Der Triebwerkslärm eines herkömmlichen Flugzeuges hat zwei verschiedene Komponenten: Erstens erzeugt der Verbrennungsprozess selbst ein Geräusch, und zweitens sorgen die starken Luftströmungen für Verwirbelungen und mechanische Schwingungen. Bei elektrischen Triebwerken fällt die Verbrennung weg, doch die Luftströme verursachen trotzdem Lärm – genau damit beschäftigt sich der Strömungsakustiker Stefan Schoder vom Institut für Mechanik und Mechatronik der TU Wien.
Luftströmungen, die Schall verursachen
„Flugzeugtriebwerke sind ein klassisches Anwendungsbeispiel der Strömungsakustik. Grundsätzlich ist das ein alltägliches Phänomen: Strömungen führen zu Turbulenzen sowie Schwingungen und damit zu Geräuschen. Auch unsere Stimme funktioniert auf diese Weise, genauso wie Blasinstrumente oder Orgelpfeifen“, erklärt Stefan Schoder.
Wenn man die Strömungsmechanik und Akustik einer Lärmquelle versteht, kann man diese auch dämpfen. „Die Firma Volare stellte uns einen Triebwerksprototypen zur Verfügung, den wir in unserem speziell eingerichteten Schalllabor untersuchen konnten“, sagt Stefan Schoder. Der Messraum ist mit einem schallabsorbierenden Material ausgekleidet, dadurch lässt sich verhindern, dass Reflexionen und Echos das Messergebnis verfälschen.
Mit einem Array aus mehreren Mikrophonen wurde untersucht, an welchen Positionen im Triebwerk Schall entsteht. „Diese Messungen wurden in einem weiten Drehzahlbereich durchgeführt. Genau wie bei einem Auto hängt auch beim Flugzeugtriebwerk das Geräusch maßgeblich von der Drehzahl des Antriebs ab“, berichtet Schoder.
Wie man Resonanzen verschluckt
Bei bestimmten Drehzahlbereichen treten akustische Resonanzen auf – in dem Fall wird besonders viel Schallenergie bei diskreten Frequenzen ausgesendet. Daher entwarfen Stefan Schoder und sein Team gemeinsam mit der Firma Volare eine Konstruktion zur Schallabsorption, die im Triebwerk installiert wurde. Durch die geeignete Wahl des verwendeten Materials sowie der geometrischen Parameter der Konstruktion ließ sich erreichen, dass genau diese Frequenzen absorbiert werden, anstatt in Form von Schall an die Umgebung abgegeben zu werden.
Anschließend wurde das Triebwerk erneut im Schalllabor vermessen – und tatsächlich konnte die Lautstärke verringert werden. „Natürlich lässt sich aus einem Flugzeugtriebwerk kein flüsterleises Gerät machen, aber die Reduktion der Lautstärke ist deutlich hörbar“, sagt Schoder. Weitere Optimierungen des Triebwerkes zur Schallreduktion sind für die Zukunft bereits geplant. „Was wir gezeigt haben ist, dass es sich zweifellos lohnt, den Geräuschpegel solcher Triebwerke strömungsakustisch zu optimieren.“
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