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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.3.2016.tde-29082016-142207
Document
Author
Full name
Luciano Coutinho Caldas
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2016
Supervisor
Committee
Baccala, Luíz Antonio (President)
Greco Junior, Paulo Celso
Sutliff, Daniel Linden
Title in English
In-duct beamforming and mode detection using a circular microphone array for the characterisation of broadband aeroengine fan noise.
Keywords in English
Acoustic signal processing
Aeroacoustic measurement
Beamforming
Fan noise
Modal analysis
Abstract in English
The development of technologies to reduce turbofan engine noise reveals the fan noise, the first stage of an engine, as a great contributor for the total noise of an airplane. So a better understanding of the fan noise generation came up and motivated the construction of a fan rig test facility at the University of São Paulo in São Carlos by a partnership between the university and EMBRAER S.A.. The fan rig is composed of a long duct (12mlong) comprising a 16-bladed fan rotor and 14-vaned stator. The rotor is powered by an 100 hp electrical motor allowing speed up to 4250 RPM resulting in 0.1Mach axial flow. A 77-microphone wall-mounted array was designed for fan noise analysis. A cooperation with NASA-Glenn allowed data and information exchanging from their similar fan rig setup, the ANCF, grating then the validation of the in-house developed software. A short guide for duct-array is proposed in this work. Complex software was developed to process the data from the microphones array. We performed 3 different types of analysis: power spectral density, noise imaging obtained by acoustic beamforming and modal analysis.We proposed a different technique for modal analysis based on beamforming images in this work.We did not find any similar technique in the references. The results obtained by this technique were validated with data from ANCF-NASA. Comparative results are presented for both fan rigs, such as: power spectral densities for different fan speeds, modal analysis at the blade passing frequency (strong tones generated by the fan), noise imaging obtained by beamforming for rotating and static noise sources. Finally, results achieved in this work are in agreement with those observed in the references consulted.
Title in Portuguese
Beamforming e análise modal em duto utilizando arranjo circular de microfones para caracterização de ruído banda-larga em motores aeronáuticos turbo-fan.
Keywords in Portuguese
Acústica
Análise modal
Beamforming
Medições aeroacústicas
Motor de aeronave
Processamento de sinais acústicos
Ruído de fan
Abstract in Portuguese
Como desenvolver de tecnologias para redução de ruído de motores aeronáuticos turbofans, o ruído gerado pelo fan (primeiro estágio do motor) vem se mostrando cada vez mais um grande contribuinte na emissão total de ruído em um avião. Com isso, a necessidade de se estudar mecanismos geradores de ruído nestes motores veio à tona e motivou a construção de uma bancada de experimentos aero-acústicos junto àUniversidade de São Paulo, campus São Carlos, oriundo da parceria entre EMBRAER S.A. e Universidade de São Paulo. A bancada de ensaios compõe um conjunto rotor/estator, sendo que o fan (rotor) é equipado com 16 pás e a estatora 14 pás, conectado a um motor elétrico de 100 hp através de um eixo ao rotor, alcançando 4250 RPM com velocidade de escoamento axial médio de 0,1 Mach. Esta bancada é composta por um longo duto e a seção de ensaio com o fan localiza-se ao centro. Uma antena dispondo de 77 microfones foi especialmente projetada para fazer aquisição do ruído gerado pelo fan. Uma parceria com a NASA-Glenn possibilitou a troca de informações e dados experimentais de sua bancada de experimentos similar (ANCF) ajudando assim a validar os códigos desenvolvidos bem como comparar resultados para ambas as bancadas. Umpequeno roteiro para projeto de antena para análise modal e beamforming em duto é apresentado neste trabalho. Um complexo software foi desenvolvido a fim de processar sistematicamente os dados aquisitados pelos microfones da antena. Três tipos de análise são feitas: Via espectro densidade de potência; Imagem de ruído acústico obtido através da técnica de beamforming, e por último, análise modal. Uma técnica diferente para análise modal baseada em imagens obtidas através de beamforming é proposta neste trabalho. Nada similar foi encontrado nas referências consultadas. Os resultados foram validados com dados de fontes sintéticas produzidas pela bancada ANCF-NASA. Resultados comparativos para ambas as bancadas são exibidas neste trabalho, tais quais: Análise do espectro densidade de potência para diferentes rotações do fan; análise modal nas frequências de passagem das pás (forte ruído tonal gerado pelo fan); imagem acústica do ruído gerado tanto por fontes rotativas quanto para fontes estáticas. Finalmente, os resultados obtidos estão de acordo com o esperado e de antemão observados nas referências consultadas.
 
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Publishing Date
2016-08-30
 
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