Designing Sound

524
Jet Engine
Compressor
Turbines
Fuel
Cool air
Hot exhaust
Combustion
chamber
Drive shaft
Drive
turbines
Hot exhaust
Intake fan
Fuel
Figure 47.1
Simplified jet engine.
Gas Turbulence
Initially the flow of air through the engine is regular and mostly laminar. A
quiet and steady hissing sound is heard as air blows out the back of the engine.
Noise profiles built over a very long averaging time are shown in figure 47.2.
The change in spectrum as engine speed increases is clear.
frequency
frequency
frequency
Startup
Low speed
Full thrust
Exhaust spectrum vs. engine speed
Figure 47.2
Averaged noise profile at increasing engine speeds.
Once the fuel is ignited exhaust pressure increases enormously and the air-
flow is supersonic. As cool air mixes with hot exhaust it forms a quasi-periodic
series of conical shockwaves that emit from the exhaust. This strongly modu-
lates the noise into a banded spectrum. It fills up the mid-range, though there
is still most activity in the 300Hz to 1
.
2kHz range that appears as a popping or

---

Analysis
525
rumbling sound from a distance, like the frictional excitation of an object being
dragged over a surface. At full speed the turbulence is so intense that the spec-
trum approaches white noise, being virtually flat. Some turbine components are
shifted upwards beyond the limits of human hearing as the energy goes above
20kHz. Eventually the exhaust sound takes on a ripping, whooshing sound of
high-pass filtered noise and the turbine sound begins to dominate again.
Turbine Sounds
There are dozens or even hundreds of blades on many turbines staggered along
the conical cavity. Even at low speeds of 2,000RPM the modulation of the
airstream causes audible oscillations in the range of 100Hz to 1kHz so that a
strong whining is heard. The partials in a turbine sound are strongly focused
and result from complex beat frequencies between the blades at different stages
of the airflow. What is interesting is although the dynamics are complex, the
spectrum shifts almost perfectly linearly; in other words, we only need to know
the spectrum of a turbine arrangement at one speed and we can shift it up and
down to produce realistic results.
frequency