© Pixsooz, Adobe Stock

Den Schall­quellen auf der Spur

In der Venti­la­to­ren­technik hat sich einiges getan. Strö­mungs­op­ti­mierte EC-Venti­la­toren setzen sich in der Kälte- und Klima­technik durch. Dennoch gibt es noch Opti­mie­rungs­po­ten­tial bei der Geräusch­ent­wick­lung. Mit gründ­li­chen Akustik-Unter­su­chungen wird unter Rück­sicht auf die Einbau­si­tua­tion jede einzelne Schall­quelle ausfindig gemacht.


Schall­quellen bei Venti­la­toren auf die Spur zu kommen ist nicht einfach, denn während aero­dy­na­mi­sche Simu­la­ti­ons­pro­gramme recht weit entwi­ckelt und am Markt etabliert sind, ist die Simu­la­tion von Aero­akustik heute noch Gegen­stand der Forschung. Die erfor­der­liche räum­liche Auflö­sung kleiner turbu­lenter Struk­turen verlangt im Vergleich zur aero­dy­na­mi­schen Simu­la­tion wesent­lich höhere Zell­zahlen. Für einen Venti­lator in einer bestimmten Strö­mungs­si­tua­tion können das sogar mehrere Millionen im zwei bis drei­stel­ligen Bereich sein.

Zudem ist immer eine hohe zeit­liche Auflö­sung notwendig, typi­sche Schritte liegen hier im Bereich von 10 Mikro­se­kunden. Die benö­tigten Rechen­res­sourcen und der damit verbun­dene zeit­liche und finan­zi­elle Aufwand sind dementspre­chend hoch. Deshalb werden auch z. B. bei Venti­la­toren nur die größeren (für die Akustik rele­vanten) turbu­lenten Struk­turen aufge­löst. Trotz dieser Einschrän­kungen bleibt der Aufwand beacht­lich und zurzeit wird an Ansätzen zur Reduk­tion des Rechen­auf­wands gear­beitet. Unter­stüt­zung bringen dabei auch expe­ri­men­telle Verfahren.

Beam­forming mit dem Mikro­fonarray

Bild 1: Das kreis­för­mige Mikro­fonarray, bei dem 80 Mikro­fone auf zwei Ebenen ange­ordnet sind, ist im Venti­la­to­ren­prüf­stand auf der Saug­seite einge­setzt.

Als expe­ri­men­telles Verfahren zur Ortung von Schall­quellen am rotie­renden Venti­lator nutzt der Motoren- und Venti­latoren­spezialist ebm-papst beispiels­weise das soge­nannte Beam­forming-Verfahren als Ergän­zung zu der aufwän­digen aero­akus­ti­schen Simu­la­tion. Herz­stück ist ein kreis­för­miges Mikro­fonarray (Bild 1), bei dem 80 Mikro­fone auf zwei Ebenen ange­ordnet sind.

Das Mikro­fonarray ist im Venti­la­to­ren­prüf­stand auf der Saug­seite einge­setzt und misst dort die Lauf­zeit­un­ter­schiede der Schall­wellen zu den einzelnen Mikro­fonen. Ausge­klü­gelte Algo­rithmen werten dann die über 30 Sekunden bei bekannter Venti­la­tor­dreh­zahl gewon­nenen Daten aus. Das Ergebnis zeigt, dass das Beam­forming-Verfahren die glei­chen Trends erkennt wie die aero­akus­ti­sche Simu­la­tion (Bild 2). Aufgrund der expe­ri­men­tellen Ergeb­nisse lässt sich somit auch die nume­ri­sche Simu­la­tion über­prüfen und opti­mieren.

ebm-papst nutzt zur Ortung von Schall­quellen das Beam­forming-Verfahren als Ergän­zung zur aufwän­digen aero­akus­ti­schen Simu­la­tion.

Bild 2: Das Beam­forming-Verfahren (oben) erkennt die glei­chen Trends wie die aero­akus­ti­sche Simu­la­tion (unten). In beiden Fällen stehen die roten Bereiche für lautes Geräusch­ver­halten.

Die Auswer­tungen lassen bei einem typi­schen Axial­ven­ti­lator zwei domi­nante Geräusch­quellen erkennen: die Kopfspalt­strömung zwischen Schaufel und Wand­ring sowie die soge­nannten Zuström­tur­bu­lenzen (Bild 3). Am Kopf­spalt kommt es durch den Druck­un­ter­schied zwischen der Druck- und Saug­seite zur Über­strö­mung der Venti­la­tor­schaufel an der Schau­fel­spitze. Die Strö­mung inter­agiert dort mit den vorhan­denen Kanten, also der Schau­fel­ober­fläche und der umge­benden Gehäu­se­wand. Es bilden sich Wirbel, die bei der Ablö­sung den Schall­pegel um bis zu 10 dB erhöhen können.

Zuström­tur­bu­lenzen kommen vor allem dann zum Tragen, wenn der Venti­lator einge­baut ist. Für den Test mit dem Mikro­fonarray wurde dazu ein Kasten gewählt, wie er beispiels­weise bei Wärme­tau­schern üblich ist. An den Gehäu­se­wänden entstehen Rück­ström­ge­biete mit entspre­chender Zirku­la­tion, also Luft­ver­wir­be­lungen. Diese werden dann zu den Stellen mit dem engsten Abstand zwischen Venti­lator und Gehäu­se­wand gezogen. Dort verbinden sich die Verwir­be­lungen beider Seiten mitein­ander.

 

Bild 3: Die Zuström­tur­bu­lenzen und die Kopf­spalt­strö­mung sorgen für eine Geräuscher­hö­hung. Zuström­tur­bu­lenzen kommen vor allem dann zum Tragen, wenn der Venti­lator einge­baut ist.

Bild 4: Wirbelzöpfe in einer kasten­för­migen Zuström­si­tua­tion.

Diese „Wirbelzöpfe“ sorgen dann für hohe Turbu­lenzen (Bild 4). An der Schau­fel­vor­der­kante kommt es dadurch zu großen Druck- und Geschwin­dig­keits­schwan­kungen, was zu teil­weise dras­ti­schen Zusatz­ge­räu­schen vor allem im nieder­fre­quenten Bereich führt.Zum einen entsteht ein breit­ban­diges Rauschen, zum anderen aber auch schmal­ban­dige tonale Schall­an­teile, die auch als Dreh­klang bezeichnet werden. Die dafür typi­schen, unan­ge­nehm „brum­menden“ Geräu­sche hat wohl jeder schon einmal gehört.

Von der Ursa­chen­for­schung zur Geräusch­be­kämp­fung

Sind die Geräusch­quellen loka­li­siert, lassen sich Maßnahmen ergreifen, um die Aero­akustik der Venti­la­toren zu verbes­sern: Wie sich zeigte, hat der Spalt­ab­stand zwischen Schau­fel­spitze und Wand­ring einen großen Einfluss auf das Geräusch­verhalten. Zwar nimmt das Geräusch bei kleiner werdendem Spalt ab, aber das Spaltmaß kann aufgrund ferti­gungs­be­dingter Notwen­dig­keiten nicht beliebig verklei­nert werden, ohne Berüh­rungen der Schau­fel­spitze am Wand­ring zu riskieren.

Bild 5: Mit Winglets (rot) an der Schau­fel­spitze können die Kopf­spalt­strö­mung und die sich bildenden Wirbel so beein­flusst werden, dass sich eine deut­liche Geräusch­re­duk­tion ergibt.

Hier helfen Winglets weiter. Mit diesen defi­nierten geome­tri­schen Verfor­mungen an der Schau­fel­spitze können die Kopf­spalt­strö­mung und die sich bildenden Wirbel so beein­flusst werden, dass sich eine deut­liche Geräusch­re­duk­tion ergibt (Bild 5). Die Kopf­spalt­strö­mung wird positiv beein­flusst, was die Inter­ak­tion der Strö­mung mit den Kanten verrin­gert. So ergibt sich eine Schall­leis­tungs­re­duk­tion von bis zu 10 dB.

Verbes­sert man die Zuströ­mung der Luft zum Venti­lator, verrin­gern sich die Turbu­lenzen und somit auch die nieder­fre­quenten Geräu­sche.

Um die Zuström­tur­bu­lenzen zu redu­zieren, helfen geome­tri­sche Verän­de­rungen am Venti­lator alleine nicht, da sich diese aus der Einbau­si­tua­tion ergeben. Zusätz­liche Dämm­maß­nahmen am Gehäuse bringen meist auch wenig Erfolg, denn entspre­chende Dämm­platten wirken typi­scher­weise erst ab höheren Frequenzen. Weiter hilft ein anderer Ansatz: Verbes­sert man die Zuströ­mung der Luft zum Venti­lator, verrin­gern sich die Turbu­lenzen und somit auch die durch sie verur­sachten, lästigen nieder­fre­quenten Geräu­sche. ebm-papst hat deshalb ein spezi­elles Vorleit­gitter (Flow­Grid) entwi­ckelt, das prak­tisch wie ein Gleich­richter auf die Luft­zu­fuhr wirkt. Es redu­ziert dadurch dras­tisch die geräusch­er­zeu­genden Störungen in der Zuströ­mung und wirkt bei Axial- und Radi­al­ven­ti­la­toren glei­cher­maßen (Bild 6).

Bild 6: Unab­hängig von den bauli­chen Gege­ben­heiten und der Einbau­si­tua­tion im Gehäuse errei­chen die Venti­la­toren mit dem Vorleit­gitter (Flow­Grid) Geräusch­werte, die mit dem Betrieb unter Labor­test­be­din­gungen vergleichbar sind.

Unab­hängig von den bauli­chen Gege­ben­heiten und der Einbau­si­tua­tion im Gehäuse errei­chen die Venti­la­toren damit Geräusch­werte, die mit dem Betrieb unter Labor­test­be­din­gungen vergleichbar sind. Die aero­akus­ti­schen Unter­su­chungen haben damit bewiesen, dass sie erheb­lich zur Venti­la­toren-Opti­mie­rung beitragen. Auf die Zukunft darf man gespannt sein, sicher werden die ener­gie­ef­fi­zi­enten Venti­la­toren von ebm-papst immer noch ein biss­chen leiser werden.

Bitte füllen Sie folgende Felder aus: Kommentar, Name & E-Mail-Adresse (Ihre E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht). Bitte beachten Sie dazu auch unsere Datenschutzerklärung.