Mikrofonarray Mess- und Analysemethoden
Mit Hilfe der Mikrofonarraytechnik können Schallquellen an ruhenden und bewegten Objekten lokalisiert und analysiert werden. Dies ist eine wichtige Voraussetzung, um moderne Flugzeugtriebwerke leiser zu machen. Schallmessungen mit einzelnen Mikrofonen können Aufschluss über die spektrale Zusammensetzung der Lärmsignatur eines Flugzeugs und deren zeitliche Entwicklung geben. Für die Entwicklung von Lärmminderungsmaßnahmen fehlt jedoch die Information, wo sich die einzelnen Schallquellen tatsächlich befinden. Erst wenn bekannt ist, wo sich die Lärmquellen befinden, können konstruktive oder operationelle Maßnahmen zur Lärmminderung ergriffen werden.
In der Abteilung Triebwerksakustik werden Mikrofonarrays bereits seit 1978 eingesetzt, zunächst für Untersuchungen an Hochgeschwindigkeitszügen, später auch an Flugzeugen. Heute ist die Schallquellenortung mit Mikrofonarrays ein Standardverfahren in Forschungsinstituten und in der Industrie.
Erweitertes Beamforming
Das Prinzip des klassischen Beamformings ist relativ einfach: Die Signale vieler Mikrofone werden gleichzeitig aufgenommen, dann werden die einzelnen Signale zeitlich so gegeneinander verschoben, dass die Laufzeit des Schalls zwischen jedem einzelnen Mikrofon und dem zu untersuchenden Punkt auf dem Objekt kompensiert wird. Werden die laufzeitkorrigierten Mikrofonsignale dann addiert, so addieren sich die Anteile von Quellen an diesem Punkt konstruktiv, während die Signalanteile von Quellen an anderen Orten statistisch gemittelt werden.
Dieses Verfahren wird als delay-and-sum beamforming bezeichnet. Üblicherweise wird dieses Verfahren mit vielen Punkten in einer Ebene durchgeführt. Für jeden Punkt wird ein Schalldruckspektrum berechnet. Auf diese Weise können Karten der Schallquellen des Messobjekts für alle erfassten Frequenzbänder erstellt werden.
Die Schallquellen an Verkehrsflugzeugen können nur im Überflug untersucht werden. Um das Array auf das Flugzeug zu fokussieren und den Dopplereffekt zu kompensieren, müssen Flugbahn und Fluggeschwindigkeit bekannt sein. In der Abteilung Triebwerksakustik wurde für solche Untersuchungen das Programm ProSigMA entwickelt, das die Lokalisierung von Schallquellen an bewegten Objekten ermöglicht, wobei die Ergebnisse zusätzlich von den nachteiligen Abbildungseigenschaften eines Mikrofonarrays bereinigt werden (Entfaltung mit der Punktverbreiterungsfunktion), um eine größere Dynamik der berechneten Schallquellenverteilungen zu erhalten.
SODIX: Source Directivity Modeling in Cross-Spectral Matrix
Das gesamte von einem Flugzeugtriebwerk abgestrahlte Schallfeld setzt sich aus den einzelnen Beiträgen des Einlaufs, der Düsen und des Strahls zusammen. Für die detaillierte Untersuchung dieser gerichteten Teilschallquellen sind Analyseverfahren erforderlich, mit denen die absolute Quellstärken und Richtcharakteristiken bestimmen werden können. Gängige Array-Verfahren wie das klassische Beamforming liefern aufgrund von Überlagerungseffekten mit dem keine absoluten Ergebnisse und können zudem die Richtcharakteristik der einzelnen Quellen aufgrund der räumlichen Mittelung über alle Mikrofonpositionen nur sehr begrenzt auflösen.
Mit dem inversen Array-Verfahren SODIX können die absoluten Beiträge der gerichteten Schallquellen durch die Modellierung von gerichteten Ersatzschallquellen bestimmt werden. Dabei wird für jede zu modellierende Schallquelle eine Quellstärke in Richtung jedes Mikrofons bestimmt. Die Modellierung erfolgt durch die Minimierung der Differenz zwischen der gemessenen und der mit den Ersatzschallquellen simulierten Kreuzsprektralmatrix.
Die Auswertung von statischen Messungen an Turbofan-Triebwerken auf Freifeldprüfständen mit SODIX hat gezeigt, dass die breitbandigen Schallquellen mit hoher räumlicher Auflösung modelliert werden können und die resultierende Fernfeldrichtcharakteristik sehr gut reproduziert werden kann. Ein weiteres Anwendungsgebiet von SODIX ist die Schallquellenlokalisierung in Windkanälen, wo die Signale der einzelnen Mikrofone durch unkorrelierte Strömungsgeräusche beeinflusst werden. Hier erlaubt SODIX im Gegensatz zu klassischen Beamforming-Verfahren eine mathematisch korrekte Eliminierung der Hauptdiagonalen der Kreuzspektralmatrix in der Berechnung, wodurch der Einfluss des unkorrelierten Störschalls minimiert werden kann.
Berlin Beamforming Conference
Alle zwei Jahre findet in Berlin die Berlin Beamforming Conference statt, die gemeinsam vom DLR - Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, der TU Berlin und der Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik organisiert wird. Auf der Webseite der Berlin Beamforming Conference findet sich eine Literaturdatenbank zum Thema Schallquellenlokalisierung mit Mikrofonarrays.