Stillere vliegtuigen een stapje dichterbij /reageer

Stillere vliegtuigen een stapje dichterbij

Het geluid van vliegtuigmotoren kan stiller. Op allerlei manieren wordt daar in de industrie en aan onderzoekscentra aan gewerkt. Zo ook aan de TU/e, bij de capaciteitsgroep Gasdynamica en aero-akoestiek van de faculteit Technische Natuurkunde. Ir. Gerben Kooijman is op 31 januari gepromoveerd op zijn proefschrift Acoustical Response of Shear Layers. Hij deed onderzoek hoe en onder welke omstandigheden geluidsdempers in vliegtuigmotoren, maar ook in uitlaatsystemen, werken. Of waarom niet.

Dat principe kent iedereen als je op een bepaalde manier over een leeg bierflesje blaast.

Aero-akoestiek is een discipline binnen de stromingsleer, die de interactie tussen stroming en geluid onderzoekt. De inspiratie en het toepassingsgebied voor het promotieonderzoek is het gebruik van dempers in vliegtuigmotoren om het motorlawaai te reduceren. Dempers, maar met een iets andere constructie, worden verder in fabrieken en in uitlaten van auto’s, motoren en andere voertuigen gebruikt. Ook daarop is het onderzoek van Kooijman van toepassing. In vliegtuigen is het motorcompartiment bekleed met acoustic liners -geperforeerde platen waar de lucht langs stroomt- met daarachter een honingraatstructuur. Dempers in uitlaten van auto’s daarentegen hebben een smal inlaatkanaal, waarin een verwijding is aangebracht, alvorens weer smal uit te lopen. Maar wat er aero-akoestisch gebeurt, is in beide systemen hetzelfde.

Schema van een vliegtuigmotor met acoustic linersKooijman onderzocht met name de processen in de perforatiegaatjes van de acoustic liners. Daar zou het geluid geabsorbeerd moeten worden als de luchtstroming over de opening van het perforatiegat gaat. Daar, in de schuiflagen, ontstaan namelijk wervels. Kooijman: “Als je het stromingsprofiel nauwkeurig bekijkt, dan is er een punt waar de langsstromende lucht en de stilstaande lucht die achter de perforaties zit, elkaar ontmoeten. De schuiflaag is het overgangsgebied van de langsstromende lucht naar de stilstaande lucht. In die schuiflaag zelf zit een werveling (vorticiteit, red.) en hier vindt de interactie tussen de luchtstroming en het geluid plaats. Hier ontstaat óf akoestische versterking, óf absorptie. Dat principe kent iedereen als je op een bepaalde manier over een leeg bierflesje blaast. Het geluid dat je dan hoort, wordt geproduceerd door de lucht die over de opening scheert. In dempers gebeurt hetzelfde, alleen wil je daar geen geluidsproductie maar -absorptie.”

Dikwandige buis

Kooijman onderzocht twee configuraties. Ten eerste het systeem dat wordt gebruikt in geluidsdempende wandbekleding in straalmotoren, waar door een scherende luchtstroming een schuiflaag ontstaat in de wandperforaties. Ten tweede een abrupte verbreding in een kanaal met doorstroming, zoals bij geluidsdempers van uitlaatsystemen, waarbij een schuiflaag ontstaat stroomafwaarts van de verbreding.

Een schematische weergave van de proefopstelling van KooijmanDe proefopstelling (zie illustratie) bestond uit een aluminium plaat met daarin een sleuf. Daarachter zitten een dikwandige buis en een luidspreker. Een windtunnel zorgt voor de aanvoer van de luchtstroom. De akoestische effecten worden gemeten in de buis, waar de luidspreker geluid doorheen voert (variërend van 50 tot 1000 hertz) en zo een vliegtuigmotor imiteert. Doordat er een dikwandige buis is gebruikt is het uitgesloten dat die meetrilt, en zodoende worden alleen de trillingen in de lucht gemeten. Dat meten zelf gebeurt met zeven microfoons die in de buis zijn aangebracht en een hoge nauwkeurige garanderen.

Kooijman: “Uit mijn onderzoek blijkt bijvoorbeeld dat de vorm van de randen van de perforatiegaten bepalen hoe sterk of zwak het geluid geabsorbeerd dan wel versterkt wordt. Een scherpe rand geeft meer werveling en daarmee een sterkere interactie met het geluid. De mate van geluidsabsorptie of -versterking wordt dus voor een groot deel bepaald door de vorm van de perforatie, in combinatie met de frequentie van het geluid, de stroomsnelheid van de lucht, en de vorm en dikte van de schuiflaag. Op basis van de onderzoeksgegevens heb ik een universele schaling gemaakt, die aangeeft wanneer het geluid versterkt of geabsorbeerd wordt.”

Gecontroleerde parameters

Soms wordt het geluid dus versterkt, soms geabsorbeerd. Maar de reden waarom het ene dan wel het andere effect optreedt, is nog steeds niet helemaal duidelijk. Ook in de bestaande literatuur niet, maar dat verbaast Kooijman niet echt. “Uit de literatuur zijn wel theoretische modellen bekend, maar die zijn bij lange na niet optimaal. En experimenten zijn vaak gehouden onder onduidelijke condities. Ik wilde duidelijke en gecontroleerde parameters, waardoor je ook een goede vergelijking met een theoretisch model kunt maken. Daardoor weet je bij het ontwerpen van nieuwe dempers beter waar je rekening mee moet houden. De bestaande literatuur vertelt bijvoorbeeld dat vooral de vorm van de stroomopwaartse randen van de perforaties, daar waar de lucht de perforaties het eerste passeert, van belang zijn. Maar uit mijn proeven blijkt dat dit niet zo is. Juist de tegenovergelegen stroomafwaartse rand heeft de grootste invloed op de absorptie of versterking van het geluid.”

Zelfstandig onderzoek doen

Foto: Bart van Overbeeke

Omdat Kooijman na zijn afstuderen bij TN niet meteen in een bedrijf wilde gaan werken en een wetenschappelijke carrière open wilde houden, lag promoveren voor de hand. Kooijman: “Ik wilde ook graag meer de diepte in en leren om zelfstandig onderzoek te doen, om daar zelf sturing aan te geven. Mijn afstudeeronderzoek, op het gebied van de plasmafysica, was vrij experimenteel, nu wilde ik graag het doen van experimenten combineren met modellering. Promoveren leek me ook spannend. ”

“Of, zoals mijn promotor Mico Hirschberg het verwoordt: ‘Bij een stage ligt het resultaat al grotendeels vast; bij je afstuderen weet je dat er iets uit komt, maar je weet nog niet wat. Bij een promotie weet je in het begin niet óf er überhaupt iets uitkomt.’”

Dat geldt ook voor de dikte en vorm van de schuiflaag, waar Kooijman ook uitgebreide berekeningen van heeft gemaakt. “In bestaande modellen zetten onderzoekers de dikte van de schuiflaag altijd op ‘nul’, om dan makkelijker te kunnen rekenen. Uit mijn experimenten blijkt dat de dikte van de schuiflaag, die enkele millimeters bedraagt, wel degelijk van belang is, en dit heb ik dan ook meegenomen in mijn modelberekeningen.”

Aldus kon Kooijman een bijna perfect theoretisch model opstellen. “Maar een model is altijd een benadering van de werkelijkheid”, stelt hij. “Mijn model voorspelt wel exact wanneer absorptie dan wel versterking van het geluid optreedt, alleen niet de mate waarin. Hier klopt het numeriek nog niet. Waardoor dit precies komt, begrijpen we nog niet helemaal. Overigens, voor het systeem van geluidsdempers in uitlaatsystemen werkt het model wél perfect, alleen voor de vliegtuigdemping nog niet.”

Vuilnisbelt

Gelukkig eindigt zijn proefopstelling niet op de vuilnisbelt, want er is inmiddels een vervolgonderzoek aangevraagd. En worden zijn bevindingen ook nog toegepast in de vliegtuigbouw? Kooijman: “Dat hoop je natuurlijk altijd. We hebben ook samengewerkt met de universiteit in Le Mans en daar doen ze verder onderzoek aan allerlei soorten dempers. Dus dat komt wel goed.”

Reageren via Facebook

Reacties

Over Gerard Verhoogt

Gerard Verhoogt is medewerker van Cursor, het informatie- en opinieblad van de Technische Universiteit Eindhoven.