Propeller- oder Motorendrehzahl anhand akustischem "Fingerabdruck" bestimmen

[Dierk]

Hallo,

 

Also ich versuche gerade, die Propspeed anhand des Cockpitgeräusches eines Videos nachträglich zu bestimmen.

 

Motor Rotax 912S mit Zweiblatt-Verstellpropeller und Getriebe (Katana DV20)

 

Bei einer Propspeed von 2300 RPM/min würde ich ein Blattgeräusch von 38,333 Hertz oder, da es ja zwei Blätter sind, von der doppelten Frequenz erwarten. Aber vielleicht ist das ein Denkfehler.

 

Die FFT-Frequenzanalyse zeigt nämlich gar nichts in diesem Bereich. Das kann daran liegen, dass das Mikrophon der Kamera unter 100 Hertz schlecht aufnimmt, der Lautsprecher des PCs diesen Frequenzbereich schlecht überträgt und das Smartphone, auf dem die App mit der Spektralanalyse läuft, die Geräusche nochmals per Mikro aufnehmen musste... Also keine idealen Analysebedingungen.

 

Trotzdem müsste es möglich sein, anhand der harmonischen Obertöne theoretisch sowohl die Propspeed als auch die Motordrehzahl (beides ist aufgrund des Getriebes verschieden) zu bestimmen.

 

Den ersten Peak bekomme ich für den Reiseflug bei 224 Hz.

 

Laut Manual ist die Propspeed auf 2385 RPM (kurzzeitig) limitiert - entspricht 5800 RPM des Rotax. Kontinuierlicher Betrieb sind 2260 Prop-RPM, entspricht 5500 RPM des Rotax. Das Übersetzungsverhältnis ist also 2,43:1

 

Das wird auch alles über das entsprechende Rundinstrument amgezeigt (allerdings mit einem leichten Parallaxenfehler, wenn man vom Pilotensitz mit 45 Grad-Winkel auf die Nadel blickt).

 

Müsste ich bei meiner Geräuschmessung eher das Motorgeräusch und nicht das Propgeräusch zur Analyse heranziehen?

 

Bei 5500 RPM würde ich 91,666 Herz erwarten, oder die harmonischen Vielfachen davon.

 

Anbei mal die Grafik der Frequenzanalyse:

 

https://drive.google.com/file/d/0B7IXen1_Bd95LU5zX2Zjc0NjV2M/view?usp=drivesdk

 

Wenn ich 224 Hz durch 6 teile, kommen 37.333 Hz raus. Das wären dann 2240 RPM (was durchaus realistisch ist).

 

Ich kann ja noch verstehen, dass der tiefste Peak eher den Prop als den Motor repräsentiert - zumindest bei der Katana mit ihrem Getriebe.

 

Aber warum durch 6 teilen?

Bearbeitet 5. Oktober 2016 von Dierk

[Heiri_M]

Eine mögliche, unfachmännische Erklärung:

Vom Motor werden bei 5500 rpm  183 Hz erzeugt,

vom Prop 77 Hz, gibt  total 260 Hz, was in der Nähe von 224 Hz kommt.

Es könnten dann noch einige Hz wegfallen wegen "Stroboskop"- Effekten, damit meine ich, dass ein Motorknall mit einem Propellerknall zusammenfallen kann.

Ich habe aber keine Ahnung von diesen Dingen....

Bin gespannt, was Fachleute dazu sagen.

[Dierk]

Eine mögliche, unfachmännische Erklärung:

Vom Motor werden bei 5500 rpm 183 Hz erzeugt,

vom Prop 77 Hz, gibt total 260 Hz

Naja, durch Überlagerung zweier dominierender Frequenzen könnte tatsächlich ein "schwebender Ton" entstehen, der kein mechanisches Äquivalent hat. Wie wenn man beim Klavier einen Akkord falsch greift - der Frequenzunterschied ist dann aber als niedrigfrequente Schwebung hörbar.

 

Bei 224 Hz wären dann aber die beiden ursächlichen Frequenzen viel höher, oder?

Bearbeitet 5. Oktober 2016 von Dierk

[Brufi]

Ich denke auch, dass es mit dem Frequenzgang der ganzen Aufzeichnungs Kette zu tun hat. Die tiefsteFrequenz welche Du kriegst ist erst die dritte harmonische der Blattpassierfrequenz. Alles was tiefer ist geht in der digitalen Aufzeichnung schlichtweg unter.

2240 RPM mit einem Zweiblattpropeller ergibt ja knapp 75 Hz (74.67), das Dreifache davon ist dann 224 Hz. Wenn Du bei 75 und 150 Hz nix hast dann halt nicht.

Der Motor dreht mit ca. 5500 RPM und es ist ein Vierzylinder Viertaktmotor. 5500 RPM sind rund 92 Umdrehungen pro Sekunde. Bei einem Vierzylinder Viertakter gibt das 184 Auslassvorgänge pro Sekunde. Das (ein kleiner peak bei ca 184 Hz) solltest Du sehen können im Spektrum. Falls nicht, dann ist es sehr seltsam.

 

Idee: Nimm mal reine Töne auf mit dem Video und analysiere anschliessend die Frequenz von der Aufnahme. So findest Du den Frequenzgang der ganzen Aufzeichnungskette.

 

Gruss

Philipp

[Dierk]

Übrigens ist mir noch aufgefallen, es gibt einen Peak bei 960 Hz und der Unterschied zwischem dem ersten Peak von 224 Hz und dem zweiten mit 320 Hz beträgt exakt 96 Hz.

[iwl]

Was zeigt eigentlich die Skala am unteren Rand an, mit den Hz Werten ist sie nicht synchron?

 

Ingo

[Dierk]

Die Hz-Werte zeigen die drei ersten Peaks. Die untere Skala ist Hz logarithmisch. Die Beschriftung der Peaks ist automatisch und leider etwas nach rechts verschoben.

Übrigens war die Samplerate der Aufnahme 48 kHz, und die Samplerate des Smartphones ebenfalls 48 kHz. Das ist wohl nicht so gut. Ich habe die Samplerate des Smartphones nun auf 32 kHz gestellt. Und schon wird der niedrigfrequente Bereich besser aufgelöst. (Das Problem ergibt sich wohl aufgrund der akustischen Übertragung, digital wäre die Beibehaltung der Samplerate natürlich besser).

Hier eine neuer Versuch mit einem anderen Video (leicht anderes Powersetting) desselben Flugs:

RPM-Messer (Prop)

https://drive.google.com/file/d/0B7IXen1_Bd95aUxCQ3NzUVFnS2M/view?usp=drivesdk

FFT-Analyse:

https://drive.google.com/file/d/0B7IXen1_Bd95UHNqOTFKQnBwYVk/view?usp=drivesdk

 

Laut diesem Artikel

 

https://bib.irb.hr/datoteka/593324.AIR-06.pdf

 

ergibt sich die Grundfrequenz oder Blade pass frequency aus der Zahl der Propellerblätter multipliziert mit der Prop-Drehzahl, das Ganze geteilt durch 60.

 

Das wären z.B. bei 2175 RPM mit dem Zweiblattpropeller 72,5 Hz, und bei 2240 RPM 74,6 Hz. Kein grosser Unterschied. Man müsste wohl einer höhere Harmonische auf das Hz genau bestimmen, und so die Propspeed genauer messen zu können.

 

Die Engine firing rate ergibt sich dann aus 4 Zylindern * Motordrehzahl / 60, bei einem Untersetzungsverhältnis von 2.43 zu 1 wäre das bei z.B. 2175 Prop-RPM 352,35 Hz und bei 2240 Prop-RPM 362.88 Hz.

 

Hm, wenn ich mir nun die Kurve ansehe, findet sich da 149 Hz. Das wäre das Doppelte von 74.5 Hz, und das würde einer Propspeed von 2235 Prop-RPM entsprechen (oder für den Rotax 5431 RPM. Die Anzeige auf dem Rundinstrument lese ich jedoch mit etwas unter 2200 RPM ab.

 

Wenn ich dann die 341 Hz aus dem Screenshot als Motorfrequenz nehme, entspräche das 5115 RPM (oder 2105 Prop-RPM). Das kommt also nicht ganz hin. Vielleicht ist die Auflösung der FFT zu ungenau. Wenn ich den Mittelwert aus 2225 und 2105 Prop-RPM nehme, komme ich auf 2165 Prop-RPM, das entspricht schon eher dem, was man auf dem Rundinstrument ablesen kann.

 

Bei maximaler Drehzahl und Leistung (Start) nimmt die Geräuschkulisse allerdings bei nur geringer Steigerung der Propdrehzahl deutlich zu, und das liegt nicht an den Propellerspitzen, diese gelangen gar nicht in den Machbereich (bei einem Propellerdurchmesser von 1,7 m wären dafür wohl noch mal höhere Drehzahlen nötig), das dürfte dann eher am Motor/Abgasssystem in Kombination mit dem Untersetzungsgetriebe liegen.

Bearbeitet 5. Oktober 2016 von Dierk

[Brufi]

 

Die Engine firing rate ergibt sich dann aus 4 Zylindern * Motordrehzahl / 60, bei einem Untersetzungsverhältnis von 2.43 zu 1 wäre das bei z.B. 2175 Prop-RPM 352,35 Hz und bei 2240 Prop-RPM 362.88 Hz.

Die engine firing rate muss halb so gross sein wie Du angibst!

4 Takt Motor: Jeder einzelne Zylinder produziert einen Arbeitstakt (und ergo auch einen Auslasstakt) pro zwei Kurbelwellenumdrehungen.

Bei vier Zylindern gibt das dann für eine Kurbelwellenumdrehung zwei Auslasstakte.

Bei N = 5500 RPM sind das 5500/60 * 2 = 183 Hz

Mit einem Übersetzungsverhältnis von   2.43:1  wären das bei 2175 Prop-RPM:

2175 x 2.43 / 60 x 2 = 176 Hz

 

Gruss

Philipp

[Dierk]

Die engine firing rate muss halb so gross sein wie Du angibst!

4 Takt Motor: Jeder einzelne Zylinder produziert einen Arbeitstakt (und ergo auch einen Auslasstakt) pro zwei Kurbelwellenumdrehungen.

Bei vier Zylindern gibt das dann für eine Kurbelwellenumdrehung zwei Auslasstakte.

Bei N = 5500 RPM sind das 5500/60 * 2 = 183 Hz

Mit einem Übersetzungsverhältnis von   2.43:1  wären das bei 2175 Prop-RPM:

2175 x 2.43 / 60 x 2 = 176 Hz

 

Gruss

Philipp

Ja stimmt, ist auch logisch. Da ist ein Fehler in der Formel des oben verlinkten Artikels.

 

Ich habe einen andern Artikel gefunden, mit korrekter Formel.  https://www.researchgate.net/publication/289992916_A_Review_of_Experimental_Techniques_for_NVH_Analysis_on_a_Commercial_Vehicle

 

Hm, ist wirklich ein bisschen Kaffeesatzleserei mit den Spektren. Frequenzen unter 500 Hz werden vom Motor selbst relativ stark gedämpft, das Metall schwingt nicht so gern.

 

Ich hatte gehofft, die Propspeed einiges genauer bestimmen zu können, funktioniert aber nicht wirklich.

Bearbeitet 5. Oktober 2016 von Dierk

[Chipart]

Das Problem ist wahrscheinlich, dass das "Messequipment" für die Aufgabe ungeeignet ist: Du hast in der Kette ja 2 Mikrofone und einen Lautsprecher wenn ich das richtig verstehe - und alle nicht gerade für Messaufgaben gemacht.

 

Alleine schon das Mikrophon der GoPro hat typischerweise nur einen einigermassen linearen Frequenzbereich zwischen 300 und 700 Hz. Davor ist es erst relativ unempfindlich (unterhalb 100Hz) und hat dann einige ausgeprägte Spikes zwischen 100 und 300 Hz in der Größenordnung von 20dB. Daher ist nicht mal klar, ob Dein Peak bei 224Hz wirklich vom Aussengeräusch kommt, oder ein Artefakt des Frequenzgangs der verwendeten Kamera ist. 

 

Florian

[paraglider]

Vor etwas mehr als 3 Jahrzente musste ich mich mit der physikalischen Akustik auseinandersetzen, da ist noch ein wenig hängegen geblieben. Aus dem Bauch heraus glaube ich das dein Messverfahren gänzlich unbrauchbar ist sofern es darum geht das Frequenspektrum und Schallpegel der Propeller aufzuzeichnen. Dies ist abhänging für was genau das Messverfahren (aufnahme mit mikro) und die Analysemethode (FFT) ausgelegt sind.

 

Um die physikalischen Vorgänge (Schall/Töne/Geräusche) zu verstehen muss zuerst deren entstehen geklärt werden weil die gängingen Messmethoden (Frequenzmessung/Schallpegelmessung) auf Töne und Geräusche ausgelegt sind. Hier wäre es hilfreich zu Wissen was für Art Geräusche/Töne ein Propeller erzeugt im Bezug zur Messmethode und anschliessender Auswertung der aufgezeichneten Daten.

 

Fangfrage: was ist der Unterschied zwischen den Geräuschen welcher ein sich drehender Propeller erzeugt, und einem Propeller welcher in einem 90 Grad Winkel fest mit dem Flugzeug verschraubt ist?

 

Komische Frage? Ja! Klar wird die Sache wenn der Propeller mit einem runden Zylindrischen Körper (Zigarrenform) ersetzt wird. Nun sollte in etwa klar sein (ich will nich zu weit in die Akkustik eingehen) das der sich drehende Propeller gar keine Töne/Geräusche in klasichen Sinne erzeugt welche mit der klasischen Aufnahmemethode und Auswertung beurteilt werden können.

 

Denn ein Ton entsteht dadurch, als das die Luft in Schwingung versetzt wird. Würde ich nun theoretisch 100x pro Sekunde gegen eine Tür schlagen so würde ich einen Ton mit 100Hz erzeugen. Der Propeller hingegen schlägt gar nie gegen die Luft: die Luft steht permanent am Propeller an, es entsteht in der Folge gar kein Ton, und das ist die Erklärung warum die klasische Aufnahmemethode und Auswertung gar keine brauchbare Ergebnisse liefern kann, zumindest nicht nach den Formeln die ihr verwendet.

 

Diejenige FFT Analyse die ich kenne sind 3 dimensionale Ausgaben, und ob diese Ausgabemethode dazu geneigt ist um das Auszugeben was Dierk sucht weiss ich auch nicht denn der "Propeller Fall" ist doch sehr speziell in der Akustik.

 

Fazit: ein Propeller stösst die Luft nicht an und kann daher keinen "klasischen" Ton erzeugen welcher mit den klasichen Aufnamethode und anschliessender Auswertung der Daten brauchbare Ergenbnisse erzielen kann weil der Propeller permanent an der Luft ansteht.

 

Im Vergleich zum Propeller nun der klasische Lautsprecher: dieser kann nur dann Töne erzeugen wenn dieser "gegen die Luft" schlägt. Wenn man z.B. eine 1.5V Batterie an einem Basslautsprecher anschliesst so bewegt sich die Membrane ganz nach vorn und bleibt dort stehen: das wars auch schon, von Töne keine Spur. Baue ich mir eine elektrischen Schaltung zwischen Batterie und Lautsprecher, und diese Schaltung nichts anders tut als 100 mal in der Sekunde den Strom von der Batterie zum Lautsprecher ein- und auszuschalten, so würde dies einen 100Hz sinus Ton erzeugen.

 

Ich weiss nicht ob ich die Materie verständlich genug rübergebracht habe, jedenfals haben wir es in der Akustik mit einer physikalsichen Einheit zu tun. Nebenbei bemerkt ist DB als messmethode in diesem Fall u.U. nicht geeignet da DB ein logaritmischer Wert ist: ev. wäre Phon besser geeignet, ich weiss es selber auch nicht.

Franc

Bearbeitet 5. Oktober 2016 von paraglider

[Volume]

Es ist ein bisschen her, dass ich mich damit beschäftigt habe, aber man kann aus der "Lärm"aufzeichnung anhand einer Frequenzanalyse sehr schön sehen, was den Lärm verursacht. Im konkreten Fall war es die mitvibrierende Firewall als Resonanzkörper, die uns zunächst daran gehindert hat, im ersten Anlauf die Lärmzulassung zu schaffen.... Die Lösung war auf einige Felder der Firewall ein paar kleine Bleiwuchtgewichte zu kleben, die sonst auf Alufelgen kommen.

 

Der Prop macht ein ganzes Frequenzspektrum, die Blattspitzen (soweit sie lokal Überschallströmung produzieren) machen eine Frequenz von Blattanzahl * Drehzahl, aber sie sind je nach Prop nicht der dominierende Lärmfaktor. Jeder Blattnachlauf trift pro Umdrehung (in der Regel) 4 Kanten der Kühllufteinlässe, je nachdem wie die genau gestaltet sind, kann das nochmal eine neue Frequenz produzieren. Dann reflektieren die Propellerflächen bestimmte Lärmquellen (z.B. vom Auspuff) in Richtung der Messtelle, das kann dann nochmal neue Frequenzen produzieren. Normalerweise sollten die aber alle irgendwelche Vielfache (oder Bruchteile) der Drehzahl sein, und im Spektrum klar als solche erkennbar. Alles was ganz daneben liegt, sind mitvibrierende Zellenbauteile. Gut möglich, dass diese von dir im wesentlichen erfasst werden (misst du in der Kabine?).

 

Speziell beim Rotax weiss ich auch gar nicht, wie gleichförmig die Propellrdrehung überhaupt ist, da ja nicht nur ein Getriebe, sondern auch ein Schwingungsdämpfer zwischen Motor und Prop sitzt, gut möglich dass die Propellerfrequenz daher ein bisschen "verschmiert" ist, die Resonanzfrequenz der Propellerdrehmasse an der (nichtlinearen...) Drehfeder auch noch im Spektrum auftaucht.

 

Gruß

Ralf

[cosy]

...

 

Fazit: ein Propeller stösst die Luft nicht an und kann daher keinen "klasischen" Ton erzeugen welcher mit den klasichen Aufnamethode und anschliessender Auswertung der Daten brauchbare Ergenbnisse erzielen kann weil der Propeller permanent an der Luft ansteht.

 

..

Ich glaube, das ist eine falsche Aussage: Ein Propeller erzeugt einen permanenten Schubvektor, der gegen das Heck zeigt. Das erreicht er, indem er die Luftmasse beschleunigt, welche zur Propellervorderkante strömt, um sie dann mit höherer Strömungsgeschwindigkeit wieder hinten austreten zu lassen.  Weil das ein kontinuierlicher Vorgang ist, müsste eigentlich kein Schall erzeugt werden. Nun ist der fall aber mehrschichtig:

a) Geräusch der durch Druckunterschiede erzeugte Luftbeschleunigung:

Wie jeder weiss, ist ein vorbeifliegendes Segelflugzeug, oder das Blatt des Windrades vom stillstehenden Betrachter aus nicht geräuschlos. Dies hat mit den sich ändernenden Werte für den Schalldruck sowie die Frequenz dieser Schallerzeugung am Standort des Beobachters zu tun. Der Effekt ist aber marginal im Vergleich zum Auspuffgeräusch und dem Schwingungsgeräusch der Motorkonstruktion

B)  Der Propeller dreht sich nicht gleichförmig. Somit ist die Bewegungsgeschwindigkeit des Rotorblattes nicht konstant, sondern ein dauerndes Beschleunigen und Abbremsen. Dies hat damit zu tun, dass - aus Sicht eines einzigen Kolben betrachtet- lediglich während etwa 50° Drehwinkel eine Kraft auf die Kurbelwelle wirkt. Während den verbleibenden 220° Drehwinkel der zwei Umdrehungen wird das Blatt gebremst: von der Widerstandskraft in der bewegten Luft (Anstellwinkel...), von der Reibung, vom Ansaugtakt und Verdichtungstakt (braucht viel Arbeit).  Dem Entgegen wirkt die Massenträgheit der rotierenden Masse. Dieser Effekt ist also mit Hoffmann

- Verstellpropeller deutlich schwächer (er wiegt mit Spinner fast 12 kg), als ein Kohlefaserpropeller gleicher Abmessung, der etwa 3.5 kg wiegt (inkl. Kohlefaserspinner). Da es in Deinem Fall vier Zylinder sind, verbessern sich die Verhältnisse sehr, es bleibt aber eine nichtkonstante Rotationsschwingung mit sinusförmigen Phasen von Winkelbeschleunigung und -verzögerung.

 

c) Standort des Beobachters:

Ein stillstehender Beobachter nimmt Propellergeräusche völlig anders war als ein im Flugzeug sitzender. Dieser Aspekt ist extrem komplex, und der Doppler-Effekt betr. Frequenz nur ein banalisierter Einzelaspekt sehr komplexeren Vorgängen.

 

Fazit:

Die bessere Drehzahlmessung des Propellers wäre ein Mikrophon in der Nähe der Propellerebene - an der Cowling im Fahrtwind

befestigt.

Oder aber Körperschall- das heisst Materialschwingung, hier auch z.B. im Einlass der Kühlluft.

Bearbeitet 21. Januar 2018 von cosy

[DaMane]

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Fazit:

Die bessere Drehzahlmessung des Propellers wäre ein Mikrophon in der Nähe der Propellerebene - an der Cowling im Fahrtwind befestigt.

Oder aber Körperschall- das heisst Materialschwingung, hier auch z.B. im Einlass der Kühlluft.

Warum so komliziert? Optoelektrisch wäre berührungs-, und daher verschleißfrei.

Beide Verfahren benötigen allerdings Strom, im Gegensatz zum mechanischen Drehzahlmesser. Das dürfte evtl. der Grund sein, daß man hier noch keinen echten "Fortschritt" gefunden hat. 

 

Gruß

Manfred

[Chipart]

Wenn es darum geht, die Drehzahl eines starr mit dem Motor verbundenen Flugzeugpropellers zu messen gibt es neben mechanischen Verfahren auch noch viele elektrische Möglichkeiten: Man kann das über einen induktiven oder Hallsensor an einem beliebigen Zahnrad abnehmen oder an der Drehung des Magneten - sogar ganz ohne Sensor rein über die Schwankungen der Bord-/Ladespannung kann man die Drehzahl hinreichend gut ermitteln. 

 

Zu einer akustischen Messung muss man ja nur greifen, wenn man aus welchen Gründen auch immer (z.B. bei einer Unfalluntersuchung) zwar ein Tondokument zur verfügung hat, aber nicht die Messwerte.

 

Florian