Schalleinstrahlung anisotroper Strukturen in Kavitäten

Kurzfassung

Die vorliegende Studienarbeit beschäftigt sich mit der Fluid-Struktur-Kopplung eines Systems aus schwingfähiger Platte und angrenzender quaderförmiger Kavität. Dabei wird untersucht, inwiefern das strukturdynamische Verhalten mit dem akustischen Verhalten der Kavität gekoppelt ist. Hintergrund dieser Untersuchungen ist die Formulierung frequenzunabhängiger Schallstrahlungsmoden zur aktiven Minderung der Schalleinstrahlung anisotroper Strukturen in Kavitäten nach Hesse [Hes16]. Diese Formulierung ist nur möglich, wenn von schwacher Kopplung der beiden Teilsysteme Fluid und Struktur ausgegangen werden kann. Dazu wird eine CFK-Platte mit akustisch relevanten Anisotropien ausgelegt und gefertigt. Im Anschluss wird sie mit einer Referenzplatte aus Aluminium unter Berücksichtigung der Kavität auf lineares Verhalten untersucht. Dies bildet die Grundlage für die experimentelle Modalanalyse beider Strukturen zur Ermittlung der Betriebsschwingformen der Platte. Aus den erlangten Ergebnissen werden Rückschlüsse auf die Rückwirkung der Kavität auf das strukturdynamische Verhalten gezogen. Im zweiten Teil erfolgt eine Linearitätsuntersuchung sowie akustische Modalanalyse der Kavität. Diese wird allseitig schallhart sowie mit davor frei gelagerter schwingfähiger Platte untersucht. Auf Basis der Erkenntnisse dieses Versuches werden Aussagen zum Einfluss der Strukturdynamik auf das akustische Verhalten der Kavität getroffen. Die strukturdynamischen Untersuchungen ergeben lineares Verhalten der CFK- bzw. Aluminiumplatte bei struktureller Anregung und verdeutlichen, dass die Strukturdynamik unabhängig von der angrenzenden Kavität ist. Aus den akustischen Experimenten lässt sich keine eindeutige Aussage zur Kopplung zwischen Kavität und Struktur treffen. Zwar scheint die Plattendynamik keinen Einfluss auf das akustische Verhalten der Kavität zu haben, es treten jedoch einige nicht zu erklärende Phänomene bei der Betrachtung der Kavität mit frei davor gelagerter Platte auf. Es sind daher weitere Untersuchungen zum akustischen Verhalten der Kavität nötig. Dazu werden im Folgenden einige mögliche Vorgehensweisen präsentiert. Eine numerische Simulation der Kavität mit den realen Abmessungen sowie Konfigurationen mit und ohne Spalt könnten weitere Erkenntnisse zur Entstehung der unerwarteten Phänomene liefern. Außerdem könnte eine Linearitätsuntersuchung der Kavität in der Nähe des Spaltes überprüfen, ob auch in diesem Bereich lineares Verhalten auftritt, das Grundlage für die Betrachtung des Systems in linearen Modellen ist. Der Einfluss der Plattendynamik könnte auf zwei Weisen weitergehend erforscht werden. Zum einen könnte eine vollständig schallharte Platte frei vor der Kavität gelagert werden, um das akustsiche Verhalten dieser Prüfstandskonfiguration mit Spalt aber ohne schwingfähiges System zu untersuchen. Zum anderen könnte ein reduziertes Messmodell mit Beschleunigungssensoren für die Platte aufgestellt werden. Die Reduktion des umfassenden Messgitters des Laser-Scanning-Vibrometers auf eine geringere Anzahl an Senso 54 ren ermöglicht eine simultane Untersuchung der Kavität und der Struktur bei akustischer Anregung. Durch Variation des Spaltes zwischen Struktur und akustischer Kavität kann dessen Einfluss untersucht werden. Dazu könnte der Spalt abgeklebt werden, ohne das Verhalten der Struktur maßgeblich zu beeinflussen. Zudem wäre es möglich den Einfluss des Spaltes durch dessen Variation in Größe und Ausrichtung zu untersuchen. Eine letzte Möglichkeit zum Ausschluss der ermittelten Ursachen könnte eine Durchführung der Messungen unter geänderten akustischen Randbedingungen des Prüflabors sein. Im Idealfall findet die Untersuchung in einem Freifeldraum statt. Ist dies nicht möglich, könnte der Prüfstand um 90 Grad gedreht oder eine Stellwand vor dem Prüfstand positioniert werden, um die akustischen Randbedingungen der Umgebung zu ändern und damit Aussagen über den Einfluss dieser auf das akustische Verhalten in der Kavität zu treffen. Abschließend lässt sich formulieren, dass weitere Untersuchungen zur Fluid-StrukturKopplung des Systems notwendig sind, die Messergebnisse jedoch zeigen, dass es wahrscheinlich ist, dass die Kopplung der beiden Teilsysteme schwach ist. Kann dies nachgewiesen werden, ist die Beschreibung des Schalleinstrahlverhaltens der Struktur mit anisotropem Steifigkeitsverhalten mittels frequenzunabhängiger Schallstrahlungsmoden möglich. In einem nächsten Schritt kann untersucht werden, inwiefern die maximal auftretenden modalen Indizes der Eigenformen von Struktur und Kavität Einfluss auf das Schalleinstrahlverhalten besitzen. Ziel könnte es sein, ein Kriterium anhand der modalen Indizes zu entwerfen, nachdem die Anzahl der zu berücksichtigenden Moden bei der Regelung der Schalleinstrahlung in Kavitäten ausgewählt werden kann. Dies ist für eine Ordnungsreduktion des Reglers hilfreich, womit die Performance der Reglerstruktur maßgeblich verbessert und neue Einsatzmöglichkeiten solcher Systeme erschlossen werden könnten.