Wellenpakete in turbulenten Strömungen erklären Fluglärm

Startende Flugzeuge verursachen einen schmerzhaften Schallpegel von bis zu 140 Dezibel. Ursache für den Fluglärm sind die Reibung der Gase im Triebwerk und Turbulenzen in der Luftströmung dahinter. Doch Physiker analysierten nun mit mathematischen Modellen die Schallerzeugung der Triebwerke genauer. In der Fachzeitschrift „Physics of Fluids“ berichten sie, dass nicht allein die lärmenden Turbulenzen für den hohen Schallpegel verantwortlich sind, sondern auch ein bisher unbekannter Verstärkungseffekt auftrete. Ihre Ergebnisse könnten wesentlich zur Entwicklung leiserer Triebwerke beitragen.

Drei Diagramme, ähnlich einer Tachoscheibe, auf denen ein gelb-roter Fächer die Ausbreitung des Schalls in unterschiedlichen Ausprägungen anzeigt wird.
Schallpegel

„Sehr schnelle turbulente Strömungen können als Verstärker von Druckschwankungen dienen und Lärm weit entfernt von der Schallquelle erzeugen“, umreißt Mihailo Jovanovi von der University of Minnesota in Minneapolis, USA, den neuen Ansatz der Lärmforschung. Dabei dienten instabile Wellenpakete in der Strömung hinter dem Triebwerk als Trägerwelle, über den der Schall transportiert werden konnte. Dieser Effekt ähnelte einer Radiowelle für Mittelwellensender, die eine Sprachinformation über die Modulation der Amplitude bei konstanter Frequenz der Trägerwelle übermittelt.

Dieses Modell überprüften Jovanovi und seine Kollegen mit einer aufwendigen Computersimulation. Diese basierte auf den Navier-Stokes-Gleichungen, mit denen die Bewegung von viskosen Flüssigkeiten berechnet werden und die ebenfalls für die turbulenten Strömungen hinter einem Triebwerk gelten. Für die Berechnungen teilten die Forscher eine Triebwerksströmung in hunderte Millionen einzelne Bereiche auf. Das Ergebnis dieser numerischen Analyse bestätigte, dass instabile Wellenpakete tatsächlich Schall weiterleiteten und so zum hohen Lärmpegel eines startenden Flugzeugs beitrugen.

Auf der Basis dieser Modellrechnungen – Input-Output-Analyse genannt – könnten neue Strategien gegen Fluglärm entwickelt werden. Zuvor gilt es jedoch, auch im Experiment Hinweise auf diese überraschende Übertragung von Triebwerksschall zu suchen. Die Forscher sind sogar davon überzeugt, dass ihr Modell der instabilen Wellenpakete auch neue Erkenntnisse für die Schallausbreitung von Windkraftanlagen und für die Analyse von Verbrennungsprozessen in einem Motor liefern könnte.