Reduktion tieffrequenter Schalltransmission mittels Metamaterialien: Simulation und Experiment

Abstract

Effiziente Maßnahmen zur Reduktion tieffrequenter Schalltransmission durch dünnwandige Strukturen sind seit vielen Jahren Gegenstand der Forschung. Aufgrund großer Wellenlängen und des Massegesetzes erzielen rein passive Dämmstoffe im Frequenzbereich unter 500 Hz zumeist nicht zufriedenstellende Ergebnisse. Aktive Systeme zur Schallreduktion sind auf diesen Frequenzbereich spezialisiert und schaffen hier Abhilfe. In zahlreichen Simulationen und Experimenten konnte ihre Wirksamkeit in der Vergangenheit nachgewiesen werden. Nichtsdestotrotz sind aktive Systeme stets mit einem hohen Aufwand an Sensorik, Aktuatorik und Rechentechnik verbunden. Die aufkommende 3D-Druck Technologie ermöglicht völlig neue Arten des Multi-Material-Designs komplexer, passiver Strukturen. Auf diese Weise können sogenannte akustische Metamaterialien gedruckt werden, die die Schalltransmission, -reflexion und -absorption in neuartiger Weise beeinflussen. Gedruckte, miniaturisierte Tilger in gitterförmiger Anordnung sind in der Lage, die Schalltransmission dünnwandiger Strukturen über die Grenzen des gegebenen Massegesetzes hinaus zu reduzieren. In diesem Artikel wird eine 110x110x1 mm³ große und ebene Platte mit einer Anordnung von 5x5 miniaturisierten Tilgern ausgestattet. Die Tilger sind als Biegebalken mit Endmasse ausgeführt. Das gummiartige Material des Balkens besitzt einen niedrigen E-Modul und eine hohe innere Dämpfung. Auf diese Weise kann eine niedrige Eigenfrequenz bei gleichzeitig kompakter Bauweise erreicht werden. In vorangegangenen Versuchen wurde die gedruckte Platte bereits in einem eigens zu diesem Zweck gebauten Akustik-Prüfstand hinsichtlich der Wirksamkeit der Tilger untersucht. Die Ergebnisse werden in diesem Artikel aufgegriffen und durch Finite Elemente Simulationen der Strukturdynamik und der Akustik ergänzt. Im Prüfstand konnte das die Platte anregende Schallfeld zur Verwendung in der Simulation vermessen werden. Ein Vergleich der Oberflächenschwingungen und der abgestrahlten Schallleistung der Platte in Simulation und Experiment erlaubt eine Anpassung der Materialparameter. Die Parameter finden Verwendung in der Dimensionierung und Optimierung zukünftiger Metamaterialien.