When designing a low noise aeroacoustic source, the noise generation mechanism and main noise radiating components of the source must be thoroughly understood. In this work, a new identification method for the in-duct rotating fluid machines is studied, by which one can identify the source parameters in the reference frame rotating with the source. The difficulties to overcome are as follows: high-order acoustic modes due to wide duct, uncorrelated flow noise due to turbulent flow, rotation of the source surface, data processing of the multi-channel measurement. To increase the spatial resolution of the identified source parameter distribution, both propagating and evanescent waves are included in the analysis using modal summation method. Also, Doppler shift effect is included in the modeling to describe the effect of source surface rotation. To minimize the measurement error of sound pressure in a turbulent flow field, the flow noise suppression technique with reference sensors such as rotation pickup and far-field microphone are adopted. Near-field sensor placement strategy of the flush mounting measurement method regarding standoff distance, the number of microphones in a measurement plane, and the number of measurement planes is discussed to achieve the target spatial resolution for the clear investigation of the acoustic source behavior.
The whole identification procedure is processed in the following order. First, the measured pressure data are used as the input, and the modal amplitudes are estimated in each shifted frequencies in the stationary frame. The accuracy of the estimated modal amplitudes is confirmed by comparing the restored pressures from the obtained modal amplitudes to the measured pressures. The modal amplitudes in the rotating reference frame are re-organized from the modal amplitudes in the stationary reference frame. Then, the source parameters are estimated from the obtained modal amplitude distribution in the rotating reference frame. When the stationary noise source is of concern, the re-calculation or re-organization procedure for the modal amplitudes are omitted, and the rest of the process can be conducted as the same with the rotating source identification process.
The suggested modeling and measurement method is applied on four different in-duct stationary and rotating noise sources to validate and demonstrate the suggested technique for identifying the acoustic characteristics of the noise source: a static speaker, an air blowing hole, a rotating loudspeaker, and an axial fan. The calculated modal amplitudes result in the maximum error less than -20 dB, -15 dB, -10 dB, and -20 dB for each case, respectively. The source parameters are estimated from the obtained modal amplitudes, and the strengths and locations of major noise sources are clearly identified. From the results, it is shown that the suggested identification method can be applied for the experimental tuning of the design parameters and for the establishment of low noise design strategy by studying the source behavior of the current design in detail.
저소음의 공력음원의 설계를 위해서는 소음의 발생 매커니즘과 주된 방사 소음원들을 철저하게 파악하는 것이 필수적이다. 본 연구에서는 덕트내에서 회전하는 유체기계들을 규명하기 위한 새로운 방법을 제시하며, 이를 이용해 회전하고 있는 음원의 변수들을 회전 좌표계에서 관찰할 수 있다. 본 연구의 주된 난점들은 다음과 같다: 넓은 관내에 존재하는 고차 음향 모드들, 난류 유동에 의해 발생된 비상관 유동 소음, 음원의 회전, 다채널 측정의 신호처리 방법이다. 음원 변수를 높은 분해능으로 관찰하기 위해서, 진행파와 감쇠파를 모드 합성법에 함께 사용하였다. 또한, 음원의 회전으로 인한 도플러효과도 모델링시에 함께 고려하였다. 난류 유동장내에서 계측시, 음압의 측정오차를 줄이기 위해서, 유동 소음을 저감하는 방법을 이용하였으며 이때 기준 신호로 회전 픽업 신호와 원거리 음장의 마이크 신호를 사용하였다.
관벽면에서의 음압 신호를 측정하였으며, 음원의 특성을 분명하게 규명하기 위한 목표 공간 분해능을 결정하는 방법에 대해 논의하였으며, 이때 근접장 측정시에 센서의 배치는 음원으로부터의 거리, 각 측정면에서의 등간격으로 배치된 마이크로폰 개수, 측정 면의 수를 고려하였다.
전체 음원 규명의 방법은 아래와 같다. 먼저, 측정된 음압을 입력으로 이용하여 정지 좌표계의 각 이동된 주파수들에서 모드 진폭을 결정한다. 추산된 모드 진폭들의 정확도는 이를 이용하여 재생성된 측정점에서의 음압과 함께 비교하여 오차를 계산함으로 확인하였다. 정지 좌표계에서 얻은 모드 진폭들을 이용하여 회전 좌표계의 모드 진폭을 결정하고, 이를 이용하여 회전 좌표계에서 음원 변수들을 관찰하였다. 정지한 음원을 관찰하는 경우는, 모드 진폭의 재배열의 과정은 생략할 수 있으며, 나머지 절차는 회전하는 음원의 규명 절차와 동일하다.
본 논문에서 제안된 측정과 모델링 방법을 총 4개의 정지 음원과 회전 음원에 적용하여 제안된 방법을 검증하였다. 정지한 스피커, 공기 송풍 구멍, 회전 스피커, 축류팬을 대상으로 음원을 규명하였다. 추산된 음원은 각각 최대 -20 dB, -15 dB, -10 dB, -20 dB의 오차로 각 경우에 대해 정확도를 가졌다. 규명된 모드 진폭들로부터 음원 변수들을 결정하였고, 이를 이용하여 주된 소음원의 위치와 강도를 명확하게 알아낼 수 있었다. 결과로부터, 제시된 방법론이 설계변수들의 실험적 튜닝과 현재 디자인의 추후 저소음화 방안의 수립의 목적으로 사용될 수 있음을 보였다.
