The two-dimensional detection of tonal sound fields using laser-optical measurement technique : application of phase-locked particle-image-velocimetry

Im Rahmen dieser Arbeit werden die Einsatzmöglichkeiten laseroptischer Geschwindigkeitsmessverfahren für strömungsakustische Anwendungen aufgezeigt. Particle-Image-Velocimetry (PIV) und Doppler-Global-Velocimetry (DGV) werden erfolgreich für die nicht-invasive Erfassung tonaler Schallfelder eingesetzt, wobei hauptsächlich das flächige PIV-Messsystem verwendet wird. Als physikalische Größe wird die Schallschnelle in Luft gemessen, die zusätzlich von einer Grundströmung überlagert sein kann. Für das DGV-Verfahren wird die prinzipielle Anwendungsmöglichkeit in einer Einpunktmessung demonstriert und durch Mikrofonmessungen validiert. Die Fähigkeit der PIV-Messtechnik als flächiges Schnellemesssystem wird an unterschiedlichen Experimenten aufgezeigt und deren Ergebnisse auf Plausibilität geprüft. Dies erfolgt entweder durch Mikrofonmessungen oder durch die Unterstützung numerischer Simulationen. Es werden die Grenzen der Einsatzmöglichkeit für das PIV-System bestimmt, die einerseits im System immanent vorhanden sind und andererseits vom akustischen Feld und/oder dem anliegenden Strömungsfeld abhängig sind. Weiterführend wird die PIV-Messtechnik für Schnellemessungen über realitätsnahen, akustisch dämpfenden Wandauskleidungen eingesetzt. Mit Hilfe dieser Messungen wird unter anderem die Implementierung einer Impedanzrandbedingung für den DLR-CAA-Code PIANO verifiziert. Darüber hinaus werden die erfassten Schnellefelder mit LDV-Daten verglichen und Separationsansätze für die Trennung von Akustik und akustisch induzierter Strömung getestet. Durch die Verwendung eines Stereo-PIV-Aufbaus werden Schnellefelder akustisch höherer Moden vermessen.In the framework of this thesis, the usability of laser-optical velocity measurement systems for aero-acoustic applications is investigated. Particle Image Velocimetry (PIV) and Doppler Global Velocimetry (DGV) are applied successfully for the non-invasive detection of tonal acoustic fields, with focus on the planar PIV system. As physical quantity, the acoustic-particle velocity in air is measured, which can be superimposed by a mean flow field. For DGV the principal possibility of application in a single point measurement is demonstrated and validated by microphone measurements. The ability of PIV, as a two-dimensional acoustic-particle velocity measurement system, is revealed in different experiments. Their results are tested on plausibility. This is done either by microphone measurements or by numerical simulations. Constrains of the PIV system are identified, which are inherent to the system and which are dependent on the acoustic field and/or the adjacent flow field. The application of PIV for acoustic-particle velocity measurement on sound-absorbing wall liners is demonstrated. By means of these measurements, the implementation of an impedance-boundary condition for the DLR-CAA code PIANO is verified. A comparison between PIV and LDV data is given for similar acoustic fields. Additionally, separation approaches are tested to distinguish between acoustic and acoustic-induced flow fields. Finally, higher acoustic modes are measured and validated by using a stereo-PIV setup