Ein Schwerpunkt der Automobilindustrie liegt auf der Aeroakustik. Die Anforderungen an die Klangqualität sind sehr hoch. Eine besondere Herausforderung bei Fahrzeugen sind aeroakustische Phänomene, die einen tonalen Charakter aufweisen. Teile, die direkt dem Luftstrom ausgesetzt sind, können aufgrund von Schleppwirbeln Breitbandgeräusche, einen diskreten äolischen Ton oder sogar starke strömungsinduzierte Geräusche erzeugen. Diese Störgeräusche sind unerwünscht, aber die Schwierigkeit besteht darin herauszufinden, worin die genaue Ursache liegt, und wie diese abgestellt werden kann, denn was Abhilfe bei einem spezifischen Problem schafft, ist ggf. für ein anderes Design weit weniger wirksam. Im vorliegenden Fall handelte es sich um einen hohen Pfeifton, der bei einer Fahrtgeschwindigkeit von 120 bis 130 km/h auftrat. Zudem traten im Bereich der Motorhaube bei 170kmh zeitweise Schwingungen unbekannter Ursache auf. Unter diesen Umständen wurde das Fahrzeug als unverkäuflich am Markt betrachtet.

Die kundenseitige Ursachenforschung ergab kein klares und eindeutiges Ergebnis. Es wurden auf der Versuchsstrecke einige Tests durchgeführt, jedoch wurde keine konsistente Lösung für das Problem erzielt. Es war an der Zeit externe Berater hinzuzuziehen, die der möglichen Ursache auf die Spur kommen und die Ursache mit soliden Berechnungsergebnissen untermauern und belegen können. Hier kamen wir ins Spiel. Unsere Aufgabe bei BST war es, zu untersuchen wodurch die Störgeräusche entstehen und eine Lösung zu finden, um sie zu vermeiden. Daher war die Durchführung einer numerischen Simulation, die das Strömungs- und Akustikverhalten vorhersagen kann, von größter Bedeutung. Mit Hilfe von Simulationen können spezifische Probleme erkannt und verschiedene Konfigurationen virtuell optimiert werden, bevor ein erster Prototyp gebaut wird. Unser Ziel war es, den aeroakustischen Mechanismus physikalisch zu verstehen, um die Lärmquellen in Konsequenz daraus durch Veränderungen an der Geometrie und den Materialeigenschaften stark zu reduzieren.

In einem Top-Down-Prozess begannen wir mit einer detaillierten hochauflösenden Analyse des gesamten Fahrzeugs, um kritische Bereiche, Druckschwankungen, Turbulenzen, die Leckströmung usw. zu identifizieren. Als nächsten Schritt haben wir einzelne Teilbereiche des Fahrzeugs einer näheren Betrachtung unterzogen und eine aeroakustische Berechnungssimulation (CAA) durchgeführt. Ein Verfahren, das sehr komplex, zeit- und kostenintensiv ist, doch rechtfertigen die überaus genauen Ergebnisse den Aufwand. Es zeigten sich akustische Schwingungen, Leakage und Fehlströmungen in bestimmten Bereichen. Ein offener Spalt kann zu Sekundärströmung in einigen Trennzonenbereichen führen. Druckschwankungen innerhalb des kritischen Bereichs wurden infolgedessen mittels Fast-Fourier Transformation untersucht. Es lag auf der Hand, dass in dem als kritisch angesehenen Bereich eine Designanpassung erforderlich war, um die Bildung von Wirbeln zu reduzieren und das Störgeräusch in den Griff zu bekommen. Beim Überströmen der Motorhaube führt die Luftströmung zu einer Anregung der stehenden Luftsäule, ähnlich einem Helmholz Resonator. Die Luftsäule ruft eine tonale Frequenz hervor. Wir stellten auch in den untersuchten Daten aus der Large-Eddy-Simulation (LES) eine tonale Frequenz fest, die ebenso in der Realität vorhanden war, und zwar mit einer signifikativen Amplitude. Das Gesamtspektrum wies eine dominante Resonanzfrequenz von 3.300 Hertz (vgl. Abbildung 3 auf). Der Abgleich der Simulationsergebnisse der tonalen Frequenz und der Frequenz im realen Anwendungsfall zeigten eine perfekte Übereinstimmung. Ausgehend von diesen Daten konnten wir Maßnahmen zur Behebung bzw. Beseitigung des hochfrequenten Pfeifens anführen.

Im Zuge einer detaillierten Analyse konnten alle transienten Strömungsphänomene aufgelöst werden. Es wurde eine hochauflösende CAA und eine Large-Eddy-Simulation durchgeführt, der kritische Bereich lokalisiert, eine dominante Resonanzfrequenz ermittelt und die Ergebnisse wurden bestätigt. Die Analyse löste alle Resonanz- und akustischen Phänomene auf. Daher konnte eine Verbesserung der strömungsinduzierten Geräuschsituation erreicht werden, indem das Design entsprechend unserer detaillierten Vorschläge geändert wurde.