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Nachweis · Aerodynamik

Evidenzstufe C, Eigener kontrollierter Versuch

Windkanal,
Frequenzanalyse.

Unsere nachträgliche Audioanalyse der Tonspur aus den Windkanalversuchen von Prof. Ralph Pütz: gleiche Tonlage, andere Energieverteilung.

Versuch
Frequenzanalyse, Tonspur
Durchgeführt von
Snipptec Entwicklung
Tonspur aus Vortrag MSWE
Jahr
2019
Art der Auswertung
Historische Messung, dazu nachträgliche Audioanalyse

65,0 auf 22,7

Prozent im Band 350 bis 450 Hz

Anteil an der ausgewerteten Energie im Bereich 80 bis 2000 Hertz. Ohne Spintronik liegen fast zwei Drittel in diesem einen Band.

389 Hz

dominante Frequenz, praktisch gleich

388,9 Hertz ohne und 389,6 Hertz mit Spintronik. Die Abweichung beträgt 0,19 Prozent.

+0,6 dB

nicht leiser, anders verteilt

Die Gesamtenergie im Bereich 80 bis 2000 Hertz sinkt nicht, sie liegt leicht höher. Verändert hat sich, wie sie sich auf die Frequenzen verteilt.

Gleiche Tonlage, andere Energieverteilung

Neben den im Windkanal gemessenen aerodynamischen Kräften haben wir die Tonspur einer dokumentierten Versuchssequenz nachträglich spektral ausgewertet. Verglichen wurden zwei Videoabschnitte: 8 bis 16 Sekunden ohne Spintronik und 18 bis 28 Sekunden mit Spintronik.

Die dominante Tonfrequenz bleibt dabei nahezu unverändert. Sie liegt in beiden Abschnitten bei rund 389 Hertz, die Abweichung beträgt weniger als 0,2 Prozent. Gleichzeitig verändert sich die Verteilung der akustischen Energie über die untersuchten Frequenzbänder deutlich.

Besonders auffällig ist der Bereich von 350 bis 450 Hertz. Ohne Spintronik entfallen dort rund 65 Prozent der im Bereich 80 bis 2000 Hertz ausgewerteten Energie. Mit Spintronik sind es rund 23 Prozent. Statt einer starken Konzentration auf dieses Band verteilt sich die Energie breiter über mehrere Frequenzbereiche.

Das Ergebnis ist nicht als „leiser“ zu verstehen. Die Gesamtenergie im untersuchten Frequenzbereich sinkt in den ausgewerteten Abschnitten nicht. Beobachtet wird eine deutliche Veränderung der spektralen Struktur bei nahezu unveränderter dominanter Frequenz.

Der zugrunde liegende Versuch im BELICON-Modellwindkanal wurde laut Versuchsunterlagen bei frontaler Anströmung ohne Seitenwind in einem Bereich von 30 bis 50 m/s durchgeführt, das entspricht etwa 108 bis 180 km/h. Welcher genaue Wert den beiden ausgewerteten Abschnitten zugeordnet war, lässt sich aus dem vorliegenden Material nicht bestimmen.

Energieanteil im Band 350 bis 450 Hertz

Anteil an der ausgewerteten Energie von 80 bis 2000 Hertz, in Prozent.

Ohne System Mit Spintronik

Ohne System
65,0 %
Mit Spintronik
22,7 %
Wohin die Energie stattdessen geht

Anteil in Prozent. Beide Nachbarbänder gewinnen deutlich.

Ohne System Mit Spintronik

200 bis 350 Hertz

Ohne System
12,9 %
Mit Spintronik
26,9 %

450 bis 800 Hertz

Ohne System
13,6 %
Mit Spintronik
23,5 %
Auch die höheren Bänder legen zu

Anteil in Prozent. Die Energie verteilt sich breiter.

Ohne System Mit Spintronik

800 bis 1200 Hertz

Ohne System
3,5 %
Mit Spintronik
12,9 %

1200 bis 2000 Hertz

Ohne System
2,2 %
Mit Spintronik
7,8 %

Aerodynamische Effizienz im Windkanal gemessen

Die Windkanalmessung selbst ist ein eigener Test. Die Messreihen von Prof. Pütz zu Luftwiderstand, Abtrieb und aerodynamischer Effizienz stehen mit Stufe A unter Windkanal, Prof. Ralph Pütz.

Im BELICON-Modellwindkanal der Hochschule Landshut wurden an Heckflügeln aus Aluminium und Kunststoff sowohl der aerodynamische Widerstand (Drag) als auch der Abtrieb (Downforce) gemessen. Aus dem Verhältnis von Abtrieb zu Luftwiderstand wurde die aerodynamische Effizienz εₐₑᵣₒ bestimmt.

Bei den untersuchten programmierten Varianten des Aluminium-Heckflügels wurden gegenüber der Placebo-Referenz Verbesserungen der aerodynamischen Effizienz festgestellt. Die Stärke und der zeitliche Verlauf der Veränderungen unterschieden sich abhängig von der jeweiligen Programmierung.

Beim Kunststoff-Heckflügel zeigten die untersuchten Varianten dagegen sowohl Verbesserungen als auch Verschlechterungen. Die Ergebnisse zeigen damit zugleich, dass Material, Programmierung und Einwirkzeit einen Einfluss auf das Messergebnis hatten.

Die Untersuchung dokumentiert somit messbare Veränderungen von Abtrieb, Luftwiderstand und aerodynamischer Effizienz unter den definierten Bedingungen des Windkanalversuchs.

Drei Ebenen, die sauber getrennt gehören. Die Windkanalversuche von Prof. Pütz sind die Originalquelle. Die Audioanalyse ist eine nachträgliche Auswertung von uns, nicht Teil des damaligen Versuchs. Die Erklärung, warum sich die Energie umverteilt, ist eine Arbeitshypothese aus der Entwicklung und kein bewiesener Mechanismus.

Die Audioanalyse misst keinen Luftwiderstand. Sie betrachtet, wie sich Schwingungsenergie über Frequenzen verteilt. Daraus lässt sich kein cw-Wert und keine Verbrauchsersparnis ableiten, und wir leiten das auch nicht ab.

Grundlage ist eine Tonaufnahme, kein Messdatenexport aus dem Windkanal. Mikrofonposition, automatische Pegelregelung, Videokompression sowie Raum- und Anlagengeräusche können das Spektrum beeinflussen. Die Audioanalyse ist deshalb eine ergänzende technische Beobachtung und keine kalibrierte Schallmessung. Für einen Vergleich zweier Abschnitte derselben Aufnahme reicht das, für absolute Werte nicht.

Nicht leiser, sondern anders verteilt. Der einzelne Peak um 389 Hertz ist im Abschnitt mit Spintronik rund 4,5 dB schwächer. Die gesamte Energie im Bereich 80 bis 2000 Hertz liegt dagegen leicht höher, um etwa 0,6 dB. Aussagen wie „leiser“, „weniger Turbulenz“ oder „bessere Strömung“ lassen sich aus der Audioanalyse allein nicht ableiten.

Die Originalfolien stehen unten auf dieser Seite, mit Freigabe von Prof. Pütz, damit jeder den Versuchsaufbau nachvollziehen kann.

Einordnung der Ergebnisse. Die dargestellten Ergebnisse beziehen sich ausschließlich auf die untersuchten Bauteile, den beschriebenen Versuchsaufbau und die jeweiligen Messbedingungen. Sie zeigen die im Versuch gemessenen Veränderungen und stellen keine pauschale Aussage für andere Bauteile oder vollständige Fahrzeuge dar.

RP
Prof. Ralph Pütz

Windkanalversuche, Vortrag MSWE 2019

Die Versuche stammen aus einem Fachvortrag. Die Audioanalyse darauf ist unsere eigene, spätere Auswertung.

Dieselbe Technologie, andere Anwendung

Diese Auswertung betrachtet Frequenzen im Windkanal. Dieselbe Grundlage wurde auch an ganz anderen Bauteilen gemessen, teilweise mit ganz anderen Größen. Die Werte sind untereinander nicht übertragbar.

Nutzfahrzeug

Volvo Sattelzug 96.767 Kilometer im Speditionsalltag

Nutzfahrzeug

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Aerodynamik

Windkanal, Prof. Ralph Pütz Die Windkanalmessung selbst, Stufe A

Grundlagen

Stimmgabel Dämpfung zum Anschauen

Die Auswertung

Die Diagramme zur Audioanalyse

Leistungsspektrum nach dem Welch-Verfahren, 80 bis 2000 Hertz, aus der Tonspur des Windkanalvideos. Die Werte sind relativ und beschreiben die Verteilung, nicht die Lautstärke.

Abbildung 1: Frequenzspektrum der beiden Abschnitte. Ohne Spintronik ragt ein einzelner Ton um 389 Hertz deutlich heraus. Mit Spintronik liegt die Kurve über weite Teile des Spektrums höher und gleichmäßiger.

Abbildung 1: Frequenzspektrum der beiden Abschnitte. Ohne Spintronik ragt ein einzelner Ton um 389 Hertz deutlich heraus. Mit Spintronik liegt die Kurve über weite Teile des Spektrums höher und gleichmäßiger.

Abbildung 2: Verteilung der Energie auf sechs Frequenzbänder. Ohne Spintronik liegen rund 65 Prozent im Band 350 bis 450 Hertz, mit Spintronik rund 23 Prozent. Alle anderen Bänder legen zu.

Abbildung 2: Verteilung der Energie auf sechs Frequenzbänder. Ohne Spintronik liegen rund 65 Prozent im Band 350 bis 450 Hertz, mit Spintronik rund 23 Prozent. Alle anderen Bänder legen zu.

Am besten mit Ton ansehen, rund eine Minute.

1 Minute

Die Aufnahme

Die Windkanalversuche im Video.

Das Video zeigt die Windkanalversuche von Prof. Pütz im BELICON-Modellwindkanal der Hochschule Landshut, mit den Doppelflügeln aus Aluminium und aus Kunststoff. Die Abschnitte Placebo und mit Spintronik sind im Bild eingeblendet.

Die Audioanalyse auf dieser Seite vergleicht zwei Abschnitte dieser Versuchsaufnahme, einen ohne und einen mit Spintronik. Mit Ton angesehen, lässt sich der Versuch selbst nachvollziehen. Die Zahlen oben stammen aus unserer Auswertung, nicht aus dem Höreindruck.

Einordnung

So ist dieser Test einzuordnen.

Jede Testseite folgt demselben Raster. Damit lässt sich auf einen Blick vergleichen, wie belastbar ein Ergebnis ist, ohne dass man den ganzen Bericht lesen muss.

Fragestellung
Verändert sich die Verteilung der akustischen Energie über die Frequenzen, wenn ein Heckflügel im Windkanal mit Spintronik behandelt ist?
Prüfobjekt
Heckflügel aus Aluminium und Kunststoff im BELICON-Modellwindkanal der Hochschule Landshut, jeweils unbehandelt und behandelt, dazu eine Placebo-Variante als Kontrolle.
Prüfer
Die Windkanalversuche stammen von Prof. Ralph Pütz und Andreas Wieser, BELICON, Hochschule Landshut. Die Audioanalyse, aus der die Zahlen auf dieser Seite stammen, ist eine eigene, spätere Auswertung.
Datum
Die Versuche wurden 2019 auf der Professional MotorSport World Expo vorgestellt. Die Audioanalyse ist eine spätere Sekundärauswertung der Videoaufnahme.
Methodik
Aus der Tonspur wurde für zwei Abschnitte derselben Aufnahme jeweils ein Leistungsspektrum nach dem Welch-Verfahren berechnet: 8 bis 16 Sekunden ohne Spintronik, 18 bis 28 Sekunden mit Spintronik, jeweils im Bereich 80 bis 2000 Hertz. Zusätzlich wurde die Energie in diesem Bereich auf sechs Frequenzbänder verteilt. Die Prozentwerte beschreiben die Verteilung innerhalb des ausgewerteten Bereichs, nicht den Schalldruck in dB(A).
Bedingungen
Laut Versuchsunterlagen frontale Anströmung ohne Seitenwind, 30 bis 50 m/s, etwa 108 bis 180 km/h. Ein genauer Wert für die beiden Abschnitte ist im Video nicht eingeblendet. Mikrofonposition, automatische Pegelregelung, Videokompression und Anlagengeräusche sind nicht kontrolliert, ein Messdatenexport aus dem Windkanal liegt nicht vor. Der Versuchsaufbau steht in den Originalfolien unten auf dieser Seite.
Ergebnis
Die dominante Frequenz bleibt praktisch gleich: 388,9 Hertz ohne, 389,6 Hertz mit Spintronik, eine Abweichung von 0,19 Prozent. Der Energieanteil im Band von 350 bis 450 Hertz geht von 65,0 auf 22,7 Prozent zurück. Alle anderen Bänder legen zu: 80 bis 200 Hertz von 2,6 auf 6,1 Prozent, 200 bis 350 Hertz von 12,9 auf 26,9 Prozent, 450 bis 800 Hertz von 13,6 auf 23,5 Prozent, 800 bis 1200 Hertz von 3,5 auf 12,9 Prozent und 1200 bis 2000 Hertz von 2,2 auf 7,8 Prozent. Der Peak um 389 Hertz ist rund 4,5 dB schwächer, die Gesamtenergie im Bereich liegt rund 0,6 dB höher.
Grenzen
Die Audioanalyse misst keinen Luftwiderstand. Aus ihr lässt sich weder ein cw-Wert noch eine Verbrauchsersparnis ableiten, und sie beweist keine bestimmte Änderung der Strömung. Die Windgeschwindigkeit der beiden Abschnitte lässt sich nicht genau bestimmen, genannt werden kann nur der dokumentierte Prüfbereich. Die Analyse war nicht Teil des damaligen Versuchs, sondern ist eine spätere Auswertung einer Videoaufnahme und keine kalibrierte Schallmessung. Die Kraftmessungen von Prof. Pütz erfassen andere Größen und stehen getrennt unter Windkanal, Prof. Ralph Pütz.
Originalquelle
Pütz, Ralph und Wieser, Andreas: „Chip tuning zur Verbesserung der aerodynamischen Effizienz?“, BELICON, Hochschule Landshut, Professional MotorSport World Expo 2019, Folie 7 zum Versuchsaufbau. Fünf Originalfolien unten auf dieser Seite, dazu der vollständige Vortrag als PDF. Die Veröffentlichung ist mit Prof. Pütz abgestimmt.

Der Beleg

Die Originalfolien

Fünf Folien aus dem Vortrag von Prof. Pütz: der Versuchsaufbau, die Placebo-Kontrolle und die Zusammenfassungen der Messreihen. Der vollständige Vortrag steht als Datei daneben.

Originalfolien ansehen 5 Seiten, unverändert AufklappenZuklappen
Originalfolien ansehen, Seite 1
Versuchsaufbau im Windkanal
Originalfolien ansehen, Seite 2
Placebo und Konverter im Vergleich
Originalfolien ansehen, Seite 3
Zusammenfassung, Aluminium
Originalfolien ansehen, Seite 4
Zusammenfassung, Kunststoff mit Placebo
Originalfolien ansehen, Seite 5
Zusammenfassung, Kunststoff mit Konverter

Der vollständige Vortrag als Datei, rund 3,8 MB.

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Transparent dokumentiert

Ein Test allein beweist wenig.

Deshalb liegt hier nicht einer, sondern das ganze Archiv. Jede Auswertung mit denselben Angaben, denselben Diagrammen und derselben ehrlichen Einordnung.

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