På sporet af støjkilder

Der er sket meget inden for ventilatorteknologi. Aerodynamisk optimerede EC-fans er ved at blive etableret som standarden inden for køle- og klimaanlæg. Ikke desto mindre er der stadig mulighed for yderligere optimering i støjdæmpning. Grundige akustisk tests udføres for at identificere hver enkelt lydkilde, også under hensyntagen til installationssituationen.


At spore lydkilder i ventilatorer er ikke en let opgave. Selvom relativt avancerede aerodynamiske simuleringsprogrammer nu er tilgængelige og er blevet etableret på markedet, er simuleringen af ​​aeroakustik stadig ikke ofte anvendt. Antallet af FEM-celler, der er behov for, for den krævede rumlige opløsning af små turbulente strukturer, er langt højere end ved aerodynamisk simulering. For ventilatorer i bestemte strømningssituationer kan tallet endda være så højt som titusinder eller hundreder af millioner mere.

En anden nødvendighed er høj tidsopløsning – typisk med måleintervaller på ca. 10 mikrosekunder. Dette kræver store beregningsmæssige ressourcer og de dertil knyttede tids- og økonomiske omkostninger. Det forklarer dermed, at det for eksempel for ventilatorer, kun er de større turbulente strukturer (af relevans for akustikken) der løses. Selv med disse begrænsninger er udgifterne betydelige, og der arbejdes i øjeblikket på at finde måder at reducere mængden af beregningsarbejde involveret. Eksperimentelle processer er nyttige i denne henseende.


Beamforming med mikrofonarray

Et eksempel på en eksperimentel metode til lokalisering af lydkilder på en roterende ventilator, der bruges af ebm-papst’s ventilatorspecialister til at supplere kompleks aeroakustisk simulering, er den såkaldte beamforming-proces. I hjertet af dette er en cirkulær mikrofonopstilling med 80 mikrofoner arrangeret på to niveauer.

Mikrofonarrayet bruges på indsugnings-siden af ​​ventilatorens teststand til at måle forskellene i forplantningstiden for lydbølgerne til hver af mikrofonerne. Sofistikerede algoritmer evaluerer derefter de opnåede data over en periode på 30 sekunder med en kendt ventilatorhastighed. Resultaterne viser, at beamformingsmetoden detekterer de samme tendenser som aeroakustisk simulering. De eksperimentelle fund muliggør således også kontrol og optimering af den numeriske simulation.

ebmpapst beamforming


Evalueringerne afslører to dominerende støjkilder for en typisk aksial ventilator: luftflowet i vingetip-spalten mellem ventilator-blad og ventilatorhus og den såkaldte indstrømningsturbulens. Ved vingetip-spalten får forskellen i tryk mellem udløb og indstrømnings-siden luft til at strømme over ventilatorbladene ved vingetippen. Strømningen interagerer med de kanter, der er til stede der, med andre ord bladoverfladen og den omgivende husvæg. Det dannes hvirvler, der kan øge lydniveauet med op til 10 dB.

Indstrømningsturbulens er især et problem, når ventilatoren er lukket inde. En kasse som f.eks. den, der blev brugt til varmevekslere, blev valgt til test med mikrofonarray. Tilbageløbs-områder med tilsvarende cirkulation, med andre ord luftturbulens, forekommer ved husvæggene. Disse trækkes derefter mod de punkter, hvor mellemrummet mellem ventilator og husvæg er på det smalleste. Turbulensen fra begge sider smelter sammen her.

Disse “hvirvelstrenge” producerer derefter stor turbulens. Som et resultat forekommer betydelige udsving i tryk og hastighed ved forkanten af ​​bladet, hvilket resulterer i undertiden dramatisk yderligere støj i især lavfrekvensområdet. Dette har form af både bredbåndstøj og smalbånds tonale lydkomponenter, også kendt som bladfrekvensen. Alle der har med ventilatorer at gøre har på et tidspunkt hørt den ubehagelige ”brummende” støj, der er typisk for dette fænomen.


Fra at finde årsagen til at tackle støjen

Når støjkilderne er lokaliseret, kan der tages skridt til at forbedre ventilatorernes aeroakustik: Størrelsen på spalten mellem vingespidsen og ventilatorhuset viste sig at have en betydelig indflydelse på ventilatorens støjadfærd. Støjniveauet falder med et mindre mellemrum mellem hus og vingespids, men produktionsrelaterede tolerancer betyder, at spaltedimensionen ikke kan reduceres ud over et bestemt punkt på grund af risikoen for, at vingespidsen rammer blæserhuset.

Det er her winglets kan hjælpe. Disse buede endestykker, der er føjet til vingenspidserne, påvirker vingespidsen og de hvirvler, der dannes, og reducerer således støjniveauet markant. Dette har en positiv indflydelse på strømingen i spalten mellem vingespids og hus, hvilket reducerer samspillet mellem strømmen og kanterne. Som et resultat falder lydeffekten med op til 10 dB.

 

”Forbedring af tilstrømningen af ​​luften til ventilatoren mindsker turbulensen og dermed også lavfrekvente støj.”

 

Geometriske modifikationer af blæseren alene er imidlertid ikke tilstrækkelige til at reducere indstrømningsturbulensen, da dette skyldes installationssituationen. Derudover har lydisolering af huset heller ikke særlig succes, da isolationen normalt kun har virkning på de højere frekvenser. En anden tilgang er mere lovende: At forbedre tilstrømningen af ​​luft til ventilatoren mindsker turbulensen og dermed også den irriterende lavfrekvente støj, der genererer. Til dette formål har ebm-papst udviklet en speciel luftindtags-grill (FlowGrid), der fungerer som en flowudjævner på indblæsningsluften. Det reducerer således dramatisk støjgenererende forstyrrelser i indstrømningen og er lige så effektiv med både aksiale og centrifugale ventilatorer.

Uanset de strukturelle forhold og installationssituationen i huset, opnår ventilatorerne derefter støjværdier, der kan sammenlignes med dem, der er tilstede under optimal drift i laboratorietestforhold. Aeroakustisk test har således bevist sin værdi som et middel til at optimere ventilatorer. Det vil være interessant at se, hvad fremtiden har i vente. Én ting er sikkert, energieffektive ventilatorer fra ebm-papst vil stadig blive mere støjsvage.


 

ebmpapst beamforming