Streustrukturen

Streuung von Festkörperwellen in Gehäusen und Halterungen

Dreidimensionale Strukturelemente gelten als besonders wirksame Strukturen, die die Körperschallübertragung und -verteilung in einem Festkörper maßgeblich beeinflussen können. Die Anwendung von dreidimensionalen Strukturelementen bietet das Potenzial, die Körperschallleitung und die Körperschallverteilung innerhalb der Gehäuse und der Halterungen durch Streuung, Lenkung und Dämpfung zu steuern. Die Herausforderung liegt darin, dass die Wirksamkeit verschiedener Ansätze noch nicht analysiert wurde. Darüber hinaus ist es noch unklar, ob die möglichen theoretischen Ansätze im industriellen Kontext umsetzbar und realisierbar sind.

Passive Strukturen außer Tilger mit Abmessungen von nicht mehr als 500 mm für gezielte Körperschallleitung und Körperschalldämmung wurden recherchiert. Metastrukturen sowie Strukturen, basierend auf einem Acoustic Black Hole (ABH), die den Körperschall im Bereich von 20 Hz bis 20 kHz streuen / steuern, wurden betrachtet. Eine umfassende Literaturrecherche der wesentlichen theoretischen Veröffentlichungen mit simulativem und/oder experimentellem Charakter wurde durchgeführt. Neben der Wirksamkeitsbewertung wurde besondere Aufmerksamkeit auf die industrielle Umsetzung gelegt, wobei akademische Veröffentlichungen sowie technische Patente recherchiert wurden.

Eine Metastruktur setzt sich aus periodischen oder zufälligen Anordnungen von künstlichen Substrukturen mit Abmessungen unterhalb der Wellenlänge zusammen. Die Konzipierung des Frequenzstoppbands der Metastruktur durch lokale Resonanz und Bragg-Scattering bietet die Möglichkeit, die Metastruktur als leichte und breitbandige Streustruktur zu nutzen. Frequenzgänge, Felddarstellungen sowie Strukturintensität wurden zur Bewertung der Wirksamkeit verwendet. Metastrukturen haben Potenzial für die industrielle Umsetzung als Streustrukturen. Akademische Veröffentlichungen und technische Patente sind informativ und zeigen den Weg auf. Die pulverbasierte additive Fertigung wird häufig für die Herstellung der Metastruktur eingesetzt und empfohlen. Fertigungsfehler können zu besseren mechanischen Eigenschaften führen. Inhomogenitäten aufgrund von Zellen unterschiedlicher Geometrie tragen zu einer hohen Druckfestigkeit bei. Porosität aufgrund von nicht vollständig verschmolzenem Materialpulver führt zur Erhöhung der Strukturdämpfung. Eine stochastische Anordnung und Wiederholung von Substrukturen führen zu einem breitbandigen Frequenzstoppband mit akzeptabler Energiereduktion. Die Kosten für die Massenproduktion können durch den Einsatz modifizierter, kostengünstiger Materialien und die Optimierung der Produktion reduziert werden.

Die Struktur mit ABH ist eine Struktur mit inhomogener Dicke, bei der der Körperschall sich verfängt, verschwindet und nicht reflektiert wird. Diese Eigenschaft zeigt das Potenzial als Streustruktur, die die Körperschallwelle im ABH-Bereich leiten und dämpfen kann. Frequenzgänge, Feld- und Trajektoriedarstellung und Strukturintensität wurden zur Bewertung der Wirksamkeit eingesetzt. Nach der Literaturrecherche ist bekannt, dass die Strukturen mit ABH derzeit hauptsächlich im Labor untersucht wurden. Die industrielle Umsetzung der Streustruktur mit ABH ist noch offen. Die Geometrieimperfektion aufgrund von Fertigungsunsicherheiten limitiert die Wirksamkeit, insbesondere für die Körperschalldämmung. Nach Laborversuchen wurden der Einsatz einer zusätzlichen Dämpfungsschicht und die Integration in die Metastruktur vorgeschlagen. Im Vergleich zu konventionellen Dämpfungsmaßnahmen sind Strukturen mit ABH und zusätzlicher Dämpfungsschicht für die Körperschalldämmung effizient. Im Hinblick auf aktuelle technische Patente werden Streustrukturen mit ABH häufig durch Fräsen hergestellt. Zudem ist die Anfügung einer zusätzlichen Dämpfungsschicht für die industrielle Umsetzung sinnvoll.

Die so gewonnenen Ergebnisse zeigten, dass dreidimensionale Strukturelemente, insbesondere Metastrukturen und Strukturen mit ABH, das Potenzial als Streustruktur haben, um den Körperschall gezielt zu steuern. Aktuell sind Universitäten die Innovationstreiber in diesem Bereich. Der große Teil der Fallstudien für Metastruktur und Struktur mit ABH sind Laborversuche. Die Inhaber von technischen Patenten sind hauptsächlich Universitäten sowie Forschungsinstitute. Die steigende Anzahl von technischen Patenten im industriellen Sektor zeigt das wachsende Interesse an der industriellen Umsetzung dieser innovativen Streustrukturen auf.

Die Studie 971 I der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über Eigenmittel finanziert.