Schalldämpfer Vibroakustische Metamaterialien lassen Maschine und Auto flüstern

Redakteur: Peter Königsreuther

Sogenannte vibroakustische Metamaterialien könnten als neuartige Schwingungsdämpfer im Maschinen- und Fahrzeugbau oder in der Raumfahrt dienen. Forscher arbeiten daran.

Vibroakustische Metamaterialien sind Systeme, mit denen man Schwingungen in Systemen effektiv dämpfen kann. Autos werden leiser, Maschinen weniger belastet. Forscher wollen sie industriefähig machen.
Vibroakustische Metamaterialien sind Systeme, mit denen man Schwingungen in Systemen effektiv dämpfen kann. Autos werden leiser, Maschinen weniger belastet. Forscher wollen sie industriefähig machen.
(Bild: Fraunhofer-IWU)

Um Autos umweltfreundlicher zu machen, werden sie immer leichter. Die dabei verwendeten Leichtbaumaterialien zeigen aber wegen ihrer geringen Masse und der deswegen geringeren Materialdämpfung ein deutlich verändertes Schwingungsverhalten als Stahl & Co.. Deshalb können sie zu unerwarteten und nicht zuletzt nervigen Geräuschquellen im Fahrzeuginnenraum werden. Auf der Blechexpo in Stuttgart zeigten Experten des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) deshalb, wie sich dieser Konflikt lösen lässt! Und zwar mit vibroakustischen Metamaterialien (VAMM). Sie können dafür sorgen, dass Fahrzeugkomponenten leichter aber zugleich deutlich leiser werden.

Auf der Messe waren unterschiedlich designte Bauteile aus vibroakustischen Metamaterialien zu bestauenen (siehe Bild). VAMM verringern zum Beispiel störenden Körperschall oder helfen dabei, Gerätschaften zu stabilisieren oder den Komfort in Fahrzeugen zu steigern.

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Das macht vibroaktustische Materialien so besonders

An vibroakustischen Metamaterialien werde aktuell weltweit geforscht. Der Vorteil: Mit ihnen können die Amplituden von schädlichen Strukturschwingungen, folglich auch von Lärmerzeugern, so tief und breitbandig reduziert werden, wie das mit konventionellen Maßnahmen praktisch nicht umsetzbar ist, betonen die Fraunhofer-Experten.

Konventionelle Ansätze zur Schwingungs- und Lärmreduktion, wie zum Beispiel Dämmmaterial, einzelne Tilger und akustische Resonatoren, könnten diese Probleme nur begrenzt lösen. Strukturen mit periodisch angeordneten Resonatoren hingegen (Aufmacherbild) können den Zielkonflikt zwischen Leichtbau und optimalem vibroakustischem Verhalten beseitigen.

Diese Metamaterialien werden als passive oder aktive lokale Resonatoren periodisch angeordnet, auf dem Bauteil aufgebracht, dessen Schwingungen reduziert werden sollen. Die lokalen Resonatoren werden auf die adressierte Eigenfrequenz abgestimmt und in Abständen befestigt, die kleiner sind als die halbe Wellenlänge der zu beeinflussenden Frequenz auf der Grundstruktur, heißt es. In diesem Frequenzbereich entstehen dann sogenannte Stoppbänder in der Übertragungsfunktion. Das sind Bereiche, in denen keine Wellenausbreitung möglich ist, wie die Forscher betonen.

Vibroakustische Metamaterialien systematisch entwickeln

Derzeit erfolge die Auslegung und Herstellung vibroakustischer Metamaterialien meist nicht wirklich systematisiert oder unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten. Das wollen Fraunhofer-Wissenschaftler ändern. Institutsübergreifende Forscherteams entwickeln in diesem Rahmen Auslegungskonzepte für Simulation und zur Herstellung von praxistauglichen passiven und aktiven vibroakustischen Metamaterialien. Anhand dieser Erkenntnisse wird man dann an einer Fahrzeugtür mit integrierten vibroakustischen Metamaterialien und an kompakten Schalldämpferkulissen das Ganze validieren, heißt es weiter.

Das Ziel heißt „virtuelle Toolbox“

Bisher wurden schon generische Methodiken zur Charakterisierung und numerischer Auslegung von vibroakustischen Metamaterialien entwickelt. Und mithilfe des Auslegungsprozesses wurden Konzepte speziell für die Fahrzeugtür und die Schalldämpferkulissen ausgelegt und gefertigt (meist ein Materialmix aus Metallen und Kunststoffen). Die gewonnenen Erkenntnisse aus den gefertigten Demonstratoren werden auch in der virtuellen Entwicklung berücksichtigt. Dies soll in eine virtuelle Toolbox einfließen, die das Design und die Optimierung von Strukturen als vibroakustische Metamaterialien auf unterschiedlichen Detaillierungsstufen ermöglicht.

Und unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) werden im Projekt „MetaVib“ außerdem numerische und experimentelle Methoden erarbeitet, um die Forschungslücke zu schließen, die im systematischen Auslegungsprozess für vibroakustische Metamaterialien noch klafft, und um die Materialien für die industrielle Anwendung nutzbar zu machen.

Praxisbezogener Austausch mit Experten

Ein kostenfreies Seminar namens „Vibroakustische Metamaterialien und deren Einsatzpotenziale“ wird übrigens am 23. November stattfinden. Es präsentiere aktuelle Entwicklungen und Trends zur Beeinflussung von Vibroakustik mittels Resonatoreffekt und richtet sich an Interessenten aus Industrie (Mobilität und Autobau), Maschinenbau, Energie, et cetera.Mehr Informationen zum Projekt.

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