Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBFLeichtbaupotenzial für Fahrzeuge und Maschinen
MetaVib – Vibroakustische Metamaterialien zur Lärm- und Schwingungsminderung
Maschinenbau und Mobilität sollen noch wirtschaftlicher und nachhaltiger werden. Damit das gelingt, müssen die dort eingesetzten Komponenten effizienter hergestellt und leichter gestaltet sein. Bei solchen Konstruktionen treten jedoch oft Schwingungsprobleme auf. Im PREPARE-Projekt „MetaVib“ haben Fraunhofer-Forschende vibroakustische Metamaterialien als neuartige Lärm- und Schwingungsminderungsmaßnahme erforscht und entwickelt. Diese ermöglichen neue Gestaltungsfreiräume zur gezielten vibroakustischen Optimierung von Bauteilen unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Leichtbaukriterien.
Was bewirken vibroakustische Metamaterialien? Definition
Vibroakustische Metamaterialien stellen weltweit ein aktuelles Forschungsthema im Bereich Lärm- und Schwingungsminderung dar. Mit deren Hilfe können die Amplituden von schädlichen Strukturschwingungen und Lärm so tief und breitbandig reduziert werden, wie das mit konventionellen Maßnahmen wie Vibrationsabsorber oder Dämpfungsmaterialien praktisch nicht umsetzbar ist. Sie werden auf üblicherweise 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.
Schematische Darstellung von VAMM (links) und eines Stoppbandes im Frequenzbereich (rechts).
Forschungsfragestellungen im Projekt MetaVib
Im Fraunhofer-internen PREPARE-Projekt „MetaVib“ wurden Konzepte zur ganzheitlichen Auslegung und wirtschaftlichen Herstellung von vibroakustischen Metamaterialien erarbeitet. Dies wurde durch die Zusammensetzung des Konsortiums ermöglicht: Zusammen mit den Fraunhofer-Instituten IBP, IDMT, IFAM und IWU wurden Auslegung, Simulation und Herstellung von passiven und aktiven vibroakustischen Metamaterialien entwickelt und untersucht. Am Fraunhofer LBF wurde der Fokus auf einen anwendungsnahen virtuellen Entwicklungsprozess gelegt, welcher die Erarbeitung von Konzepten und dessen numerische Vorauslegung beinhaltet.
Toolbox für unabhängigen Auslegungsprozess und effiziente Prototypenentwicklung
Die erarbeitete Methodik wurde an zwei anwendungsnahen Demonstratoren validiert: So konnte an verschiedenen Demonstratoren eine effiziente Körperschallminderung von bis zu 20 dB in definierten Frequenzbereichen erzielt werden. Bei der Umsetzung wurden Konzepte verwendet, welche sich für eine großserientaugliche Herstellung eignen. Darüber hinaus wurde ein kompakter, breitbandig wirkender Rohrschalldämpfer zur Beeinflussung der Akustik umgesetzt. Weiterhin wurde ein Konzept aktiver vibroakustischer Metamaterialien prototypisch umgesetzt. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden in Form einer Toolbox umgesetzt, die das Design und Optimierung von Strukturen als vibroakustische Metamaterialien auf unterschiedlichen Detaillierungsstufen ermöglicht. Damit ist der Auslegungsprozess anwendungsunabhängig und ermöglicht eine effiziente Prototypenentwicklung in industriellen Folgeprojekten.
Validiert an anwendungsnahen Demonstratoren
An der Rohkarosserie einer Fahrzeugtür konnte im Labor eine Reduktion der Schwingungen und des abgestrahlten Lärms von bis zu 20 dB in definierten Frequenzbereichen erzielt werden.
