Tonal noise of a controlled-diffusion airfoil at low angle of attack and Reynolds number

International audienceThe acoustic signature of a controlled-diffusion airfoil immersed in a flow is experimentally characterized. Acoustic measurements have been carried out in an anechoic open-jet-wind-tunnel for low Reynolds numbers (from 5 Â 10 4 to 4.3 Â 10 5) and several angles of attack. As with the NACA0012, the acoustic spectrum is dominated by discrete tones. These tonal behaviors are divided into three different regimes. The first one is characterized by a dominant primary tone which is steady over time, surrounded by secondary peaks. The second consists of two unsteady primary tones associated with secondary peaks and the third consists of a hump dominated by several small peaks. A wavelet study allows one to identify an amplitude modulation of the acoustic signal mainly for the unsteady tonal regime. This amplitude modulation is equal to the frequency interval between two successive tones. Finally, a bispectral analysis explains the presence of tones at higher frequencies

Experimental investigation of the transient bleed valve noise

This study presents the first step of an experimental study of the transient bleed valve noise. It was carried out on a simplified TBV geometry composed of a cylindrical inlet pipe leading to a diaphragm or a perforated disk for the purpose of generating pressure drops. Numerous diaphragms and grids have been tested in order to identify parameters that influence the acoustic radiation of the TBV and for NPR (Nozzle pressure ratio) from 1.2 to 3.6 to cover both subsonic and supersonic regimes. A large number of acoustic behaviors have been identified. For diaphragms far field acoustic spectra are dominated by mixing noise for all NPR and by shock-associated noise (screech and broadband shock associated noise (BBSAN)) when the critical value of the NPR delimiting the subsonic and supersonic behavior (NPRc = 1.89)is exceeded. For grids the mixing noise is still present but is composed of two humps. The parametric study allowed to associate the first hump to the noise of an equivalent jet having the smallest diameter encircling the grid perforations while the second is associated to the noise of the outer isolated jets. A first prediction model has thus been proposed based on this double source. Furthermore, the grids other a significant noise reduction in the audible range with respect to a diaphragm of the same cross-section by shifting the radiation towards the high frequencies. The noise associated with supersonic phenomena (screech and BBSAN) are also strongly reduced and even suppressed in most of the tested cases

Experimental investigation of the acoustic role of the output duct in the discharge of a high pressure flow through diaphragms and perforated plates

This work presents the second step of an experimental study of the noise radiated by a complete flow discharge/control system allowing to expand or evacuate a flow under pressure by passing though diaphragms or perforated plates. The first step of the study, focused on the study of the noise radiated by the passage of the flow through the perforated plates/diaphragms, allowed to identify the presence of three distinct radiation sources: a broadband noise associated with the mixing of the flow at the exit of the perforations and which is strongly linked to the geometry, a shock noise (screech and broadband shock associated noise) associated with the presence of shock cells in the ow for supersonic regimes and a tonal noise associated with a feedback loop and appearing for low subsonic operating points. By adding a duct downstream to the discharge zone to be closer to real geometries found in industry, the broadband noise is strongly modified by the appearance of strong acoustic resonances in the outlet duct. These resonances are moreover strongly affected by the operating point which drives the flow intensity in the duct. A simple analytical model is proposed in order to quickly predict the different acoustic modificationscations induced by the outlet duct in case of simple geometries. Finally, the shock noise, as observed without duct, is totally suppressed but is replaced by "base-pressure oscillation" responsible for strong low frequency tones for diaphragms and perforated plates with large cross-sections

Experimental investigation of the noise radiated by a ducted air flow discharge though diaphragms and perforated plates

An experimental investigation of the noise radiated by a ducted high pressure flow discharge through diaphragms and perforated plates is carried out for a large range of subsonic and supersonic operating conditions (Nozzle Pressure Ratio (NPR) from 1.2 to 3.6). A parametric study of the geometrical parameters is also conducted to characterize their influence on the acoustic radiation. This covers configurations from single diaphragms to multi-perforated plates with variable hole diameters and arrangements that are placed inside a cylindrical duct. Compared with the free discharge analysed in a first part of the study (perforated plates placed directly at the output of the duct), the discharge into a duct, which is closer to the practical applications, generates strong acoustic modifications. As expected, the broadband noise is disturbed by strong modulations due to acoustic resonances in the output duct (longitudinal resonances and transversal duct modes). However, as in the free configuration, a strong effect of the plate geometries on the mixing noise is observed, allowing to adapt or reduce this source. In particular, the increase of the ratio between the perforation spacing and the perforation diameter allows reducing the maximum amplitude of the mixing noise. Compared to the free-field discharge, the Sound Pressure Level (SPL) in the ducted configuration is on average proportional to the 6-th power of the velocity instead of the 8-th power. Moreover, there are two dominant frequency humps in the sound spectra. The low frequency one is characterized by a constant Helmholtz number, suggesting that the sound is shaped by the duct geometry, whereas the high frequency one is characterized by a constant Strouhal number suggesting that the sound is directly generated by the flow. Finally, for supersonic operating points, the screech radiation appearing with diaphragms in the free configuration is suppressed when the output duct is added but new high amplitude and low frequency tones appear for the largest diaphragms and perforated plates. These lines are due to a coupling between normal shock oscillations and longitudinal resonances

Experimental study of the noise radiated by an air flow discharge through diaphragms and perforated plates

An experimental analysis of the noise radiated by a high pressure flow discharge through diaphragms and perforated plates is carried out for a large range of subsonic and supersonic operating conditions (nozzle pressure ratio (NPR) from 1 to 3.6). A parametric study of the geometrical parameters is also achieved to characterize their influence onto the acoustic radiation and ways to reduce it. This reaches from single diaphragms to multi-perforated plates with variable hole diameters and arrangements that are placed at the exit of a duct. Different acoustic behaviors are observed: in all cases the far-field acoustic radiation is dominated by a broadband contribution associated with the turbulent mixing in shear layers. In the diaphragm cases, this broadband noise has similar characteristics as the mixing noise of classical unheated jets while in the multi-perforated plates cases, it is composed of two distinct humps associated with different parts of the jets development. For supersonic regimes, in addition to this broadband radiation, shock associated noise (screech and broadband shock associated noise) appears for all diaphragm cases and for the perforated plate with the closest holes. Finally for the smallest NPR, a high frequency tonal noise has been observed in most of the multi-perforated cases and for the smallest diaphragm. Different regimes of this radiation have also been observed with a possible amplitude modulation of the dominant tone. This radiation may be attributed to vortex shedding due to the sharp section reduction that would trigger a flow resonance between the small ducts of the holes and their sharp edges

Aeroacoustic study of the expansion of a high pressure flow though perforated plates

Le bruit généré par la détente d'un écoulement sous pression à travers des plaques multi-perforées ou des diaphragmes est étudié expérimentalement. Cette analyse est menée sur deux configurations géométriques distinctes dans lesquelles la plaque perforée est placée à la sortie d'un conduit cylindrique (configuration de jet libre) ou à l'intérieur de celui-ci (configuration de jet confiné).Dans un premier temps, une étude paramétrique acoustique est effectuée pour ces deux configurations en variant les caractéristiques géométriques des plaques perforées et les points de fonctionnement dans des régimes subsoniques et supersoniques. Les différentes sources de rayonnement pouvant apparaitre sur de tels systèmes de détente, sont alors identifiées. Par ailleurs, les effets acoustiques de chacun des paramètres géométriques sont mis en lumière, offrant ainsi une aide à la conception silencieuse de tels systèmes. Dans un second temps, l'intérêt est porté sur l'analyse de la composante à large bande dominante: le bruit de mélange. Cette étude est menée sur la configuration de jet libre et s'appuie sur des visualisations strioscopiques ainsi que sur des mesures de vélocimétrie par image de particules couplées à des acquisitions acoustiques en champ lointain. Dans le cas des diaphragmes, les différents résultats mettent en évidence des mécanismes sources du bruit de mélange similaires à ceux observés dans la littérature pour les jets isolés issus de tuyères. Le rayonnement à l'aval, dominant, est généré par l'interaction de grosses structures turbulentes cohérentes à la fin du cône potentiel du jet, tandis que dans les autres directions, le bruit est généré par la turbulence de petite échelle dans les couches de cisaillement du jet.Pour les plaques multi-perforées, des mécanismes comparables sont également identifiés. Néanmoins, selon la géométrie de ces plaques, deux zones sources distinctes du rayonnement aval sont identifiées favorisant l'apparition de deux bosses dans les spectres en champ lointain. Dans le cas de perforations éloignées, la bosse à plus haute fréquence domine le spectre aval et l'interaction des grosses structures turbulentes se produit au niveau de la fin du cône potentiel des jets. Lorsque les perforations sont en revanche proches, c'est la bosse à basse fréquence qui domine et l'interaction des grosses structures turbulentes cohérentes semble se produire près de la fin du cône potentiel du gros jet équivalent formé à l'aval à partir du mélange de l'ensemble des jets issus des perforations. Dans les autres directions, l'espacement des perforations joue également un rôle important sur le rayonnement acoustique, du fait d'une interaction plus ou moins rapide des jets entre eux. Cela a alors pour effet de modifier les zones de cisaillement et en conséquence le rayonnement acoustique de la même manière que dans la direction aval.The noise generated by the expansion of a pressurized flow through multi-perforated plates or diaphragms is experimentally investigated. The analysis is conducted on two distinct geometrical configurations in which the perforated plate is placed at the outlet of (free jet configuration) or inside (ducted jet configuration) a cylindrical duct.Firstly, an acoustic parametric study is carried out on these two configurations for various perforated plate geometries and for a number of operating points ranging from subsonic to supersonic. The different acoustic sources that can arise from such systems are thus identified. Furthermore, the effect of each geometrical parameter onto the radiated sound field is highlighted, thus providing guidelines for the silent design of such pressure release devices.In a second step, the focus is on the dominant broadband component, that is, the mixing noise. This part of the study is dedicated to the free jet configuration and is based on Schlieren imaging, as well as on Particle Image Velocimetry measurements, both coupled far-field sound measurements.In the diaphragm cases, the aerodynamic results show that the source mechanisms are similar to those reported in the literature about isolated jets from conventional nozzles. The downstream radiation is generated by the interaction of large coherent structures at the end of the jet potential core, while in the other directions it is generated by the small-scale turbulence from the shear layer.For multi-perforated plates, comparable mechanisms are also observed. However, depending on the plate geometry, two distinct source regions contributing to the downstream radiation are identified. They explain the presence of two broadband humps in the far-field spectra. In the case of widely spaced perforations, the higher frequency hump in the downstream spectrum increases and the interaction of the large turbulent structures occurs mainly at the end of the potential core of the small jets issuing the perforations. Conversely, when these perforations are close to each other, the small jets rapidly merge into a single larger one that has a longer potential core. As a result, larger coherent structures interact downstream of the small jet mixing region and therefore, a low-frequency hump dominates the downstream spectrum. In the other directions, the perforation spacing has also a significant impact on the acoustic radiation, due to a more or less rapid interaction of the jets. Consequently, the turbulence, as well as the shear zones of the various mixing layers, are modified. The geometric parameters thus have similar effects on the cross-stream as on the downstream radiation

Réduction du bruit propre d'une pale de ventilateur par la mise en place d'une fente de soufflage et de dents de scie sur le bord de fuite du profil

Le bruit généré par les machines tournantes telles que les hélices, les ventilateurs ou encore les turbomachines est une problématique actuelle importante sur laquelle les industriels sont amenés à travailler. En effet, afin de faire face à l'exigence grandissante des consommateurs, mais aussi à la multiplication des normes environnementales en termes d'acoustique, ils sont amenés à travailler sur le développement de moyens de réduction de bruit afin de diminuer les sources acoustiques de ces systèmes. L'objectif de cette maîtrise est de concevoir une maquette de profil de pale de ventilateur modulable et instrumentée afin de pouvoir recevoir différents moyens de réduction de bruit. Les deux solutions de contrôle qui sont utilisées dans le cadre de ce projet sont deux moyens passifs: le soufflage qui consiste à souffler de l'air sur le bord de fuite de la pale et l'utilisation de dents de scie sur le bord de fuite. Cette maquette est ensuite testée dans la soufflerie anéchoïque du laboratoire du GAUS (Groupe d'Acoustique de l'Université de Sherbrooke) afin d'étudier les effets acoustiques et aérodynamiques de ces différents moyens de réduction de bruit. Les dents de scie montrent une réduction acoustique allant jusqu'à 10 dB sur une plage fréquentielle croissante avec la vitesse de l'écoulement pour un angle d'attaque compris entre 0° et 8°. Le bruit tonal est également fortement atténué par la présence des dents de scie. Pour les forts angles d'attaque, le régime d'écoulement est pleinement turbulent et aucune réduction de bruit n'apparaît. Les mesures aérodynamiques montrent que les dents de scie permettent d'augmenter le mélange au niveau du bord de fuite du profil. Le soufflage montre également une réduction acoustique allant jusqu'à 8 dB à basse fréquence pour les faibles vitesses (<24 m/s) et pour les angles d'attaques allant jusqu'à 8°. Cependant, une forte augmentation du bruit à haute fréquence est engendrée par le bruit du jet de soufflage. D'un point de vue aérodynamique, le soufflage permet d'ajouter de l'énergie au sillage et de l'affiner. Il réduit fortement la taille des fluctuations de vitesse à l'extrados du profil

Etude aéroacoustique de la détente d'un écoulement haute pression à travers des plaques perforées

The noise generated by the expansion of a pressurized flow through multi-perforated plates or diaphragms is experimentally investigated. The analysis is conducted on two distinct geometrical configurations in which the perforated plate is placed at the outlet of (free jet configuration) or inside (ducted jet configuration) a cylindrical duct.Firstly, an acoustic parametric study is carried out on these two configurations for various perforated plate geometries and for a number of operating points ranging from subsonic to supersonic. The different acoustic sources that can arise from such systems are thus identified. Furthermore, the effect of each geometrical parameter onto the radiated sound field is highlighted, thus providing guidelines for the silent design of such pressure release devices.In a second step, the focus is on the dominant broadband component, that is, the mixing noise. This part of the study is dedicated to the free jet configuration and is based on Schlieren imaging, as well as on Particle Image Velocimetry measurements, both coupled far-field sound measurements.In the diaphragm cases, the aerodynamic results show that the source mechanisms are similar to those reported in the literature about isolated jets from conventional nozzles. The downstream radiation is generated by the interaction of large coherent structures at the end of the jet potential core, while in the other directions it is generated by the small-scale turbulence from the shear layer.For multi-perforated plates, comparable mechanisms are also observed. However, depending on the plate geometry, two distinct source regions contributing to the downstream radiation are identified. They explain the presence of two broadband humps in the far-field spectra. In the case of widely spaced perforations, the higher frequency hump in the downstream spectrum increases and the interaction of the large turbulent structures occurs mainly at the end of the potential core of the small jets issuing the perforations. Conversely, when these perforations are close to each other, the small jets rapidly merge into a single larger one that has a longer potential core. As a result, larger coherent structures interact downstream of the small jet mixing region and therefore, a low-frequency hump dominates the downstream spectrum. In the other directions, the perforation spacing has also a significant impact on the acoustic radiation, due to a more or less rapid interaction of the jets. Consequently, the turbulence, as well as the shear zones of the various mixing layers, are modified. The geometric parameters thus have similar effects on the cross-stream as on the downstream radiation.Le bruit généré par la détente d'un écoulement sous pression à travers des plaques multi-perforées ou des diaphragmes est étudié expérimentalement. Cette analyse est menée sur deux configurations géométriques distinctes dans lesquelles la plaque perforée est placée à la sortie d'un conduit cylindrique (configuration de jet libre) ou à l'intérieur de celui-ci (configuration de jet confiné).Dans un premier temps, une étude paramétrique acoustique est effectuée pour ces deux configurations en variant les caractéristiques géométriques des plaques perforées et les points de fonctionnement dans des régimes subsoniques et supersoniques. Les différentes sources de rayonnement pouvant apparaitre sur de tels systèmes de détente, sont alors identifiées. Par ailleurs, les effets acoustiques de chacun des paramètres géométriques sont mis en lumière, offrant ainsi une aide à la conception silencieuse de tels systèmes. Dans un second temps, l'intérêt est porté sur l'analyse de la composante à large bande dominante: le bruit de mélange. Cette étude est menée sur la configuration de jet libre et s'appuie sur des visualisations strioscopiques ainsi que sur des mesures de vélocimétrie par image de particules couplées à des acquisitions acoustiques en champ lointain. Dans le cas des diaphragmes, les différents résultats mettent en évidence des mécanismes sources du bruit de mélange similaires à ceux observés dans la littérature pour les jets isolés issus de tuyères. Le rayonnement à l'aval, dominant, est généré par l'interaction de grosses structures turbulentes cohérentes à la fin du cône potentiel du jet, tandis que dans les autres directions, le bruit est généré par la turbulence de petite échelle dans les couches de cisaillement du jet.Pour les plaques multi-perforées, des mécanismes comparables sont également identifiés. Néanmoins, selon la géométrie de ces plaques, deux zones sources distinctes du rayonnement aval sont identifiées favorisant l'apparition de deux bosses dans les spectres en champ lointain. Dans le cas de perforations éloignées, la bosse à plus haute fréquence domine le spectre aval et l'interaction des grosses structures turbulentes se produit au niveau de la fin du cône potentiel des jets. Lorsque les perforations sont en revanche proches, c'est la bosse à basse fréquence qui domine et l'interaction des grosses structures turbulentes cohérentes semble se produire près de la fin du cône potentiel du gros jet équivalent formé à l'aval à partir du mélange de l'ensemble des jets issus des perforations. Dans les autres directions, l'espacement des perforations joue également un rôle important sur le rayonnement acoustique, du fait d'une interaction plus ou moins rapide des jets entre eux. Cela a alors pour effet de modifier les zones de cisaillement et en conséquence le rayonnement acoustique de la même manière que dans la direction aval

Réduction du bruit propre d'une pale de ventilateur par la mise en place d'une fente de soufflage et de dents de scie sur le bord de fuite du profil

Le bruit généré par les machines tournantes telles que les hélices, les ventilateurs ou encore les turbomachines est une problématique actuelle importante sur laquelle les industriels sont amenés à travailler. En effet, afin de faire face à l'exigence grandissante des consommateurs, mais aussi à la multiplication des normes environnementales en termes d'acoustique, ils sont amenés à travailler sur le développement de moyens de réduction de bruit afin de diminuer les sources acoustiques de ces systèmes. L'objectif de cette maîtrise est de concevoir une maquette de profil de pale de ventilateur modulable et instrumentée afin de pouvoir recevoir différents moyens de réduction de bruit. Les deux solutions de contrôle qui sont utilisées dans le cadre de ce projet sont deux moyens passifs: le soufflage qui consiste à souffler de l'air sur le bord de fuite de la pale et l'utilisation de dents de scie sur le bord de fuite. Cette maquette est ensuite testée dans la soufflerie anéchoïque du laboratoire du GAUS (Groupe d'Acoustique de l'Université de Sherbrooke) afin d'étudier les effets acoustiques et aérodynamiques de ces différents moyens de réduction de bruit. Les dents de scie montrent une réduction acoustique allant jusqu'à 10 dB sur une plage fréquentielle croissante avec la vitesse de l'écoulement pour un angle d'attaque compris entre 0° et 8°. Le bruit tonal est également fortement atténué par la présence des dents de scie. Pour les forts angles d'attaque, le régime d'écoulement est pleinement turbulent et aucune réduction de bruit n'apparaît. Les mesures aérodynamiques montrent que les dents de scie permettent d'augmenter le mélange au niveau du bord de fuite du profil. Le soufflage montre également une réduction acoustique allant jusqu'à 8 dB à basse fréquence pour les faibles vitesses (<24 m/s) et pour les angles d'attaques allant jusqu'à 8°. Cependant, une forte augmentation du bruit à haute fréquence est engendrée par le bruit du jet de soufflage. D'un point de vue aérodynamique, le soufflage permet d'ajouter de l'énergie au sillage et de l'affiner. Il réduit fortement la taille des fluctuations de vitesse à l'extrados du profil

Measurements an Analysis of noise radiated by an air flow discharge through diaphragms and perforated plates

An experimental analysis of the noise radiated by a high pressure flow discharge through diaphragms and perforated plates is carried out for a large range of subsonic and supersonic operating conditions (nozzle pressure ratio (NPR) from 1 to 3.6). A parametric study of the geometrical parameters is also achieved to characterize their influence onto the acoustic radiation and ways to reduce it. This reaches from single diaphragms to multi-perforated plates with variable hole diameters and arrangements that are placed at the exit of a duct. Different acoustic behaviors are observed: in all cases the far-field acoustic radiation is dominated by a broadband contribution associated with the turbulent mixing in shear layers. In the diaphragm cases, this broadband noise has similar characteristics as the mixing noise of classical unheated jets while in the multi-perforated plates cases, it is composed of two distinct humps associated with different parts of the jets development. For supersonic regimes, in addition to this broadband radiation, shock associated noise (screech and broadband shock associated noise) appears for all diaphragm cases and for the perforated plate with the closest holes. Finally for the smallest NPR, a high frequency tonal noise has been observed in most of the multi-perforated cases and for the smallest diaphragm. Different regimes of this radiation have also been observed with a possible amplitude modulation of the dominant tone. This radiation may be attributed to vortex shedding due to the sharp section reduction that would trigger a flow resonance between the small ducts of the holes and their sharp edges