Vibroakustische Metamaterialien beeinflussen schädliche Schwingungen mittels Resonatoreffekt
Vibroakustische Metamaterialien könnten als neuartige
Schwingungsminderungsmaßnahme in den verschiedensten Branchen zum Einsatz
kommen, beispielsweise im Maschinen- und Fahrzeugbau oder in der
Raumfahrt. Sie mindern störenden Körperschall oder helfen, Gerätschaften
zu stabilisieren und Komfort zu steigern. Unter Leitung des Fraunhofer-
Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF werden im
Projekt »MetaVib« numerische und experimentelle Methoden erarbeitet, um
die Forschungslücke im systematischen Auslegungsprozess für
vibroakustische Metamaterialien zu schließen und für die industrielle
Anwendung nutzbar zu machen.
So wirken vibroakustische Metamaterialien
An vibroakustischen Metamaterialien wird aktuell weltweit geforscht. Mit
ihrer Hilfe können die Amplituden von schädlichen Strukturschwingungen und
Lärm so tief und breitbandig reduziert werden, wie das mit konventionellen
Maßnahmen praktisch nicht umsetzbar ist. Diese Metamaterialien werden aus
periodisch angeordneten passiven oder aktiven lokalen Resonatoren auf dem
zu beeinflussenden Bauteil aufgebracht. Die lokalen Resonatoren werden auf
die adressierte Eigenfrequenz abgestimmt und mit Abständen kleiner als die
halbe Wellenlänge der zu beeinflussenden Frequenz auf der Grundstruktur
platziert. In diesem Frequenzbereich entstehen dann sogenannte Stoppbänder
in der Übertragungsfunktion – Bereiche, in denen keine Wellenausbreitung
möglich ist.
Virtueller Entwicklungsprozess für reale Anwendungen als Toolbox verfügbar
Derzeit erfolgt die Auslegung und Herstellung vibroakustischer
Metamaterialien meist ohne ausreichende systematische Vorgehensweise oder
Berücksichtigung wirtschaftlicher Herstellungsprozesse. Diese Aspekte
werden im Fraunhofer-internen PREPARE-Projekt »MetaVib« adressiert. Die
institutsübergreifenden Forscherteams entwickeln Auslegungskonzepte für
Simulation und Herstellung von passiven und aktiven vibroakustischen
Metamaterialien. Die erarbeitete Methodik wird an einer Fahrzeugtür mit
integrierten vibroakustischen Metamaterialien und an kompakten
Schalldämpferkulissen validiert.
Seit dem Beginn des Projektes wurden generische Methodiken zur
Charakterisierung und numerischer Auslegung von vibroakustischen
Metamaterialien entwickelt. Mit der Verwendung dieses Auslegungsprozesses
wurden Konzepte speziell für die Fahrzeugtür und die Schalldämpferkulissen
ausgelegt und gefertigt (meist aus Metallen und Kunststoffen). Die
gewonnenen Erkenntnisse aus den gefertigten Demonstratoren werden auch in
der virtuellen Entwicklung berücksichtigt. Dies soll in eine virtuelle
Toolbox einfließen, die das Design und die Optimierung von Strukturen als
vibroakustische Metamaterialien auf unterschiedlichen Detaillierungsstufen
ermöglicht.
Praxisbezogener Austausch mit Experten
Das kostenfreie Seminar zur » Vibroakustische Metamaterialien und deren
Einsatzpotenziale« am 23. November 2021 präsentiert aktuelle Entwicklungen
und Trends zur Beeinflussung von Vibroakustik mittels Resonatoreffekt und
richtet sich an Interessenten aus Industrie (Mobilität/Auto),
Maschinenbau, Energie, etc.
