Methods for analyzing and characterizing sound sources in rotating systems
| Autor: | Jekosch, Simon |
|---|---|
| Jazyk: | angličtina |
| Rok vydání: | 2023 |
| Předmět: |
600 Technik
Medizin angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten directivity reconstruction fan noise localisation sound propagation Lüftergeräusche-Lokalisierung rotierende Schallquellen Mikrofon-Array-Verfahren Richtcharakteristik-Rekonstruktion rotating sound sources Schallausbreitung microphone array method |
| DOI: | 10.14279/depositonce-17812 |
| Popis: | Sound generation by rotating machinery is oftentimes perceived as noise. Microphone array methods that rely on rotating beamforming are a versatile method to identify and locate these noise sources with high accuracy. To accurately analyze acoustic sources moving in a circular path, specific algorithms must be employed to account for the movement of the rotating components which would otherwise be represented as a stationary ring. There are two approaches to compensate for the motion of the rotating parts in acoustic source analysis: moving the computational grid or the array sensors along the source path. While the latter method is faster to compute, it has two limitations: the microphone geometry must be arranged in a ring around the center of rotation, and no changes in the source emission can be resolved over time. To overcome the limitations of the sensor placements in analyzing moving acoustic sources, this work presents several spatial interpolation techniques and a filtering approach based on angle intervals to account for periodically changing signals. Additionally, a method for computing the source directivity in the rotational reference frame is proposed, and an extended ray tracing algorithm is presented to account for arbitrary time-invariant flow fields. The capabilities of the proposed algorithms are tested with synthetic test cases of array measurements. The evaluation of those cases illustrates the general operating principles. To demonstrate their practical application three experimental campaigns were conducted. The first two campaigns involved a five-blades fan and utilized spiral and ring array geometries. The third campaign involved a rotating speaker array with steerable source directivity and a spiral array geometry. The experimental evaluation demonstrates that the proposed methods are capable of localizing and separating sound sources with reasonable accuracy. Moreover, they are able to assign sources that periodically change their level during rotation according to their angle in the rotating reference system and to reconstruct their directional characteristics. The integration of the sound propagation taking into account the rotating sound bearing medium as well as the superposed flow helps to improve the source localization quality. Overall, these methods reduce the limitations of using frequency domain array methods for rotational noise detection in experimental settings. Der von rotierenden Maschinen erzeugte Schall wird oft als Lärm wahrgenommen. Mikrofonarray Methoden, die auf rotierendem Beamforming beruhen, sind eine gebräuchliche Methode, um diese Lärmquellen mit hoher Genauigkeit zu identifizieren und zu lokalisieren. Für die Analyse akustische Quellen, die sich auf einer kreisförmigen Bahn bewegen, müssen spezielle Algorithmen eingesetzt werden, um die Bewegung der rotierenden Komponenten zu berücksichtigen, die andernfalls als stationärer Ring dargestellt werden würden. Es gibt hierbei zwei Ansätze, um die Bewegung der rotierenden Teile bei der Analyse von Schallquellen zu kompensieren: Erstens, das Verschieben des Berechnungsgitters oder zweitens, das Verschieben der Arraysensoren entlang der Trajektorie der Schallquallen. Letztere Methode ist zwar recheneffizienter, hat aber zwei maßgebliche Einschränkungen: Die Mikrofongeometrie muss ringförmig um die Rotationsachse angeordnet sein und zeitliche Veränderungen in der Quellenemission werden nicht berücksichtigt. Um die Einschränkungen der Sensorgeometrie zu überwinden, werden in dieser Arbeit verschiedene räumliche Interpolationstechniken eingeführt und ein auf Winkelintervallen basierender Filteransatz vorgestellt, um periodische Signaländerungen zu berücksichtigen. Darüber hinaus wird eine Methode zur Berechnung der Richtwirkung der Quelle im Rotationsbezugssystem vorgeschlagen und ein erweiterter Raytracing-Algorithmus vorgestellt, der beliebige zeitinvariante Strömungsfelder berücksichtigen kann. Zum Testen der vorgeschlagenen Algorithmen werden synthetische Testdatensätze von Array-Messungen ausgewertet. Anhand der berechneten Quellenverteilungen wird eine allgemeine Funktion der Methoden aufgezeigt. Zur Demonstration ihrer praktischen Anwendbarkeit, wurden drei Versuchskampagnen durchgeführt. Bei den ersten beiden Kampagnen wurde ein fünfblättriger Ventilator jeweils mit Spiral- und Ring-Arraygeometrien vermessen. In der dritten Kampagne wurde ein rotierendesLautsprecherarray mit steuerbarer Richtcharakteristik und einer spiralförmigen Arraygeometrie verwendet. Die Auswertung der experimentellen Daten zeigt, dass die vorgeschlagenen Methoden in der Lage sind, rotierende Schallquellen mit angemessener Genauigkeit zu lokalisieren und Quellmechanismen zu trennen. Außerdem sind sie in der Lage, sowohl Quellen, die ihren Pegel während der Rotation periodisch ändern, ihrem Winkel im rotierendem Referenzsystem zu zuordnen, als auch ihre Richtcharakteristiken zu rekonstruieren. Die Berücksichtigung des rotierenden schalltragenden Mediums sowie der überlagerten Strömung in das Schallausbreitungsmodell trägt dazu bei, die Qualität der Schallquellenlo- kalisierung zu verbessern. Insgesamt verringern diese Methoden die Einschränkungen, die bei der Verwendung von Frequenzbereichs-Arraymethoden zur Erkennung von Rotationsgeräuschen in experimentellen Umgebungen bestehen. |
| Databáze: | OpenAIRE |
| Externí odkaz: |
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