Vibroakustische Metamaterialien zur Beeinflussung der Vibroakustik mittels Resonatoreffekt

Im Projekt »MetaVib« werden vibroakustische Metamaterialien als neuartige Schwingungsminderungsmaßnahme erforscht und entwickelt. Sie eignen sich zur Anwendung in verschiedensten Branchen des Maschinenbaus – von Automotive bis zur Raumfahrt. Am Fraunhofer LBF werden Arbeiten im Bereich Konzeptionierung, numerische und experimentelle Charakterisierung durchgeführt, um die Forschungslücke im systematischen Auslegungsprozess zu schließen. 

Was bewirken vibroakustische Metamaterialien?

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 aus 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.

Virtueller Entwicklungsprozess für konkrete Anwendung

Derzeit erfolgt die Auslegung und Herstellung vibroakustischer Metamaterialien meist ohne ausreichender systematischer Vorgehensweise und Berücksichtigung wirtschaftlicher Herstellungsprozesse. Diese Aspekte werden im Fraunhofer-internen PREPARE-Projekt »MetaVib« adressiert. Dies wird durch die Zusammensetzung des Konsortiums ermöglicht: Zusammen mit den Fraunhofer-Instituten IBP, IDMT, IFAM und IWU werden Auslegung, Simulation und Herstellung von passiven und aktiven vibroakustischen Metamaterialien entwickelt und untersucht. Die erarbeitete Methodik wird an zwei anwendungsnahen Demonstratoren validiert: Vibroakustische Metamaterialien werden an eine Fahrzeugtür zur Körperschallminderung und an einen Schalldämpfer zur Beeinflussung der Akustik appliziert. Weiterhin werden für den akustischen Fall Konzepte aktiver vibroakustischer Metamaterialien betrachtet und prototypisch umgesetzt.

Am Fraunhofer LBF wird der Fokus auf einen anwendungsnahen virtuellen Entwicklungsprozess gelegt, welcher Erarbeitung von Konzepten und dessen numerische Vorauslegung beinhaltet. Der Auslegungsprozess ist anwendungsunabhängig, dessen Effektivität wird in »MetaVib« an einer Fahrzeugtür aufgezeigt. Dafür werden Konzepte mit vibroakustischen Metamaterialien für festgelegte Frequenzbereiche bestehend aus Metall oder Kunststoff betrachtet. Die Konzepte werden mithilfe numerischer Routinen detailliert ausgelegt. Die gewonnenen Erkenntnisse werden in Form einer Toolbox umgesetzt, die das Design und Optimierung von Strukturen als vibroakustische Metamaterialien auf unterschiedlichen Detaillierungsstufen ermöglicht.