

60

70

80

90

100

110

f [Hz]

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000-2

0

2

4

6

8

10

f [Hz]

Vorgehensweise zur kombinierten Frequenzgangkorrektur (DIN EN ISO 5136):

a)

C2 mit HP mit 801 Linien ermittelt (rot) und auf 12801 Linien „versplined“(blau)

b) c)

��

Schmalbandspektrum(Nutzsignal + C2 „versplined“) Terzspektrum(Nutzsignal + C2 „versplined“) d) e)

��

C34 in Terz aus DIN EN ISO 5136 ermittelt C34 „versplined“ auf 12801 Linien

� ��

f) g)

Terzspektrum(Nutzsignal + C2 „versplined“) Schmalbandspektrum(Nutzsignal + C2 „versplined“) + + Terzspektrum(C34) C34 „versplined“

= 3. Bild + 4. Bild = CTerz = 2. Bild + 5 Bild = CSchmalband

Anhang 131


Anhang E: Die Prüfstandsbedienung

Der Aufbau des Prüfstandes ist in Kapitel 2.3 (inkl. Bilder) ausführlich beschrieben.

Hier werden einige Fakten und Tipps zur Bedienung der Anlage, die aufgrund

Erfahrungswerte entstanden sind, zusammengestellt:

- Zur Ermittlung der Messgrößen pb, TE, n, M, dpa, dp1, dpBl, T1 dient der

Rechner [21] in Bild 2 und das Programm „Ultraschall-Blende-

Hauptprogramm.vi“. Besondere Aufmerksamkeit sollte der Ermittlung der

Temperaturen gewidmet werden. Mit dem Rechner können alle Messgrößen

außer den Temperaturen fehlerfrei eingelesen werden. Da die Temperaturen

nicht mehr mit dem LabView Programm zu kalibrieren waren, wurden die Werte

von den Temperaturmessgeräten [22] und [23] abgelesen und in das LabView

Programm manuell integriert.

- Der Prüfstand ist ständig auf Dichtigkeit zu überprüfen. Silikonierte und

abgeklebte stellen sind gegebenenfalls zu erneuern.

- Auch die Zugangsklappe am Drehkanal ist während einer Messung dicht zu

halten. Die Klebestreifen zum Abdichten sind gegebenenfalls zu erneuern. Zwar

wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass Undichtigkeiten die Geräuschanalyse nicht

beeinflussen (s. Kap. 3.2), dafür aber die Aerodynamik deutlich beeinflussen.

Dies kann zum ungenauen Anfahren von Betriebspunkten führen.

- Die Einstellung der Betriebspunkte erfolgte mit Hilfe der Digitalmanometer.

Nachdem die dimmensionslosen Kennzahlen ermittelt wurden, konnte dpBl

(φ- und n-abhängig) in Excel (Aerodynamik_Pruefstand_260504.xls) errechnet

und mit Hilfe des Digitalmanometers [27] und der motorisch verstellbaren

Drosselvorrichtung [1] eingestellt werden.

- Die Ansaugöffnung des Ventilators sollte ständig frei und offen bleiben. An die

Ansaugöffnung angebauten Elemente (z. Bsp. der Drallregler) sollten vor jeder

Messung kontrolliert werden.

- Das Laufrad des Radialventilators kann unter Umständen am Gehäuse

schleifen. Trifft der Fall zu, muss der Ventilator mit den drei motorseitigen

Muttern zur Neigungseinstellung gerichtet werden. Es ist zu empfehlen, das

justieren an einem kleinen Ventilator zu üben.

Anhang 132


Anhang F: Daten der Arbeit

Anhand der Verzeichnis- und Dateinamensgebung und der Zeitdaten, die

ebenfalls in den Verzeichnis- und Dateinamen enthalten sind, können folgende

Einstellungs-, Konfigurations-, Aufbau-, und Modifikationsmerkmale abgelesen

werden:

DK_Mf_010903_opteta1500_li_undi_li

opteta1500: Geräuschanalyse bei einem optimalen Betriebspunkt der Drehzahl

n = 1500 U/min;

opteta1500_li: Geräuschanalyse links vom optimalen Betriebspunkt der Drehzahl

n = 1500 U/min (siehe Bild 41, Kap. 4; Bild 121 Kap. 9);

Betriebspunkte vor 20.05.04

alte Blende

nach 21.05.04

neue Blende

opteta_li φ = 0,034 φ = 0,034

opteta φ = 0,08 φ = 0,08

opeta_re φ = 0,086 φ = 0,086

opteta_re1 --------- φ = 0,11

alte Blende: d = 238 mm, β = 0,6; neue Blende: d = 318 mm, β = 0,802

Leer: Eine „leere“ Messung mit stillstehendem Drehkanal und

stillstehendem Ventilator (Ruhepegel; s. Kap. 3.1);

Mikrofonposi- tionsvergleich: Vergleich der Schalldruckspektren an zwei festen Positionen am

stillstehenden Drehkanal (s. Kap. 3.6);

vergleich: Vergleich zweier Messsysteme;

- B&K-Analysator mit Soundkarte (s. Kap. 4);

- PAK-System mit Soundkarte (s. Kap. 4.1);

undi: undichte Modifikation (s. Kap. 4.2);

- alle Messungen vor dem 09.09.03 und dem Zusatz „undi“ sind

der undichten Modifikation zuzuordnen;

Drehkanal Mf: Messfahrt

Ss: Stillstand

Aufnahmedatum

Betriebspunkt und Drehzahl

Beschreibung

Analysierter Kanal

Anhang 133


ohneGleichrichter: Dies ist eine Modifikation bei dem der Gleichrichter abgebaut

wurde. Die Geräuschanalysen ab diesem Datum (28.04.04)

gehören somit zu der Modifikation „ohne Gleichrichter“

(s. Kap. 6);

oG+ Kompensatoren: Bei dieser Modifikation wurde der Drehkanal beidseitig mit nicht

schallharten Kompensatoren versehen (s. Kap. 7). Die

Geräuschanalysen ab dem 10.05.04 beziehen sich somit zu der

Modifikation „ohneGleichrichter und mit Kompensatoren“;

neueBlende: Bei dieser Modifikation wurde eine andere Blende eingesetzt

(s. Kap. 8). Die Geräuschanalysen ab dem 21.05.04 beziehen

sich somit zu der Modifikation „neueBlende“;

Fernfeld+Nah- feld_synchron: Die Messungen erfolgten von zwei Mikrofonen für Fern- und

Nahfeld synchron und wurden unter einer .WAV-Datei

abgespeichert (s. Kap. 9).

09.09.03 28.04.04 10.05.04 21.05.04

„undicht“ „ohne Gleichrichter“

„ohne Gleichrichter +

Kompensatoren“

„ohne Gleich- richter

+ Kompensatoren

+ neue Blende“

Anhang 134


Anhang G: Die Matlab Programmierung

Im Rahmen der Diplomarbeit entstanden folgende Programme:

• Wav_Analyse_Programm_auto_3DAPS.m

- Auswahl des Nutzsignals (in Form von [Dateiname]_MP1.wav bzw. [Dateiname]_HOCH1.wav).

- Automatisches Auffinden der Kalibrierfaktoren (Kalibrierfaktoren müssen in Form von [Dateiname]_kalibrierfaktor.txt im Verzeichnis vorhanden sein).

- Automatisches Auffindenden und Analysieren weiterer sich im Verzeichnis befindender .WAV Files ([Dateiname]_MP2.wav, …_MP3.wav, …).

- Es erzeugt ein .MAT File mit ca. 17 MB Größe. Dies ist auf das Spektogramm zurückzuführen. In das MAT-File wird die Variable B_gesamt geschrieben, die die hauptsächliche Größe der Datei ausmachen. In B_gesamt sind die aufgenommenen Schalldruckspektren in Abhängigkeit der Zeit enthalten (siehe Anhang AB).

- Im .MAT File enthalten sind: - APS (inkl. A-Bewertung). - Gemittelte Gesamtpegel über die Zeit (inkl. A-Bewertung). - Terzspektrum (inkl. A-Bewertung des Terzgesamtpegels). - Spektogramm.

• Mat_lesen_darstellen_3DAPS.m

- Auswahl der .MAT Datei, die mit Wav_Analyse_Programm_auto_3DAPS.m erstellt wurde. - Das Programm gibt die Möglichkeit folgende Schaubilder und Zahlenwerte zu plotten:

- APS � Multiplot (inkl. Dateiname und Gesamtpegel) � Durchführung der Frequenzgangkorrektur möglich.

- Gemittelte Gesamtpegel über die Zeit � Multiplot. - Terzspektren � Multiplot. - Terzspektren aus .txt Datei einlesbar (Vergleichsplot) (.txt Dateien mit Hilfe des Programms terzlp2txt.m erzeugbar). - Terzpegelabweichungen (bei zwei vorhandenen Terzspektren). - Ungemittelte Gesamtpegel eines gegebenen Frequenzbandes � Multiplot (auswählbar: über die Zeit / Umfangsposition). - Spektogramm eines gegebenen Frequenzbandes (auswählbar: über die Zeit / Umfangsposition).

• Mat_kap.m

- Auswahl der .MAT Datei, die mit Wav_Analyse_Programm_auto_3DAPS.m oder mit Wav_Analyse_Programm_auto.m erstellt wurden.

- Eingabe der Drehzahl ist notwendig. - Das Programm bietet die Möglichkeit:

- Drehzahlabhängige Peaks zu kappen (inkl. Onlinedarstellung des momentanen Schalldruckspektrums nach dem Kappen).

- Beliebige Peaks zu kappen (interaktiv Kappen; inkl. Onlinedarstellung des momentanen Schalldruckspektrums).

Anhang 135


• Mat_lesen_darstellen_kap.m

- Auswahl der .Mat Dateien, die mit Mat_kap.m, Wav_Analyse_Programm_auto_3DAPS.m oder mit Wav_Analyse_Prog-ramm_auto.m erstellt wurden.

- Das Programm gibt die Möglichkeit folgende Schaubilder und Zahlenwerte zu plotten:

- Gekappte / ungekappte Schalldruckspektren � Multiplot (gekappte / ungekappte Gesamtpegel inkl. A-Bewertung).

- Mit ihren zugehörigen Terzspektren � Multiplot.

• terzlp2txt.m

- Das Programm ermöglicht die manuelle Eingabe der Terzpegel je nach Terzmittenfrequenz und erzeugt eine .txt Datei, die mit dem Programm Mat_lesen_darstellen_3DAPS.m als Vergleichsplot abgerufen werden kann.

• Wav_analyse_v2.m und Mat_lesen_darstellen_v2.m

- Diese Programme wurden so umgeschrieben, dass auf Dateinamen keine Sonderrücksicht mehr genommen werden muss.

- Bei Wav_analyse_v2 wurde das automatische Auffinden weiterer .WAV Dateien ausgeschaltet (MP1, MP2, MP3, …), somit wird nur ein .MAT File zum zugehörigen .WAV File erzeugt. Allerdings muss beachtet werden, dass zum [Dateiname].WAV File ein [Dateiname]_KALI_li (bzw. KALI_re) und ein [Dateiname]_kalibrierfaktor.txt zugehören.

- Mit Mat_lesen_darstellen_v2.m kann nun jede beliebige .MAT Dateiname dargestellt werden.

Anhang GA: Mat_lesen_darstellen_3DAPS.m

%--------------------------------------------------------------------- %- Programm zum Einlesen der MAT-Ergebnisdateien %- 17.03.2003 Terence Klitz, 19.02.2004 Ertugrul Sariaslan %--------------------------------------------------------------------- %- %- Dieses Programm dient der Darstellung der Spektren, die mit dem %- Programm Wav_Analyse_Programm_auto_3DAPS.m erstellt wurden. Dazu %- werden die MAT-Dateien eingelesen. %- Dargestellt werden das unbewertete APS, das unbewertete Terzspektrum, %- der zeitliche Verlauf des Gesamtschalldruckpegels (gemittelt), %- zeitliche Verlauf des Gesamtschalldruckpegels über ein angegebenes %- Frequenzband (ungemittelt jeweils über die Zeit oder Umfangsposition), %- Spektogramm (jeweils über die Zeit oder Umfangsposition). %- %- Es können bis zu 6 Dateien in einem Fenster geplottet werden %- Bei Bedarf kann ein Vergleichsterzspektrum in das erstelle %- Terzspektrum hinzugefügt werden. %- Das Vergleichsspektrum muss als Textdatei vorliegen. Die Textdateien %- können mit Hilfe des Programms terzlp2txt.m erzeugt werden. Dazu %- werden automatisch die Terzpegelabweichungen geplottet. %- %- Zusätzlich können auch HP-MAT-Dateien eingelesen werden. %-

Anhang 136


%- Das Programm ist entsprechend dem Inhalt der MAT-Dateien erweiterbar. %--------------------------------------------------------------------- clear all close all; clc; m_1=2; m_2 = 1; if m_1 == 2 %- Darstellung Multidiagrammen i = 0; k = 0; while m_2 == 1 clear F_gesamt aps_lin_mittel_dB_gesamt c1x c1; i = i + 1; k = k + 1; [dateiname, pfad] = uigetfile('*.mat', 'MAT-Ergebnisdatei wählen'); load(strcat(pfad,dateiname)); gp_fig = 1; terz_fig = 1; %- Wenn eine konvertierte HP-Datei geladen wird if exist ('c1x'); aps_lin_mittel_dB_gesamt = 20*log10(sqrt(c1./2)); F_gesamt = c1x; gp_aps_lin_mittel_dB_gesamt = 0; mittelungsanzahl = 0; kanal = '--'; fenster_typ = 'hanning'; ueberlappung = '--'; kalibrierfaktor = 0; delta_f = 0; abtastrate = 0; gp_z = 0; gp_fig = 0; terz_fig = 0; end %- Pfad merken cd(pfad);

legend_string = strcat('\', dateiname, ' (GP:', ��

num2str(gp_aps_lin_mittel_dB_gesamt,'%5.1f'), ' dB) ', ' AVG: ',��

num2str(mittelungsanzahl)); string_matrix(i).name = legend_string; if i == 1 end f_min = F_gesamt(1); f_max = F_gesamt(length(F_gesamt));

freq_string_2 = ['Frequenzband [', num2str(f_min), '; ', ��

num2str(f_max), '] Hz']; anz_gp = length(gp_z); t_min = gp_z(1,1); t_max = gp_z(anz_gp,1);

Anhang 137


if k == 7; k = 1; end %- Farben für die Darstellung farben = ['b' 'r' 'k' 'g' 'm' 'c' ]; %------------------------------------------------------------------------ %- APS plotten figure(1); plot(F_gesamt, aps_lin_mittel_dB_gesamt, 'color', farben(k) );

title(['\ Unbewertete APS | Kanal: ', kanal, ' | ', freq_string_2, ��

' Fenster: ', fenster_typ, ' | Überlappung: ', ��

num2str(ueberlappung), ' % | k: ',num2str(kalibrierfaktor), ��

' Pa/EU | delta_f: ', num2str(delta_f), ' Hz | f_ab :', �� num2str(abtastrate), ' Hz']);

xlabel('f [Hz]'); ylabel('Lp [dB]'); grid on; set(gca, 'xlim', [f_min, f_max]); legend(string_matrix(:).name); hold on %------------------------------------------------------------------------ if gp_fig ~ 0 %- ~ ist gleich NOT, logisches NICHT %- GP(t) plotten figure(2); plot(gp_z(:,1), gp_z(:,2), 'color', farben(k) );

title(['\ GP in Abhängigkeit der Zeit | Kanal: ', kanal, ' | Fenster: ��

', fenster_typ, ' | Überlappung: ', num2str(ueberlappung), ' % | k: ��

',num2str(kalibrierfaktor), ' Pa/EU | delta_t: ', num2str(delta_t), ��

' s | nfft: ', num2str(blockgroesse), ' | f_ab :', �� num2str(abtastrate), ' Hz' ]); xlabel('t [s]'); ylabel('GP [dB]'); grid on; set(gca, 'xlim', [0, t_max]); set(gca, 'ylim', [0, (max(gp_z(:,2))+5)]); legend(string_matrix(:).name); hold on end %---------------------------------------------------------------------- if terz_fig ~ 0 %- Terzspektrum plotten amp_terz_spek = tabelle(:,10);

amp_terz_spek((length(amp_terz_spek)+1)) = �� tabelle(length(tabelle),10);

terz_string = ['Terzmittelfrequenzen [', num2str(tabelle(1,1)), '; ', �� num2str(tabelle(length(tabelle),1)), ']']; gp_terz_dB = 10*log10( sum( 10.^(tabelle(:,10)./10))); figure(3); set(gcf,'name', dateiname); stairs(log_f_stairs, amp_terz_spek, farben(k));

title(['Unbewertetes Terzspektrum; Kanal: ', kanal, '; AVG = ', ��

num2str(mittelungsanzahl,3), '; GP: ', num2str(gp_terz_dB,'%5.1f'), ' �� dB<rms>; ', terz_string]); xlabel('f [Hz]'); ylabel('Lp [dB]');

Anhang 138


set(gca, 'xlim', [log_f_stairs(1), log10(tabelle(length(tabelle),6))]); set(gca, 'xscale', 'linear'); set(gca, 'xtick', log_f_mn); set(gca, 'xticklabel', oktav_m); set(gca, 'fontsize', 10); set(gca, 'xgrid', 'on'); set(gca, 'ygrid', 'on'); hold on end %----------------------------------------------------------------------

m_4=menu('Bitte wählen', 'Spektogramm plotten', 'Terzpegelabweichungen �� plotten', 'Abbrechen'); %---------------------------------------------------------------------- if i==1 amp_terz_spek_alle_1=amp_terz_spek; end if i==2 amp_terz_spek_alle_2=amp_terz_spek; end % Falls zwei Terzspektren geplottet wurden, können in Figure 6 dessen % Terzpegelabweichungen geplottet werden. if m_4==2; figure(6); y(1:31,1)=0; terz_abw=amp_terz_spek_alle_1-amp_terz_spek_alle_2; stairs(log_f_stairs, terz_abw, 'r'); hold on plot(log_f_stairs, y, 'k-', 'LineWidth',2); hold off title(['Terzpegelabweichungen; Kanal: ', kanal, ', ', terz_string]); xlabel('f [Hz]') ylabel('\DeltaLp [dB]'); set(gca, 'xlim', [log_f_stairs(1), log10(tabelle(length(tabelle),6))]); set(gca, 'xscale', 'linear'); set(gca, 'xtick', log_f_mn); set(gca, 'xticklabel', oktav_m); set(gca, 'fontsize', 10); set(gca, 'xgrid', 'on'); set(gca, 'ygrid', 'on'); hold on end %---------------------------------------------------------------------- % GP (ungemittelt) & Spektogramm über die Umfangsposition/Zeit plotten if m_4==1;

m_3=menu('Spektogramm plotten in Abhängigkeit der', �� 'Umfangsposition', 'Zeit', 'Abbrechen'); if m_3==1 | m_3==2 %--------------------------------------------------------------------- % Wahl des Frequnezbandes für die die ungemittelten GP errechnet und das % Spektogramm erstellt werden soll, prompt={'VON:','BIS:'}; dlg_title='Geben Sie für das Spektogramm die Frequenzband in [Hz] ein';

Anhang 139


num_lines=1; def={'0','2000'}; F_sp=inputdlg(prompt,dlg_title,num_lines,def); F_sp=str2double(F_sp); linien_a=F_sp(1)/delta_f; linien_a=round(linien_a); linien_e=F_sp(2)/delta_f; linien_e=round(linien_e); %--------------------------------------------------------------------- % Über angegebene Frequenzband werden ungemittelt die % Gesamtschalldruckpegel für den Drehkanal zwischen 0° und 360° / 0s % und 60s ermittelt fenster =2; p_null = 2e-5; epsilon = 1.5; B_gesamt_Frequenzband=B_gesamt((linien_a+1):(linien_e+1),:);

aps_lin_Pa_Frequenzband = (2.0 * fenster * abs(B_gesamt_Frequenzband) / �� blockgroesse) / sqrt(2.0); delta_winkel=360/mittelungsanzahl; winkel=linspace(0,360,mittelungsanzahl); gp_aps_lin_Pa_Frequenzband =

sqrt(1/epsilon*sum(aps_lin_Pa_Frequenzband.^2)); %GP einzelner �� Schalldruckspektren

gp_aps_lin_dB_Frequenzband = 20. * log10(gp_aps_lin_Pa_Frequenzband ./ �� p_null); %---------------------------------------------------------------------- % Für das Spektogramm werden die nötigen Pegel je nach % Frequenzband und Umfangsposition/Zeit errechnet p_null = 2e-5; F_Frequenzband=(linien_a)*delta_f:delta_f:(linien_e)*delta_f;

aps_lin_dB_gesamt_Frequenzband=20* �� log10(aps_lin_Pa_Frequenzband./p_null); end %---------------------------------------------------------------------- % GP (der angegebenen Frequenzband) in Abhängigkeit der Umfangsposition % (ungemittelt) plotten if m_3==1; figure(4); plot(winkel,gp_aps_lin_dB_Frequenzband, 'color', farben(k) );

title(['\ ungemittelte GP [dB] für ein Frequenzband in ��

Abhängigkeit der Umfangsposition | Kanal: ', kanal , ' | delta_w: ��

',num2str(delta_winkel)]); �� xlabel('Umfangsposition [°]'); ylabel('Lp [dB]'); set(gca, 'xlim', [delta_winkel, 360]);

Winkelstellungen= { '0'; ''; ''; '30'; ''; ''; '60'; ''; ''; '90'; ''; ��

''; '120'; ''; ''; '180'; ''; ''; '210'; ''; ''; '240'; ''; ''; '270'; ��

''; ''; '300'; ''; ''; '330'; ''; ''; '360'}; �� set(gca, 'xtick',linspace(0,360,34)); set(gca, 'xticklabel', Winkelstellungen); grid on; legend_string_1 = strcat('\', dateiname);

Anhang 140


string_matrix_1(i).name=legend_string_1; legend(string_matrix_1(:).name); hold on end %---------------------------------------------------------------------- %---------------------------------------------------------------------- % GP (der angegebenen Frequenzband) in Abhängigkeit der Zeit % (ungemittelt) plotten if m_3==2; figure(4); Zeit=linspace(0,dauer,mittelungsanzahl); plot(Zeit,gp_aps_lin_dB_Frequenzband, 'color', farben(k) );

title(['\ ungemittelte GP [dB] für ein Frequenzband in ��

Abhängigkeit der Zeit | Kanal: ', kanal , ' | delta_t: �� ',num2str(dauer/mittelungsanzahl)]); xlabel('Zeit [s]'); ylabel('Lp [dB]'); set(gca, 'xlim', [0, dauer]); Zeit_skal= {'0'; '10'; '20'; '30'; '40'; '50'; '60'}; set(gca, 'xtick',linspace(0,60,7)); set(gca, 'xticklabel', Zeit_skal); grid on; legend_string_1 = strcat('\', dateiname); string_matrix_1(i).name=legend_string_1; legend(string_matrix_1(:).name); hold on end %---------------------------------------------------------------------- %---------------------------------------------------------------------- %- Spektogramm (Umfangsposition, Frequenzband, LP) if m_3==1 figure(5); winkel_a=0; winkel_e=360; fmin=F_Frequenzband(1); fmax_1=length(F_Frequenzband); fmax=F_Frequenzband(fmax_1); cmin_1=min(aps_lin_dB_gesamt_Frequenzband); cmin=0; %min(cmin_1,[],2); cmax_1=max(aps_lin_dB_gesamt_Frequenzband); cmax=110; %max(cmax_1,[],2); imagesc(winkel, F_Frequenzband, aps_lin_dB_gesamt_Frequenzband), axis xy, colormap(jet) axis([winkel_a winkel_e fmin fmax fmin fmax cmin cmax]); colorbar;

title([ '\' dateiname , ' | Kanal: ', kanal , ' | delta_f: �� ',num2str(delta_f), ' | delta_w: ',num2str(delta_winkel)]); set(gca, 'xtick',linspace(0,360,34)); set(gca, 'xticklabel', Winkelstellungen); xlabel('Umfangsposition [°]'); ylabel('Frequenz [Hz]'); end %---------------------------------------------------------------------- %---------------------------------------------------------------------- %- Spektogramm (Zeit, Frequenzband, LP) if m_3==2 figure(5);

Anhang 141


Zeit_a=0; Zeit_e=60; fmin=F_Frequenzband(1); fmax_1=length(F_Frequenzband); fmax=F_Frequenzband(fmax_1); cmin_1=min(aps_lin_dB_gesamt_Frequenzband); cmin=0; %min(cmin_1,[],2); cmax_1=max(aps_lin_dB_gesamt_Frequenzband); cmax=110; %max(cmax_1,[],2); imagesc(Zeit, F_Frequenzband, aps_lin_dB_gesamt_Frequenzband), axis xy, colormap(jet), axis([Zeit_a Zeit_e fmin fmax fmin fmax cmin cmax]); colorbar;

title(['\' dateiname , ' | Kanal: ', kanal , ' | delta_f: �� ',num2str(delta_f), ' | delta_t: ',num2str(dauer/mittelungsanzahl)]); set(gca, 'xtick',linspace(0,60,7)); set(gca, 'xticklabel', Zeit_skal); xlabel('Zeit [s]'); ylabel('Frequenz [Hz]'); legend(string_matrix(:).name) end %---------------------------------------------------------------------- if m_3==3 m_2 = menu('Weitere MAT-Datei ?', 'JA', 'NEIN', 'Vergleichsplot'); hold off; figure(1); end end if m_4==3 | m_4==1 m_2 = menu('Weitere MAT-Datei ?', 'JA', 'NEIN', 'Vergleichsplot'); end if m_4==2; m_2=menu('Keine weiteren Operationen möglich !!!', 'OK'); m_2=2; end end end %---------------------------------------------------------------------- if m_2 == 3 % Einlesen eines Terzspektrums zum Vergleich % Die Terzpegel sind mit dem Programm terzlp2txt.m einzugeben. Mit diesem % Programm wird eine .txt Datei in einem bestimmten Format erzeugt. Diese % .txt Datei wird mit dem bestimmten Format eingelesen und % weiterverarbeitet. Der Terzbereich der Textdatei wurde dem B&K- % Analysatoren und dem DIN 5136 angepasst und geht von 16 Hz bis 10000 % Hz. [text_dateiname, text_pfad] = uigetfile('*.TXT', ' Textdatei'); textdatei_string = strcat(text_pfad, text_dateiname); [fm_terz, lp_terz] = textread(textdatei_string,'%f\t%s\n'); terz_lp(:,1)=fm_terz; terz_lp(:,2)=str2double(lp_terz); lp_terz=str2double(lp_terz); i_f1_a = find(tabelle(:,1) == fm_terz(1)); i_f1_e = find(tabelle(:,1) == fm_terz(length(fm_terz)));

Anhang 142


f_1_v = tabelle(i_f1_a:i_f1_e,3); f_1_v(length(f_1_v)) = tabelle(i_f1_e,6); lp_terz(length(lp_terz)) = lp_terz(length(lp_terz)); log_f1_v = log10(f_1_v)+0.05; log_f1_v(29)=log_f1_v(29)-0.1; hold on; figure(3); plot(log_f1_v, lp_terz, 'o'); hold off Abw_lp_terz=amp_terz_spek(i_f1_a:i_f1_e)-lp_terz; o=text_dateiname(length(text_dateiname)-5:length(text_dateiname)-4); fid=fopen(['Abweichung' num2str(o) '.txt'] ,'w'); Abw_Bereich=[fm_terz, Abw_lp_terz]; fprintf(fid,'%6.2f\t \n', Abw_Bereich, '\n'); fclose(fid); %---------------------------------------------------------------------- % Hier werden die Terzpegelabweichungen zum eingelesenen Terzspektrum % geplottet. % delta_Lp_terz = L_p_Messgerät - L_p_Referenzgerät % Plot von delta_Lp_terz: Lp(Soundkarte)-Lp(Referenzgerät) figure(4) log_f1_v(30)=log_f1_v(29)+0.1; Abw_lp_terz(30)=Abw_lp_terz(29); y(1:30,1)=0; stairs(log_f1_v-0.05, Abw_lp_terz, 'r'); hold on plot(log_f1_v-0.05, y, 'k-', 'LineWidth',2); ylim([-4.5 3.5]); set(gca, 'ytick', -4:1:3 ); hold off

title(['Terzpegelabweichungen; Kanal: ', kanal, ', ', �� 'Terzmittelfrequenzen [16; 10000]']); xlabel('f [Hz]'); ylabel('\DeltaLp [dB]'); set(gca, 'xlim', [log_f_stairs(1),log_f1_v(29)+0.05]); set(gca, 'xscale', 'linear'); set(gca, 'xtick', log_f_mn); set(gca, 'xticklabel', oktav_m); set(gca, 'fontsize', 10); set(gca, 'xgrid', 'on'); set(gca, 'ygrid', 'on'); hold on end

Anhang GB: Mat_kap.m

%--------------------------------------------------------------------- % Programm zum Kappen von Peaks in einem vorhandenen Schalldruckspektrum % 01.06.2004 Sariaslan Ertugrul %--------------------------------------------------------------------- % Nach dem Start dieses Programmes die .MAT Datei wählen, die mit dem % Programm Wav_Analyse_Programm_auto.m erstellt worden ist. % Aus dieser .MAT Datei werden die erforderlichen Daten zur Kappung % aufgegriffen und weiterverarbeitet. % In diesem Program werden die % - Drehzahlabhängigen Peaks gekappt % - Schalldruckpegel im Frequenzbereich von 0 Hz bis 44 Hz gleich 0 dB

Anhang 143


% gesetzt % - GP neu errechnet % - Terzspektren neu errechnet % - A-Bewertungen aktualisiert % - .MAT Dateien aktualisiert mit dem Dateinamen [Dateiname_kap.MAT] clear all close all z = 10; %Schaufelanzahl epsilon = 1.5; p_null = 2e-5;

[dateiname, pfad] = uigetfile('*.mat', 'MAT-Ergebnisdatei zum Kappen �� wählen'); load(strcat(pfad,dateiname)); figure(1) plot (F_gesamt,aps_lin_mittel_dB_gesamt) grid on xlim([0 7980]) hold on %--------------------------------------------------------------------- % Für die Suche nach dem BFF ist die Eingabe des Drehzahles notwendig. % Damit wird der Suchbereich verkleinert. iy=0;

prompt={'Gebe für das Kappen der Drehtonabhängigen Peaks Die Drehzahl in ��

[U/min] ein:'}; dlg_title='Drehzahleingabe'; num_lines=1; def={'2000'}; Dz=inputdlg(prompt,dlg_title,num_lines,def); Dz=str2double(Dz); button1 = 'Ja'; %--------------------------------------------------------------------- v = 1; while v == 1; if strcmp(button1,'Ja') | strcmp(button1,'Nein'); iy = iy + 1; % iy ist die Anzahl des Obertones BFF= iy * (z * Dz / 60); % BFF = n * z

ix0 = round(BFF / delta_f); % Die BFF bfindet sich in der nähe des �� indexes ix0 ix1 = ix0 - 15; % Abgesucht wird der Bereich +/- 15 Linien um ix0 ix2 = ix0 + 15; [MM,peak] = max(aps_lin_mittel_dB_gesamt(ix1:ix2)); % Maximum bei (ix0-15)+peak mit dem Wert MM ix3 = (ix1 + peak - 1); % Bei ix3 befindet sich der Peak ix4 = ix3; BFF = round(F_gesamt(ix3)); BFF = num2str(BFF);

Anhang 144


text=strcat('Peak bei >>>' ,BFF, ' [Hz]<<< kappen?'); button1 = questdlg(text, ' ', 'Ja', 'Nein', 'Start Interaktiv', 'Ja'); end if strcmp(button1,'Ja'); xx = ix3 - 1; while aps_lin_mittel_dB_gesamt(ix3) > aps_lin_mittel_dB_gesamt(xx); xx = xx - 1; % Es wird im linken Teil des Peaks der Wert gesucht, %dessen Nachfolger größer als dieser ist. ix3 = ix3 - 1; ix5 = ix3; % ix5 ist am linken Teil des Peaks der Minimalwert end xy = ix4 + 1; % ix4 ist nur ein Hilfsindex while aps_lin_mittel_dB_gesamt(ix4) > aps_lin_mittel_dB_gesamt(xy); xy = xy + 1; % Es wird im rechten Teil des Peaks der Wert gesucht, % dessen Nachfolger größer als dieser ist. ix4 = ix4 + 1; ix6 = ix4; % ix6 ist am rechten Teil des Peaks der Minimalwert end end if strcmp(button1,'Nein') break end button3 = 'Ja'; if strcmp (button1, 'Start Interaktiv') % Falls nochmal interaktiv gekappt werden soll, wird hier gestartet iz = 0; while button3 == 'Ja' iz = iz + 1; close all plot(F_gesamt,aps_lin_mittel_dB_gesamt); xlim([0 1000]) grid on ax=gca; child = get(ax,'Children'); rect = getrect(ax); % Mit der Maus kann nun ein rechteck im Plot gezogen % werden xdata = get(child,'Xdata'); ydata = get(child,'Ydata'); [MM1,ix8] = min(abs(xdata-rect(1))); [MM1,ix9] = min(abs(xdata-(rect(1)+rect(3)))); [MM1,peak1] = max(ydata(ix8:ix9)); ix10 = ix8 + peak1 - 1; ix11 = ix10; xv = ix10 - 1; while aps_lin_mittel_dB_gesamt(ix10) > aps_lin_mittel_dB_gesamt(xv); xv = xv - 1; ix10 = ix10 - 1; ix12 = ix10; if xv == 0 ix12 = 1; break end end

Anhang 145


xw = ix11 + 1; while aps_lin_mittel_dB_gesamt(ix11) > aps_lin_mittel_dB_gesamt(xw); xw = xw + 1; ix11 = ix11 + 1; ix13 = ix11; end ix14 = ix12 : 1 : ix13;

st_ia = (aps_lin_mittel_dB_gesamt(ix13) – �� aps_lin_mittel_dB_gesamt(ix12))/ (ix13 - ix12); % die Steigung (st) der Geraden von der Stelle ix5 bis ix6 % m = (y2-y1)/(x2-x1) of_ia = aps_lin_mittel_dB_gesamt(ix12) - st_ia * ix12; % offset der errechneten Geraden n=y1-m*x1 peak_kap_ia = st_ia * ix14 + of_ia; % Die neuen peak-Werte aps_lin_mittel_dB_gesamt(ix12:ix13) = peak_kap_ia; % Die neuen Peak-Werte werden hier ins APS geschrieben plot(F_gesamt,aps_lin_mittel_dB_gesamt); % Der Plot wird aktualisiert xlim([0 1000]) grid on

button3 = questdlg(' Nochmal Interaktiv kappen ?', ' ', 'Ja', 'Nein', �� 'Ja'); if strcmp (button3, 'Nein') break end end end if strcmp (button3, 'Nein') break end

if aps_lin_mittel_dB_gesamt(ix1 + peak - 1) – ��

aps_lin_mittel_dB_gesamt(ix5) < 3 & aps_lin_mittel_dB_gesamt(ix1 + peak – �� 1) - aps_lin_mittel_dB_gesamt(ix6) < 3; % Als Peak werden nur solche aufgegriffen, dessen Spitzenwert von dem % am Rand liegenden Minimalwert (ix5 und ix6) größer als 3 dB % abweichen. Sonst wird eine Abfrage getstartet, ob trotzdem. % fortgesetzt werden soll Spitzenwert - Minimalwert(links) < 3 & % Spitzenwert - Minimalwert(rechts) < 3

button2 = questdlg('Es scheint, als ob kein Peak mehr zum Kappen ��

vorhanden ist. Trotzdem fortfahren', 'Achtung !!!','Ja', 'Nein', �� 'Start Interaktiv', 'Nein'); if strcmp(button2,'Start Interaktiv'); button1 = 'Start Interaktiv'; end if strcmp(button2,'Ja'); ix7 = ix5 : 1 : ix6;

st = (aps_lin_mittel_dB_gesamt(ix6) - aps_lin_mittel_dB_gesamt(ix5)) �� / (ix6 - ix5); % die Steigung (st) der Geraden von der Stelle ix5 bis ix6

Anhang 146


% m = (y2-y1)/(x2-x1) of = aps_lin_mittel_dB_gesamt(ix5) - st * ix5; % offset der errechneten Geraden n=y1-m*x1 peak_kap = st * ix7 + of; % Die neuen peak-Werte aps_lin_mittel_dB_gesamt(ix5:ix6) = peak_kap; % Einbau der neuen Peak-Werte ins APS figure (1) plot(F_gesamt,aps_lin_mittel_dB_gesamt, 'r') end if strcmp(button2,'Nein'); break end else v == 1 ; if strcmp (button3, 'Nein') break end ix7 = ix5 : 1 : ix6;

st = (aps_lin_mittel_dB_gesamt(ix6) - aps_lin_mittel_dB_gesamt(ix5)) �� / (ix6 - ix5); % die Steigung (st) der Geraden von der Stelle ix5 bis ix6

% m = (y2-y1)/(x2-x1) of = aps_lin_mittel_dB_gesamt(ix5) - st * ix5; % offset der errechneten Geraden n=y1-m*x1 peak_kap = st * ix7 + of; % Die neuen peak-Werte aps_lin_mittel_dB_gesamt(ix5:ix6) = peak_kap; % Einbau der neuen Peak-Werte ins APS figure (1) farben = ['r' 'k' 'g' 'm' 'c' 'b' 'r' 'k' 'g' 'm' 'c' 'b' 'r' 'k' 'g' 'm' 'c']; plot(F_gesamt,aps_lin_mittel_dB_gesamt, 'color', farben(iy)); end end end %------------------------------------------------------------------ aps_lin_mittel_Pa_gesamt = (10.^(aps_lin_mittel_dB_gesamt/20))*p_null; aps_lin_mittel_dB_gesamt(1:34,:) = 0; % Schalldruckpegel 0 Hz bis 44 Hz = 0, da Terzbandeckbandfrequenz von 50 % Hz = 44,25 Hz aps_lin_mittel_Pa_gesamt(1:34,:) = p_null;

gp_aps_lin_mittel_Pa_gesamt = sqrt(1/epsilon * �� sum(aps_lin_mittel_Pa_gesamt.^2));

gp_aps_lin_mittel_dB_gesamt = 20. * �� log10(gp_aps_lin_mittel_Pa_gesamt ./ p_null); %--------------------------------------------------------------------- %- Frequenzspanne ermitteln f_min = 0; %- Theoretische Maximalfrequenz f_max_th = abtastrate / divisor; %- Maximalfrequenz, die mit delta_f erfasst wird f_max = f_max_th - mod(f_max_th, delta_f);

Anhang 147


%- delta_f passt n-mal in f_max, es gibt aber n+1 Stützstellen n_f = f_max / delta_f + 1; %- Matrix mit den abgedeckten Frequenzen frequenzen = linspace(f_min, f_max, n_f); %- Nenn-Terzmittenfrequenzen

f_mn = [10 12.5 16 20 25 31.5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 ��

630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000 10000 12500 �� 16000 20000]; %- Zu f_mn zugehörige dB-A-Werte %- Korrekturwerte für die A-Bewertung nach DIN EN 60651

dba_stuetz = [-70.4 -63.4 -56.7 -50.5 -44.7 -39.4 -34.6 -30.2 -26.2 -22.5 ��

-19.1 -16.1 -13.4 -10.9 -8.6 -6.6 -4.8 -3.2 -1.9 -0.8 0 0.6 1 1.2 1.3 1.2 �� 1 0.5 -0.1 -1.1 -2.5 -4.3 -6.6 -9.3]; %- Spline für die A-Bewertung erzeugen %- Es wird aufgrund der dbA-Stützstellen und des Frequenzbereiches %- "frequenzen" eine Ausgleichskurve erzeugt und für jeden Frequenz- %- wert ein dBA-Korrekturwert abgelegt Lp_A_spl_gesamt = (spline(f_mn, dba_stuetz, frequenzen))'; %- A-Bewertung aps_lin_mittel_dB_A_gesamt = aps_lin_mittel_dB_gesamt + Lp_A_spl_gesamt; %- Amplituden aus aps_lin_mittel_dB_A_gesamt für gp_ges in dB(A) amp_A_Pa_gesamt = 10.^(aps_lin_mittel_dB_A_gesamt ./ 20) * p_null; gp_lin_A_Pa_gesamt = sqrt(1/epsilon * sum(amp_A_Pa_gesamt.^2)); gp_aps_lin_mittel_dB_A_gesamt = 20. * log10(gp_lin_A_Pa_gesamt ./p_null); %--------------------------------------------------------------------- f_mn_a = 16; %- Erste beachtete Terz (NennFrequenz) f_mn_e = 12500; %- letzte beachtete Terz (NennFrequenz) q = 10^(1/10); %- Stufensprung für die Normreihe R10 f_abbrech = f_mn_e * sqrt(q); f_m_start = 10; %- Erste Terzmittenfrequenz i = 1; f_m(1) = f_m_start; while f_m <= f_abbrech %- exakte Terzmittenfrequenzen i = i + 1; %- berechnen f_m(i) = f_m(i-1) * q; end %- while-Anweisung index_a = find(f_mn == f_mn_a); index_e = find(f_mn == f_mn_e); f_mnenn = f_mn(index_a : index_e); %- Vorgegebenen Terzmittenfrequenzbereich aus f_mn entnehmen %- Start bei f_mn_a %- Ende bei f_mn_e index_a = find(f_mn == f_mn_a); index_e = find(f_mn == f_mn_e); f_mnenn = f_mn(index_a : index_e);

Anhang 148


%- Auf den Bereich f_mn_a bis f_mn_e angepasste exakte Mittenfrequenzen %- Mittenfrequenzen des vorgegebenen Bereiches holen f_m = f_m(index_a : index_e); %- Zugehörige Bandeckfrequenzen f_1 und f_2 berechnen for i = 1 : length(f_m) f_1(i) = f_m(i) / sqrt(q); f_2(i) = f_m(i) * sqrt(q); band(i) = f_2(i) - f_1(i); end %- for-Schleife %- Aufgrund von f_mn_a und f_mn_e und den errechneten %- Bandeckfrequenzen steht nun die Frequenzspanne fest f_start = f_1(1); f_ende = f_2(length(f_2)); h = 0; %- Für jedes einzelne Terzband werden die Linien addiert. for i = 1 : length(f_m) %- Suche die Indizes der Frequenzen, die in das jeweilige Band %- hineinpassen. terz_i = find (F_gesamt >= f_1(i) & F_gesamt < f_2(i)); %- Anzahl der Frequenzlinien im aktuellen Terzband terz_i_anz = length(terz_i); tabelle(i,1) = f_mnenn(i); tabelle(i,2) = f_m(i); tabelle(i,3) = f_1(i); tabelle(i,6) = f_2(i); %- Prüfen, ob das Band gefüllt ist

if (F_gesamt(terz_i(1)) - f_1(i) <= delta_f) & (f_2(i) – �� F_gesamt(terz_i(terz_i_anz)) <= delta_f) % f_1 enthält Informationen über die verwirklichten Terzbänder

tabelle_inhalt = ['f_mnenn | f_m | f_1 | f_1_ist | index_f_1 | ��

f_2 | f_2_ist | index_f_2 | Anz.Linien | Lp_Terz_dB | �� Lp_Terz_dB(A)']; tabelle(i,4) = F_gesamt(terz_i(1)); tabelle(i,5) = terz_i(1); tabelle(i,7) = F_gesamt(terz_i(terz_i_anz)); tabelle(i,8) = terz_i(terz_i_anz); tabelle(i,9) = terz_i_anz; for k = 1 : terz_i_anz

summe_terz = sum(aps_lin_mittel_Pa_gesamt(terz_i(1) : �� terz_i(terz_i_anz)).^2); korrigiert = summe_terz / epsilon; wurzel = sqrt(korrigiert); amp_terz_dB(i) = 20 * log10 (wurzel / p_null); end %- for-Schleife tabelle(i,10) = amp_terz_dB(i); else %- Band nicht gefüllt tabelle(i,4) = 0; tabelle(i,5) = 0; tabelle(i,7) = 0; tabelle(i,8) = 0; tabelle(i,9) = 0; tabelle(i,10) = 0; end %- if-Anweisung

Anhang 149


end %- for-Schleife %- Gesamtschalldruckpegel aus dem Terzspektrum gp_terz_dB = 10*log10( sum( 10.^(amp_terz_dB(:)./10))); %- Die A-Bewertung des Terzspektrums start_index = find(f_mn == tabelle(1,1)); stop_index = find(f_mn == tabelle(length(tabelle),1)); %- amp_terz_dB_A = amp_terz_dB; % Rückrechnen amp_terz_dB_A = amp_terz_dB + dba_stuetz(start_index:stop_index); tabelle(:,11) = amp_terz_dB_A'; %- Gesamtschalldruckpegelpegel aus dem Terzspektrum A-bewertet gp_terz_dB_A = 10*log10( sum( 10.^(amp_terz_dB_A(:)./10))); %- Für die Darstellung mit <stairs> muss am Ende ein zusätzlicher %- Stützpunkt eingefügt werden (bei f_2) der den Pegelwert des %- letzen f_1-Punktes hat %- Nehme alle f_1-Werte aus tabelle f_stairs = tabelle(:,3); %- Füge an die Liste der f_1-Werte den letzen f_2-Wert an f_stairs((length(f_stairs))+1) = tabelle(length(tabelle),6); amp_terz_spek = amp_terz_dB; %- Logarithmierte Frequenzlisten log_f_stairs = log10(f_stairs); log_f_mn = log10(f_mn(index_a : index_e+1)); %- Füge an die Liste der Pegelwerte den letzten Pegel an

amp_terz_spek((length(amp_terz_spek)+1)) = �� amp_terz_dB(length(amp_terz_dB)); %--------------------------------------------------------------------- dateiname = dateiname(1:length(dateiname)-4); ergebnisdatei = strcat(dateiname, '_kap','.MAT'); ergebnis = strcat(pfad, ergebnisdatei); save(ergebnis, 'aps_lin_mittel_Pa_gesamt', 'aps_lin_mittel_dB_gesamt',... 'F_gesamt', 'gp_aps_lin_mittel_dB_gesamt', ... 'gp_aps_lin_mittel_dB_A_gesamt', 'mittelungsanzahl', 'kanal',... 'fenster_typ', 'ueberlappung',... 'kalibrierfaktor', 'abtastrate', 'delta_f', 'tabelle', 'gp_terz_dB',... 'gp_terz_dB_A', 'log_f_stairs', 'log_f_mn', 'oktav_m');

Anhang GC: Mat_lesen_darstellen_kap.m

%--------------------------------------------------------------------- %- Programm zum Einlesen der MAT-Ergebnisdateien %- 15.06.2004 Sariaslan Ertugrul %--------------------------------------------------------------------- %- %- Dieses Programm dient der Darstellung der Spektren, die mit dem %- Programm Wav_Analyse_Programm_auto.m,

Anhang 150


%- Wav_Analyse_Programm_auto_3DAPS.m und Mat_kap.m erstellt wurden. Dazu %- werden die MAT-Dateien eingelesen. %- Dargestellt werden das unbewertete APS und das unbewertete %- Terzspektrum %- %- Es können bis zu 6 Dateinen in einem Fenster geplottet werden %- Bei Bedarf kann ein Vergleichsterzspektrum in das erstelle %- Terzspektrum hinzugefügt werden. Das Vergleichsspektrum muss als %- Textdatei vorliegen. Die Textdateien können mit Hilfe des Programmes %- terzlp2txt.m erzeugt werden. %- %- Zusätzlich können auch HP-MAT-Dateien eingelesen werden. %- %- Das Programm ist entsprechend dem Inhalt der MAT-Dateien erweiterbar. %--------------------------------------------------------------------- clear all; close all; clc; ant = 'j'; %- Auswahlmenü m_2 = 1; i = 0; k = 0; while m_2 == 1 clear F_gesamt aps_lin_mittel_dB_gesamt c1x c1; i = i + 1; k = k + 1;

[dateiname, pfad] = uigetfile('*.mat', 'MAT-Ergebnisdatei zum Darstellen ��

wählen'); load(strcat(pfad,dateiname)); gp_fig = 1; terz_fig = 1; %- Wenn eine konvertierte HP-Datei geladen wird if exist ('c1x'); aps_lin_mittel_dB_gesamt = 20*log10(sqrt(c1./2)); F_gesamt = c1x; gp_aps_lin_mittel_dB_gesamt = 0; mittelungsanzahl = 0; kanal = '--'; fenster_typ = 'hanning'; ueberlappung = '--'; kalibrierfaktor = 0; delta_f = 0; abtastrate = 0; gp_z = 0; gp_fig = 0; terz_fig = 0; end %- Pfad merken cd(pfad);

Anhang 151


legend_string = strcat('\', dateiname, ' (GP:', ��

num2str(gp_aps_lin_mittel_dB_gesamt,'%5.1f'), ' dB...', ��

num2str(gp_aps_lin_mittel_dB_A_gesamt,'%5.1f'), ' dB(A))');

%legend_string = strcat('\', dateiname, ' (GP:', ��

num2str(gp_aps_lin_mittel_dB_gesamt,'%5.1f'), ' dB)', ' AVG: ', ��

num2str(mittelungsanzahl)); string_matrix(i).name = legend_string; f_min = F_gesamt(1); f_max = F_gesamt(length(F_gesamt));

freq_string_2 = ['Frequenzspanne [', num2str(f_min), '; ', ��

num2str(f_max), '] Hz']; if k == 7; k = 1; end %- Farben für die Darstellung farben = ['b' 'r' 'k' 'g' 'm' 'c' ]; %- APS plotten figure(1); plot(F_gesamt, aps_lin_mittel_dB_gesamt, 'color', farben(k) ); %- farben = input('Farbe ("k" "r" "b" "g" "m" "c"): ', 's'); %- plot(F_gesamt, aps_lin_mittel_dB_gesamt, 'color', farben );

title(['\ Unbewertete APS | Kanal: ', kanal, ' | ', freq_string_2, ' ��

Fenster: ', fenster_typ, ' | Überlappung: ', num2str(ueberlappung), ��

' % | k:', num2str(kalibrierfaktor), ' Pa/EU | delta_f: ', �� num2str(delta_f), ' Hz | f_ab :', num2str(abtastrate), ' Hz']); xlabel('f [Hz]'); ylabel('Lp [dB]'); grid on; set(gca, 'xlim', [f_min, f_max]); legend(string_matrix(:).name); hold on if terz_fig ~ 0 %terz_fig == 0 %- Terzspektrum plotten amp_terz_spek = tabelle(:,10);

amp_terz_spek((length(amp_terz_spek)+1)) = �� tabelle(length(tabelle),10);

terz_string = ['Terzmittelfrequenzen [', num2str(tabelle(1,1)), '; ', �� num2str(tabelle(length(tabelle),1)), ']']; gp_terz_dB = 10*log10( sum( 10.^(tabelle(:,10)./10))); figure(3); set(gcf,'name', dateiname); stairs(log_f_stairs, amp_terz_spek, farben(k));

title(['Unbewertetes Terzspektrum; Kanal: ', kanal, '; AVG = ', ��

num2str(mittelungsanzahl,3), '; GP: ', num2str(gp_terz_dB,'%5.1f'), �� ' dB<rms>; ', terz_string]);

Anhang 152


xlabel('f [Hz]'); ylabel('Lp [dB]'); set(gca, 'xlim', [log_f_stairs(1), log10(tabelle(length(tabelle),6))]); set(gca, 'xscale', 'linear'); set(gca, 'xtick', log_f_mn); set(gca, 'xticklabel', oktav_m); set(gca, 'fontsize', 10); set(gca, 'xgrid', 'on'); set(gca, 'ygrid', 'on'); hold on end m_2 = menu('Weitere MAT-Datei ?', 'JA', 'NEIN', 'Vergleichsplot'); end hold off; figure(1); end if m_2 == 3 %- Einlesen eines Terzspektrums zum Vergleich %- Die Terzpegel sind mit dem Programm terzlp2txt.m einzugeben. Mit %- diesem Programm wird eine .txt Datei in einem bestimmten Format %- erzeugt. Diese .txt Datei wird mit dem bestimmten Format eingelesen %- und weiterverarbeitet. [text_dateiname, text_pfad] = uigetfile('*.TXT', ' Textdatei'); textdatei_string = strcat(text_pfad, text_dateiname); [fm_terz, lp_terz] = textread(textdatei_string,'%u\t%f'); i_f1_a = find(tabelle(:,1) == fm_terz(1)); i_f1_e = find(tabelle(:,1) == fm_terz(length(fm_terz))); f_1_v = tabelle(i_f1_a:i_f1_e,3); f_1_v(length(f_1_v)+1) = tabelle(i_f1_e,6); lp_terz(length(lp_terz)+1) = lp_terz(length(lp_terz)); log_f1_v = log10(f_1_v); hold on; figure(3); stairs(log_f1_v, lp_terz, 'r'); end

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