Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBFValide, hocheffizient, wirtschaftlich
Akustische Simulationen zur Auslegung von Schallschutzmaßnahmen
Abstrahlcharakteristik, Sound-Design und Schallschutz sind im modernen Entwicklungsprozess stark korrelierte Bereiche und werden in einer ständig wachsenden Anzahl an Anwendungen wichtiger. Um neue Anforderungen durch enge Vorschriften zu erfüllen, den akustischen Erwartungen zu entsprechen und Entwicklungsziele zu erreichen, sind effiziente und valide Simulationsverfahren an digitalen Prototypen notwendig. Im ganzheitlichen Entwicklungsprozess erfolgt daher die gekoppelte Auswertung von Ausgangszustand und Maßnahme. Aktive Schallschutzkonzepte (Engl. Active Noise Control (ANC)) werden häufig aufwendig erst am physischen Objekt ausgelegt. Das Fraunhofer LBF hat im Zuge des Projekts »ReinluftAkustik« einen Simulationsprozess entwickelt, der ein effizientes Design von ANC-Maßnahmen virtuell ermöglicht und der industriell angeboten wird.
Abbildung 1: Demonstrator des Projekts »ReinluftAkustik« und virtuelle Baugruppe.
Abbildung 2: Viertelmodell des akustischen Simulationsmodells in geschnittener CAD-Ansicht mit Bereichsidentifikationsnummern.
Akustische Simulationen für ein angenehmes Geräuschgefühl
Lärm ist erwiesenermaßen ein gesundheitliches Problem [1], weshalb Regularien enger werden und zunehmend Lärmschutz betrieben wird. Lärmschutz beginnt nicht erst dann, wenn Lärm bereits vorhanden ist, sondern bei modernen Fahrzeugen, Produkten und Maschinen aller Art, bereits virtuell im Entwicklungsprozess. Die Reduktion von Lärmerzeugung, oder allgemein akustischen Emissionen von Komponenten, ist als äußert positiv zu bewerten, führt jedoch auch dazu, dass die Sensitivität für Geräusche erhöht wird. Dies korrespondiert mit kontinuierlich steigenden Anforderungen an die Geräuschqualität und deren Entwicklung (Engl. Sound-Design). Unter der Qualität von Geräuschen, wird nicht nur der quantitative Schalldruckpegel oder die wahrgenommene Lautstärke verstanden, sondern auch die psychoakustische Wirkung. Wird nun von Lärmschutz gesprochen, so müssen Maßnahmen im Idealfall alle Bereiche einschließen – Um diese Domänen wirtschaftlich abdecken zu können, sind akustische Simulationen in validen Simulationsketten notwendig, die effiziente Prognosen in frühen Entwicklungsstadien ermöglichen.Lärmschutz kann durch diverse Maßnahmen passiv oder auch aktiv betrieben werden. Insbesondere im tiefen Frequenzbereich ermöglicht aktiver Schallschutz hochwirksame Lösungen. Maßnahmen, die auf aktivem Schallschutz (Engl. Active Noise Control (ANC)) basieren, bieten sich insbesondere überall dort an, wo entweder direkt in den Luftschalpfad der Abstrahlung eingegriffen werden kann oder dort, wo Bereiche effektiv akustisch abgeschirmt werden sollen. Neben der Schall-„Löschung“ ist auch eine Manipulation des Schallfeldes möglich, sodass z.B. nur einzelne Frequenzen aus dem Signal im Komfortbereich entfernt werden oder akustische Zonen (Engl. Audio zones) aufgebaut werden können. So können z.B. im Büroalltag Bereiche akustisch voneinander getrennt, Maschinengeräusche lokal begrenzt oder auch Warnsignale in bestimmten Bereichen verstärkt werden.
Gesamtkette: Geometriemodell, Simulationsmodell und akustische Bewertung
Abbildung 3: Validierung des Übertragungsverhaltens der primären und von einer sekundären Quelle zu einem Referenz- bzw. Fehlermikrofon.
Abbildung 4: Normalisierter, bewerteter Schalldruckpegel an Mikrofonpositionen ohne ANC und mit ANC in der digitalen Versuchsumgebung.
Das Fraunhofer LBF hat im Zuge des Projekts »ReinluftAkustik« einen Simulationsprozess entwickelt, der ein effizientes Design von ANC-Maßnahmen virtuell ermöglicht und so die Wirksamkeit verbessern kann, bei gleichzeitiger Reduktion des Aufwands für kostenintensive experimentelle Untersuchungen.
Im Projekt »ReinluftAkustik« wurde eine ANC-Maßnahme für ein Lüftungssystem entwickelt. Die virtuelle Geometrie wurde dafür aus einem Versuchsaufbau abgeleitet (Abbildung 1) und in einem Finite Elemente Methode (FEM) Simulationsmodell umgesetzt, wobei drei Bereiche charakteristisch sind (Abbildung 2): Eine vereinfachte Anregung erfolgt in (1), die Ausbreitung im Luftvolumen der Box (2) und die Abstrahlung ins Freifeld in (3). Das physikalische Simulationsmodell wird im Zeit- und Frequenzbereich verifiziert und experimentell validiert (Abbildung 3). Durch diesen Abgleich kann ein virtueller Test-, o.a. Prüfstand, zur Variantenerprobung und Datenerzeugung aufgebaut werden. So können Daten für beliebige Anregungen ermittelt und damit ein Reglungssystem ausgelegt werden. Die Testumgebung kann dann die Wirkung der Maßnahme prognostizieren (Abbildung 4).
[1] Environmental noise guidelines for the European region, World Health Organization Regional Office for Europe, 2018, WHO Regional Office for Europe Publications, Copenhagen
Proaktive Lösungen zur technischen Schallkontrolle
Durch diesen Schritt können akustische Optimierungen am System effizient evaluiert werden, ohne physisch den Aufbau für jede Iteration zu ändern. Infolgedessen kann z.B. bei Nachrüstlösungen die Montagezeit durch virtuelle Erprobung und Parametrierung drastisch reduziert werden.
Denken Sie Ihre Entwicklungen einen Schritt voraus, handeln Sie proaktiv und berücksichtigen Sie Maßnahmen parallel zur Produktentwicklung. Akustische Simulationsprozesse mit der Unterstützung unserer Experten vom Fraunhofer LBF eröffnen Ihnen neue Möglichkeiten bei vibroakustischen Fragestellungen und adaptiven Schallschutzlösungen.
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