Ein Beitrag zur Auslegung und Integration vibroakustischer Metamaterialien in komplexe Bauteile am Beispiel von Gehäusestrukturen = A Contribution to Design and Integration of Vibroacoustic Metamaterials in Complex Components using the Example of Housing Structures

Das Vibrations- und Akustikverhalten von Produkten gewinnt zunehmend an Bedeutung und wird immer mehr zu einem kaufentscheidenden Faktor. Der Fokus liegt dabei aber nicht allein auf der Gesamt-Lautstärke, sondern vielmehr auf einem bewusst gestalteten, hochwertigen Geräusch, das einen bestimmten Charakter vermittelt. Neben der allgemeinen Reduktion des Geräuschpegels ist also insbesondere eine präzise akustische Gestaltung von großer Bedeutung.
An dieser Stelle bieten vibroakustische Metamaterialien (VAMM) Vorteile bezüglich Masse und Bauraum gegenüber konventionellen Lösungen. ... mehrDie in dieser Arbeit betrachteten VAMM basieren dabei auf periodisch angeordneten mechanischen Biege-Resonatoren, die im Bereich ihrer Eigenfrequenz als Schwingungstilger wirken, und so die Schallenergie aufnehmen, noch bevor diese als Störschall abgestrahlt werden kann. Die Resonatoren lassen sich hierzu auf nahezu beliebige Zielfrequenzen auslegen, bei denen dann extrem hohe Absorptionsgrade erreicht werden. Da die Resonatoren sehr kompakt gestaltet werden können, lassen sich hierdurch auch tiefe Frequenzbereiche optimieren, was sich mit konventionellen akustischen Maßnahmen oft schwierig gestaltet.
In der Literatur fehlt es aber an praxisorientierten Auslegungsmethoden und Konstruktions-Regeln, die es Konstrukteuren ermöglichen, VAMM einzusetzen, ohne tiefgreifende Kenntnis über die zugrunde liegenden strukturdynamischen Effekte und Mechanismen zu besitzen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Methode entwickelt, mit der Konstrukteure bei der Integration vibroakustischer Metamaterialien in komplexe mechanische Strukturen unterstützt werden. Als Anwendungsbeispiel dient dabei ein additiv gefertigtes Untersuchungsgehäuse. Initial wurden Versuche zum dynamischen Verhalten additiv gefertigter Bauteile durchgeführt, um passende Materialkennwerte für die FEM Simulation zu erhalten. Varianten, die in der Simulation zu guten Ergebnissen führten, wurden anschließend gefertigt und mithilfe eines 3D-Laser-Scanning Vibrometers vermessen, um die Wirksamkeit der einzelnen Konzepte und Layouts zu validieren. Die effektivsten Konzepte wurden dann abstrahiert und in Konstruktionsregeln übersetzt.
Zur Validierung der abgeleiteten Konstruktionsregeln wurde ein weiteres Untersuchungsgehäuse konstruiert und gefertigt. Anschließend wurde die zuvor definierte Methode angewendet, um das neue Gehäuse vibroakustisch zu optimieren. Dies führte ebenfalls zu einer deutlichen Körper- und Luftschallreduktion und die Methode konnte somit validiert werden.

The vibration and acoustic behavior of products is becoming increasingly important and is becoming more and more of a deciding factor in purchasing. However, the focus is not only on the overall loudness, but rather on a specifically designed, high-quality sound that conveys a certain character. Thus, in addition to the general reduction of the noise level, a precise acoustic design is necessary.
For this purpose, vibroacoustic metamaterials (VAMM) offer advantages in terms of mass and installation space compared to conventional solutions. The VAMM considered in this work are based on periodically arranged mechanical bending resonators that act as vibration dampers in the range of their natural frequency, thus absorbing the sound energy before it is radiated as noise. ... mehrThe resonators can be designed for almost any target frequency, where they can achieve extremely high damping factors. Since the resonators can be designed to be very compact, they can also be used to optimize low frequency ranges, which is often difficult with conventional acoustic measures.
However, there is a lack of practical design methods and design rules in the literature that allow engineers to use VAMM without having in-depth knowledge of the underlying structural dynamic effects and mechanisms.
In this work, a method was developed to assist engineers in integrating VAMM into complex mechanical structures. An additively manufactured research housing serves as application example. Initially, tests were carried out on the dynamic behavior of additively manufactured components in order to obtain suitable material parameters for the FEM simulation. Variants that produced good results in the simulation were then manufactured and measured using a 3D laser scanning vibrometer, to validate the effectiveness of the individual concepts and layouts. The most effective concepts were then abstracted and translated into design rules.
Another research housing was designed and fabricated to validate the derived design rules. The previously defined method was applied to optimize the new enclosure regarding its vibroacoustic behavior. This led to a significant reduction in structure-borne and airborne noise and the method could thus be validated.