Acoustic optimisation of an electric ducted fan unit through absorber design and placement

Abstract

Novel electric aircraft concepts are being developed by multiple aircraft manufacturers to exhaust the capabilities of modern electromobility. Their respective electric propulsion systems not only obtain different turbomachinery properties but also exhibit different acoustical behaviour than conventional combustion turbines. The Austrian start-up VOLARE GmbH develops an electrically powered aircraft that can take-off and land vertically and commissioned the acoustic evaluation and optimisation of one electric propulsion unit. Thus, the present thesis’ motivation was not only to examine a subscale electric ducted fan (EDF) unit regarding its acoustic characteristics across its laid-out operating range, but also to find and evaluate a noise-abating modification in the form of absorber linings. Acoustic measurements were performed on the subsonic ducted fan, which was provided by the company VOLARE GmbH, in the form of total sound power and microphone array measurements to gain insight into the dominant acoustic emissions and their respective prevailing source mechanisms. Measurements at discrete operating points were conducted, as well as transient measurements, across the total operating range to provide complete information on the EDF's acoustic behaviour. The rotor-self noise in combination with the rotor-stator interaction were identified as main tonal sound source for the measuring object, along with the highest broadband noise sources also being located on the rotor. Additionally, far-field measurements of the unit's electric powertrain without load were conducted, which showed significant noise emissions also coming from the periodic electromagnetic forces. Furthermore, unexpected dependencies on the rotational speed were detected in the powertrain's noise spectrum, which also contribute to the EDF's perceived acoustics. After processing the gained insights from the first measuring campaign, a secondary noise reduction measure was applied by designing and placing perforate absorber linings to the observed fan unit's duct. Afterwards, the far-field emissions were measured once again for the modified fan unit, and compared to measurement results of the unmodified fan unit. An improvement in the fan unit's acoustic characteristics was determined through a continuously lower A-weighted overall sound pressure level of 2-4 dB across the total operating range. Moreover, a closer examination of the modified EDF's frequency spectrum across the defined operating range confirmed the frequency dependence of the designed absorbers.

Neuartige elektrische Flugzeugkonzepte werden derzeit von mehreren Flugzeugherstellern erarbeitet, um die Möglichkeiten der heutigen Elektromobilität auszuschöpfen. Die dafür entworfenen elektrischen Triebwerkssysteme haben nicht nur unterschiedliche Antriebscharakteristiken als herkömmliche Verbrennungsturbinen, sondern weisen auch unterschiedliche akustische Eigenschaften auf. Das österreichische Start-Up VOLARE GmbH entwickelt ein elektrisch angetriebenes, senkrecht startendes und landendes Flugzeug und beauftragte die akustische Evaluierung und Optimierung einer elektrischen Triebwerkseinheit. Die Motivation der vorliegenden Arbeit war es daher, nicht nur eine skalierte elektrische Triebwerkseinheit hinsichtlich ihrer akustischen Eigenschaften über den ausgelegten Betriebsbereich hinweg zu untersuchen, sondern auch eine lärmmindernde Modifikation in Form von Absorberauskleidungen zu finden und zu bewerten. Akustische Messungen wurden am elektrischen Triebwerk in Form von Gesamtschallleistungs- und Mikrofonarraymessungen durchgeführt, um Erkenntnisse über die dominierenden Schallemissionen und die jeweils vorherrschenden Quellmechanismen zu gewinnen. Messungen wurden sowohl an diskreten Betriebspunkten, als auch transient über den gesamten Betriebsbereich vorgenommen, um vollständige Daten über das akustische Verhalten des Triebwerks zu erhalten. Als tonale Hauptschallquelle des Messobjekts wurden der Eigenschall des Rotors sowie die Rotor-Stator Interaktion identifiziert, wobei auch die höchsten breitbandigen Schallpegel auf den Rotor als Schallquelle zurückgeführt werden konnten. Weiters wurden Messungen der elektronischen Komponenten des Antriebsstrangs ohne Last durchgeführt, welche signifikante tonale und schmalbandige Schallquellen auch in diesen Komponenten offenbarten. Außerdem wurden unerwartete Drehzahl-Abhängigkeiten des Lärmspektrums der elektronischen Komponenten festgestellt, die ebenfalls die Akustik des Triebwerkes beeinflussen. Durch die Verarbeitung der gewonnenen Erkenntnisse aus der ersten Messkampagne wurde eine sekundäre Lärmminderungsmaßnahme durch die Auslegung und Platzierung perforierter Absorberauskleidungen am Kanal des untersuchten Triebwerks durchgeführt. Anschließend wurden die Fernfeldemissionen für das modifizierte Triebwerk nochmals gemessen und mit den Messergebnissen des unmodifizierten Triebwerkes verglichen. Eine Verbesserung der akustischen Eigenschaften des Triebwerkes wurde durch den kontinuierlich niedrigeren A-bewerteten Gesamtschalldruckpegel über den gesamten Betriebsbereich festgestellt. Darüber hinaus bestätigten genauere Untersuchungen der akustischen Spektren des modifizierten Triebwerkes die erwartete Frequenzabhängigkeit der Absorberauskleidungen.