Vibroakustische Metamaterialien

Vibroakustische Metamaterialien stellen einen innovativen Lösungsansatz zur Minderung struktureller Schwingungen und akustischer Abstrahlung dar. Sie erzeugen ein Strukturverhalten, das so nicht in der Natur vorkommt: ein Stoppband – ein Frequenzbereich, in dem keine freie Wellenausbreitung stattfinden kann. Ihre Anpassungsfähigkeit hinsichtlich sich verändernder Randbedingungen macht sie für Leichtbauanforderungen besonders attraktiv.  

Wirkungsweise von Metamaterialien

Zur Umsetzung vibroakustischer Metamaterialien existieren grundsätzlich zwei Ansätzen, die zum einen auf dem Bragg-Effekt basieren oder sich zum anderen lokale Resonanzen zunutze machen.  Der Bragg-Effekt basiert auf der destruktiven Interferenz von Wellen, die durch periodische Inhomogenitäten in einer Struktur oder einem Schallfeld im Raum hervorgerufen werden. Die Lage des Stoppbandes hängt dabei von der Gitterkonstante der Inhomogenitäten ab. Ausgeführte Inhomogenitäten können periodisch angeordnete Masseelemente auf einer Struktur oder Stäbe in einem Raum sein.

Nutzung von Lokalresonanzen

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.

Aktive vibroakustische Metamaterialien

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 verschiebbare Stoppbänder zu erzeugen. Damit können geringe Resonatormassen oder das Nachführen des Stoppbandes bei sich veränderten Anregungen implementiert werden.

Anwendungsszenarien für die Schwingungs- und Lärmminderung

Die Wirksamkeit von vibroakustischen Metamaterialien ist in unterschiedlichen Anwendungsszenarien nachgewiesen. Konzepte des Fraunhofer LBF für den Einsatz von Metamaterialien zur Schwingungsminderung gehörten zu den Gewinnern des INNOspace Masters Wettbewerbs 2018 des DLR und der Challenge »Lärmlast durch Technologie reduzieren« der IÖB im Auftrag der ASFINAG im Jahr 2020. Mit Wissenschafts- und IndustriepartnerInnen erforscht das Fraunhofer LBF in mehreren Projekten den Einsatz von vibroakustischen Metamaterialien für Anwendungen im Maschinenbau, der Automobilindustrie, in der Raumfahrt und im Bauwesen. 

Kompetenzen im Bereich der Metamaterialien

• Konzeptionierung vibroakustischer Metamaterialien
• Auslegung vom einzelnen Resonator bis zur Gesamtstruktur
• Realisierung von Prototypen unter Berücksichtigung individueller Randbedingungen
• Umsetzung vibroakustischer Metamaterialien in unterschiedlichen Anwendungsszenarien