Modellierung und Design Akustischer Schwarzer Löcher

Im Rahmen eines akustikgerechten Konstruierens bieten unterschiedlichste Maßnahmen ein Potenzial zur Reduzierung der Schallabstrahlung. Werden diese Maßnahmen in die Wirkweisen Tilgung, Dämmung und Dämpfung eingeordnet, sind die Akustischen Schwarzen Löcher (ASL) dieser Arbeit den dämpfenden Maßnahmen zuzuordnen. Beim ASL wird die Struktur unter gleichzeitiger Applizierung dämpfender Beläge an einer definierten Stelle geschwächt. Dies führt zur Überhöhung der Schwingungsamplituden im Wellenfeld und damit zu einer lokal stark erhöhten Dissipation aufgrund der größeren Dehnungen. Hauptziel der Arbeit ist es, im Rahmen einer praktischen Betrachtung der Maßnahme Empfehlungen zur numerischen Modellierung und Gestaltung von ASL auf Basis von validen numerischen Parameterstudien abzuleiten. Dazu werden zunächst akustische Grundlagen, die numerische Modellierung mittels der FEM (Finite Elemente Methode) und analytische Modelle dämpfender Beläge vorgestellt. Auf eine Übersicht der wichtigsten Veröffentlichungen im Bereich der ASL folgt eine grobe Betrachtung fertigungstechnischer Grenzen sowie die Erklärung des Vorgehens beim Fertigen von Demonstratoren. Ob analytisches Modell oder numerische Simulation belasteter Bauteile, für die meisten Berechnungen, ob statisch oder dynamisch, sind Materialparameter als Eingangsgrößen essenziell. Daher stellt die Arbeit ein Verfahren zur Bestimmung frequenzabhängiger Elastizitätsmodule und Verlustfaktoren vor. Dies wird experimentell an Ein-, Zwei- und Dreischichtbalken demonstriert. Zusammen mit den analytischen Modellen dämpfender Beläge wird das Verfahren auch zur Bestimmung der Materialparameter von ein- und zweischichtigen Dämpfungsbelägen angewandt. Die ermittelten Materialeigenschaften fließen als Eingangsgrößen in die FE-Simulationen von ein und zweidimensionalen ASL-Strukturen des Hauptkapitels ein. Ein Vergleich zwischen experimentellen und simulativen Ergebnissen bestätigt eine realitätsnahe Modellierung und bildet die Grundlage für die Parameterstudien. In diesen Untersuchungen werden für ein- und zweidimensionale ASL die Mindestdicke und die Form der Dickenreduzierung variiert und die Wirkfrequenz des ASL durch analytische Gleichungen abgeschätzt. Am zweidimensionalen ASL wird weiter die Position des ASL auf der Struktur relativ zur Kraftanregung sowie der Einfluss seiner Größe betrachtet. Anhand numerischer und experimenteller Untersuchungen hinsichtlich des Einflusses des Durchmessers und der Kontur der ASL wird deren großes Potenzial aufgezeigt. Eine mögliche praxisorientierte Anwendung elliptischer ASL wird im Abschluss der Arbeit am Beispiel einer Ölwanne aus Aluminium-Druckguss betrachtet. Diese wird auf Basis der im vorherigen Kapitel zusammengefassten Designempfehlungen mit drei ASL versehen und deren Wirkung experimentell ermittelt.