Lärmschutz durch vibroakustische Metamaterialien

VAMM-Prototyp zur Schwingungs- und Lärmminderung an Autobahnen

Lärmschutz durch vibroakustische Materialien
Resonatoren des vibroakustischen Metamaterials

 

Im Auftrag der ASFiNAG wurde am Fraunhofer LBF der Prototyp einer Lärmschutzwand mit vibroakustischen Metamaterialien (VAMM) entwickelt. Vibroakustische Metamaterialien stellen eine neuartige Technologie zur Schwingungs- und Lärmminderung dar. In der Studie wurde ein Ausschnitt einer Acryl-Lärmschutzwand mit solchen Metamaterialien ausgestattet, so dass in dem für Verkehrslärm typischen Frequenzbereich eine signifikante Reduktion der Transmission erzielt werden konnte.

Lärmlast durch Technologie reduzieren

Um innovative Lösungen für den Lärmschutz an Autobahnen zu identifizieren, rief die ASFiNAG in Zusammenarbeit mit der IÖB (Innovationsfördernde Öffentliche Beschaffung) die Challenge »Autobahnen und Schnellstraßen: Lärmlast durch Technologie reduzieren« aus.

Das Konzept des Fraunhofer LBF, Lärmschutzwände mit Hilfe von vibroakustischen Metamaterialien hinsichtlich ihrer Transmissionseigenschaften zu verbessern, hat sich dabei unter vielen Einreichungen in der Jurywertung durchgesetzt.

Es folgte ein gemeinsames Forschungs- und Entwicklungsprojekt zusammen mit der ASFiNAG mit dem Ziel einen Laborprototyp aufzubauen und zu Charakterisieren.

Mit vibroakustischen Metamaterialien Lärm bekämpfen

Vibroakustische Metamaterialien bestehen aus einer Vielzahl periodisch angeordneter mechanischer Resonatoren und bilden sogenannte Stoppbänder im Frequenzbereich aus - das sind Frequenzbereiche, in denen die freie Ausbreitung von Wellen unterbunden wird, wodurch Schwingungen und der abgestrahlte Schall effektiv reduziert werden.

Lärmschutzwand Autobahn Österreich VAMM
Entwicklung einer Lärmschutzwand mit vibroakustischen Metamaterialien

Aufbau eines Prototyps

Als Prototyp wurde ein 650 x 900 mm² großer Ausschnitt aus einer 15 mm dicken konventionellen Acrylglas-Lärmschutzwand mit einem Resonator-Array versehen und hinsichtlich der Schalltransmission untersucht. Da Straßenlärm im Bereich um 1000 Hz am lautesten ist, wurde diese Frequenz als Zielfrequenz für die Transmissionsreduktion festgelegt. Als Resonatoren wurden 3D-gedruckte Kunststoff-Membranresonatoren verwendet, an deren Innenseite ein Stahlzylinder als Masseelement angebracht ist. Der so aufgebaute Metamaterial-Verbund wiegt in etwa doppelt so viel wie eine einfache Acrylglas-Lärmschutzwand.

Leistungsfähigkeit im Akustiklabor nachgewiesen

Im Akustiklabor des Fraunhofer LBF wurden die akustischen Transmissionseigenschaften des Prototyps untersucht. Dazu wurden die Lärmschutzwand-Module auf ein abgeschlossenes Akustikvolumen montiert und mit einem Lautsprecher im Inneren und äußeren Mikrofonen der Schalldurchgang gemessen. Es konnte gezeigt werden, dass mit dem Prinzip von VAMM die Transmission durch die Lärmschutzwand im Bereich des Stoppbands wesentlich wirkungsvoller reduziert werden kann als beispielsweise mit einer Verdopplung der Lärmschutzwanddicke.

 

»Die Laborversuche mit der Neuentwicklung haben die Erwartungen deutlich übertroffen. Zum Wohle der Anrainer arbeiten wir bereits an einer Realisierung des Konzepts an der Autobahn.«

Ing. Peter Rath MSc, ASFINAG Maut Service GmbH

Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten

Die Anwendung von VAMM ist nicht auf Acrylglas-Lärmschutzwände beschränkt. Auch absorbierende Lärmschutzwände in Kassettenbauweise oder Holz-Lärmschutzwände eignen sich zur Anwendung des Prinzips. Daneben ergeben sich in anderen Branchen, wie dem Fahrzeugbau, der Luft- und Raumfahrt, dem Maschinenbau und dem Bauwesen weitere Anwendungsmöglichkeiten für VAMM. Das Fraunhofer LBF erforscht in all diesen Bereichen die anwendungsorientierte Integration von VAMM.

Lärmschutzwand
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