Minderung von Vibrationen und Schall

Aktive, semiaktive und adaptive Maßnahmen zur Minderung von Vibrationen und Schall

Erprobungsfahrzeug zur Demonstration aktiver Motorlagerungen und Active Noise Control

Aktiver Schallschutz in Doppelglasfenstern

Aktive Schwingungsminderung in Schiffsantrieben

Aktive Reduktion von Schwingungen an Kleinwindkraftanlagen

Hilfsrahmenlagerung mit aktiver Lagerung zur Auslöschung von störenden Straßenanregungen

Die Wissenschaftler aus der Abteilung Strukturdynamik und Schwingungstechnik des Fraunhofer LBF entwickeln in enger Zusammenarbeit mit Ihren Kunden maßgeschneiderte, intelligente Lösungen zur Minderung von störendem Schall und Vibrationen. Diese Lösungen halten Einzug im Mobilitätssektor, dem Maschinen- und Anlagenbau sowie in Branchen, die beispielsweise höchste Anforderungen an die Präzision und Genauigkeit stellen.

Intelligente Lösungen zur Minderung von Vibrationen und Schall mit der Fähigkeit zur Selbstanpassung

Ungewollte Vibration und störender Schall umgeben uns in unserem Alltag und in einer Vielzahl von Anwendungen. Im Mobilitätssektor müssen Fahrzeuge betriebsfest und lebensdaueroptimiert ausgelegt und Leichtbaupotenziale ausgeschöpft werden. Gleichzeitig stellen Kunden höchste Anforderungen an den Fahrkomfort. Straßenanregungen, Windgeräusche und Geräusche von Motoren und Nebenaggregaten sollen für die Fahrzeuginsassen möglichst nicht wahrnehmbar sein. In der Produktionstechnik hängen die Produktqualität sowie die Haltbarkeit der Produktions- und Werkzeugmaschinen oft direkt von Schwingungen und störenden Vibrationen ab. Das Fraunhofer LBF hat langjährige Erfahrung bei der Entwicklung und Integration technischer Lösungen, die ungewollte Vibrationen und störenden Schall effektiv mindern oder vollständig unterdrücken. Die Umsetzung einer Maßnahme zur Minderung von Schall oder störenden Vibrationen richtet sich nach dem konkreten Anwendungsfall. Hierbei greifen die Wissenschaftler des Fraunhofer LBF auf einen Lösungskatalog zurück, der adaptive, semiaktive und aktive Lösungen beinhaltet. So können die adaptiven Lösungen (wie adaptive Schwingungstilger oder einstellbare Lagerungen) ihr Verhalten an das beobachtete Systemverhalten anpassen. Semiaktive und aktive Maßnahmen nutzen eine vorhandene oder zusätzliche Aktorik (bspw. Servoantriebe, Voice Coil oder Piezoaktoren, Lautsprecher), um das vibroakustische Verhalten aktiv zu beeinflussen. Dies ist vergleichbar mit der Noise Cancelation Technologie, die schon heute in Kopfhören zu finden ist. Störender Schall oder ungewollte Vibrationen werden hierbei vollständig ausgelöscht.

Der Einsatz intelligenter Lösungen zur Minderung von Vibrationen und Schall können aufgrund ihrer Fähigkeit zur Selbstanpassung einen erheblichen Kundennutzen darstellen. Verbunden mit der autonomen Optimierung des Verhaltens im laufenden Betrieb, lassen sich sehr leichte Schwingungstilger verbauen, die ihr Verhalten der beobachteten Anregung anpassen. Werden bereits vorhandene Aktuatoren wie Lautsprecher oder Servoantriebe genutzt, kann die Minderung von Schall und Vibrationen bereits mit einer zusätzlichen Softwarefunktionalität kosteneffizient erreicht werden. Durch ihre hohe Anpassungsfähigkeit sind Intelligente Lösungen zur Minderung von Vibrationen und Schall in der Lage sich einem veränderten Schwingungsverhalten auch bei beginnendem Verschleiß und Alterung optimal anzupassen.

Genauso können die Maßnahmen eingesetzt werden, um Taktraten zu steigern und die Bearbeitungsgeschwindigkeit zu erhöhen, ohne Qualitätseinbußen oder eine verkürzte Lebensdauer in Kauf nehmen zu müssen.Stoppbänder durch Lokalresonanzen werden durch Mikrostrukturen erreicht, die in Folge ihres Schwingverhaltens zu negativen effektiven Materialeigenschaften der Gesamtstruktur führen. Die Lage des Stoppbandes ist dabei von der Resonanz der Mikrostruktur abhängig. Dies ermöglicht im Vergleich zur Erzeugung von Stoppbändern, hervorgerufen durch den Bragg-Effekt, einen größeren Gestaltungsspielraum.

Für die Umsetzung einer negativen effektiven Masse der Gesamtstruktur werden mehrere kleine verteilte Resonatoren (Schwingungstilger) auf eine Struktur angebracht.  Ist der Abstand zwischen den Resonatoren kleiner als die halbe Wellenlänge der zu beeinflussenden Schwingung, entsteht ein Stoppband oberhalb der Resonanzfrequenz der verteilten Resonatoren. Resonatoren mit mehreren Resonanzfrequenzen ermöglichen die Erzeugung von zusätzlichen Stoppbändern. Hiermit kann die wirksame Frequenzbandbreite des vibroakustischen Metamaterials vergrößert oder Schwingungen reduziert werden, die durch eine Anregung mit mehreren Ordnungen entstehen.

Werden die Resonatoren um eine geeignete Aktorik, Sensorik und Regelung ergänzt, lassen sich aktive vibroakustische Metamaterialien umsetzen. Diese bieten die Möglichkeit breitere, tiefere oder im Betrieb verschiebbarer Stoppbänder zu erzeugen. Hierdurch lassen sich vibroakustische Metamaterialien an sich verändernde Randbedingungen anpassen oder es kann zusätzlich Masse eingespart werden, was aktive vibroakustische Metamaterialien im Besonderen für Leichtbaustrukturen attraktiv macht. 

Aktive, semiaktive und adaptive Maßnahmen zur Minderung von Vibrationen und Schall

  • Mechanische Systeme mit der Fähigkeit zur Selbstanpassung (Schwingungstilger mit variablem Wirkfrequenzbereich, Lagerungen mit variabler Steifigkeit und Dämpfung)
  • Aktive Motor- und Aggregatelagerungen zur Isolation ungewollter Vibrationen
  • Ersatz von Elastomerlagern im Fahrwerksbereich durch aktive Lager
  • Aktive Fahrwerke und Stoßdämpfer
  • Aktive Schallkontrolle im Abgasstrang, Lüftungssystem oder Fahrzeuginnenraum
  • Aktive Kontrolle von Bewegungsvorgängen in Produktions- und Werkzeugmaschinen
  • Aktive Lagerung von optischen Systemen (Kameras, LIDAR- oder Radarsensoren)
  • Anwendungsspezifische Systementwicklung (Aktoren, Sensoren und digitale Signalverarbeitung)