Akustik
Phänomene
Die maßgeblichen Lärmquellen am Hubschrauber sind der Haupt- und der Heckrotor, zumindest im Außenbereich (innen spielt auch noch der Getriebelärm eine gewisse Rolle). Insbesondere in der ummantelten Ausführung (Fenestron) ist dabei der Heckrotor zumeist von untergeordneter Bedeutung, arbeitet jedoch in einem deutlich höheren und damit unangenehmeren Frequenzbereich.
Am Hauptrotor wird einmal Lärm erzeugt durch die turbulente Umströmung (breitbandiges Rauschen), wie bei praktisch allen umströmten Körpern, vor allem aber über stark instationäre Oberflächendruckschwankungen. Abgesehen von der "normalen" instationären Druckänderung über den Umlauf, hervorgerufen durch wechselnde Anströmbedingungen und Anstellwinkel, treten diese vor allem in zwei Flugsituationen auf, nämlich im schnellen Vorwärtsflug und im langsamen Bahnneigungsflug (Landeanflug).
HSI - High Speed Impulsive Noise
Beim Hochgeschwindigkeitsflug überlagern sich Umfangs- und Vorwärtsgeschwindigkeit am vorlaufenden Blatt so stark, dass dort lokale Überschallströmung stattfindet, die durch eine Verdichtungsstoß abgeschlossen wird. Nachdem sich über den Umlauf dieser Überlagerungseffekt ständig ändert, werden diese Stöße ab etwa 50° Azimuth aufgebaut und jenseits von 140° wieder abgebaut - verbunden mit entsprechend starken Druckschwankungen an der Blattoberfläche. Die zeitliche Korrelation dieser Stoßphänomene über die Blattlänge bedingt, dass diese Form von Druckschwankungen im wesentlichen als Schall nach vorne abgestrahlt wird. Besonders stark tritt der Effekt bei hochbelasteten Rotoren mit relativ wenigen Blättern auf, symptomatisch beispielsweise bei der Bell UH-1 mit ihrem Zweiblattrotor.
BVI - Blade Vortex Interaction Noise
Generell entstehen an der Blattspitze ähnlich wie beim Starrflügler bedingt durch die Auftriebserzeugung Randwirbel. Durch die induzierte Geschwindigkeit durch die Rotorkreisscheibe werden diese normalerweise nach unten befördert, im Vorwärtsflug des weiteren spiralförmig nach hinten.
Ist nun die Sinkgeschwindigkeit vergleichbar groß mit der induzierten Geschwindigkeit, liegen Blattspitzenwirbel und Rotorblätter in der gleichen Ebene, so dass nachfolgende Blätter die Wirbel der vorangegangenen treffen können. Bei bestimmten Azimuthwinkeln (in der Gegend von 45° und 315°) werden die Wirbel dann quer vom Blatt "aufgeschnitten", was zu starken Druckschwankungen am Blatt führt, bedingt durch die durch den Wirbel induzierte Vertikalgeschwindigkeit (Aufwind/Abwind) kurz vor beziehungsweise nach dem Wirbelkern. Damit verbunden ist ja eine entsprechende Vergrößerung und Verkleienerung des effektiven Anstellwinkels und damit des Auftriebs, der eng mit der Druckverteilung am Blatt verknüpft ist.
Die genauere Analyse der zeitlichen Abfolge über die Blattlänge zeigt dann, dass diese wirbelinduzierten Druckschwankungen hauptsächlich nach schräg vorne unten abgestrahlt werden, also in Richtung Landepunkt.
Simulation
Beide angesprochene Phänomene sind impulsiver Natur, also deterministisch bedingt durch großskalige Oberflächendruckschwankungen. Damit sind sie einer CFD-Analyse mittels URANS prinzipiell zugänglich, im Unterschied beispielsweise zu stochastischem Turbulenzrauschen, für das eine extrem aufwändige DNS notwendig wäre, um die kleinskaligen Turbulenzballen aufzulösen.
Die am IAG durchgeführte Lärmsimulation am Hubschrauber für Hochgeschwindigkeits- und Blatt-Wirbel-Interaktionslärm fußt deshalb auf der akustischen Analogie nach Ffowcs Williams und Hawkings, mit der eine hochaufgelöste CFD-Rechnung (URANS) ausgewertet wird. Hierfür kommt das IAG-eigene Tool ACCO (ACoustic COupling) zur Anwendung, das die Strömungsdaten auf physikalischen oder virtuellen Integrationsflächen auswertet.
Diese Toolkette (URANS-ACCO) ist natürlich nicht auf Hubschrauberrotoren beschränkt, weitere erfolgreiche Anwendungen umfassen bisher den Fenestron, Propeller und CRORs. Des weiteren wurde auch mit Hilfe einer DES (Detached Eddy Simulation) der breitbandige Lärm im Nachlauf einer Hochauftriebshilfe simuliert. Wegen der sehr hohen notwendigen Auflösung in Raum und Zeit, um zumindest einen Teil der turbulenten Schwankungsbewegungen aufzulösen, ist diese Anwendung mit den momentan zur Verfügung stehenden Rechnerleistungen auf wenige Ausnahmefälle begrenzt.