Vibroakustische Metamaterialien beeinflussen schädliche Schwingungen mittels Resonatoreffekt

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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.

Vibroakustische Metamaterialien mindern Körperschall, wenn sie beispielsweise in eine Fahrzeugtür integriert werden
© Fraunhofer IBP
Schematische Darstellung eines passiven Schalldämpferkissens (grün) mit aktivierten Einheitzellen (orange). Es könnte in Lüftungskanälen zur Anwendung kommen.
Für jede Anwendung das passende Konzept: Im Forschungsprojekt »MetaVib« werden vibroakustische Metamaterialien in unterschiedlichen Formen und mit individuell anpassbaren Funktionen entwickelt.

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.

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