Instabile Wellenpakete tragen Schall in die Ferne

Wenn Flugzeuge starten, belasten sie die Umge­bung nicht selten mit einem Schall­pegel von bis zu 140 Dezibel. Viele tech­nische Ent­wick­lungen konnten den Flug­lärm bereits deut­lich ver­ringern. Doch stoßen theo­re­tische Modelle an ihre Grenzen, um die mess­bare Laut­stärke in weiterer Ent­fernung vom Flug­zeug schlüssig erklären zu können. Diese Lücke füllen jetzt Akustik­forscher der Uni­versity of Minne­sota in Minnea­polis mit einem neuen Ansatz. Mit einer nume­rischen Analyse gelang es ihnen, die Schall­erzeugung durch turbu­lente Strömungen besser zu verstehen. Das Ver­fahren könnte auch zur Ent­wicklung leiserer Trieb­werke bei­tragen.

Fluglärm entsteht sowohl durch die Reibung der Gase im Trieb­werk als auch durch Turbu­lenzen in der Luft­strömung dahinter. Mihailo Jovanovi und seine Kollegen simu­lierten, wie aero­dyna­mische Fluk­tua­tionen im Trieb­werks­strom zu einem hohen Schall­pegel im Fern­feld um die Schall­quelle führen. „Dafür behan­delten wir turbu­lente Strö­mungen als Ver­stärker, um Schall in die Region weiter ent­fernt von der Schall­quelle zu über­tragen“, erläutert Jovanovi den neuen aero­akus­tischen Ansatz.

Dabei dienten instabile Wellenpakete in der Strömung hinter dem Trieb­werk als eine Art Träger­welle. Dieser Effekt ähnelte einer Radio­welle für Mittel­wellen-Sender, die eine Infor­mation über die Modu­lation der Ampli­tude bei konstanter Frequenz der Träger­welle über­mittelt. Analog konnte in der Simu­lation die Ampli­tude der Wellen­pakete modu­liert werden und so den Schall in das Fern­feld hinter und unter dem Trieb­werk tragen. Dieses Modell über­prüften die Akustiker mit einer Computer­simu­lation. Diese Input-Outout-Analyse basierte auf den Navier-Stokes-Gleichungen, mit denen die Bewegung von viskosen Flüssig­keiten berechnet werden und die eben­falls für die turbu­lenten Strö­mungen hinter einem Trieb­werk gelten. Das Ergebnis der Analyse bestätigt, dass in­stabile Wellen­pakete tat­säch­lich Schall weiter­leiten und so zum hohen Lärm­pegel eines star­tenden Flug­zeugs bei­tragen können.

Jovanovi und Kollegen schlagen nun vor, auf der Basis ihres aero­akus­tischen Modells neue Strategien gegen Flug­lärm zu ent­wickeln. Zuvor wäre es jedoch sinn­voll, die berech­neten Ergeb­nisse anhand von Schall­messungen rund um das Trieb­werk eines star­tenden Flug­zeugs zu über­prüfen. Als Alter­native bieten sich leichter durch­führ­bare Messungen rund um eine Wind­kraft­anlage an, da an deren Flügel­spitzen ebenfalls sehr schnelle turbu­lente Strö­mungen auf­treten. Denn die Forscher sind davon über­zeugt, dass ihr Modell der Schall über­tragenden Wellen­pakete auch neue Erkennt­nisse zur Aero­akustik von Wind­parks liefern könnte.

Jan Oliver Löfken

RK