Schaal, Clarissa (2018)
Entwicklung von Modifikationsregeln zur Reduktion der Schallabstrahlung dünnwandiger Strukturen im Entwicklungsprozess.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Treten im fortgeschrittenen Entwicklungsprozess Akustikprobleme in Form zu hoher Schallabstrahlung auf – bspw. durch den Einsatz einer neuen Produktkomponente –, ist eine Neuauslegung der Produktgeometrie meist nicht wirtschaftlich – kleinere, lokal begrenzte Modifikationen sind es hingegen schon. Bei dünnwandigen Strukturen werden bisher am fertigen Produkt häufig Dämpfungsbeläge appliziert, um die auftretenden unerwünschten Schwingungen zu vermindern und damit die Schallabstrahlung zu reduzieren. Ziel dieser Arbeit ist es, Modifikationsregeln zu entwickeln, die noch im Entwicklungsprozess aufzeigen, an welchen Positionen dünnwandige Strukturen selbst so verändert werden sollten (kleine Massen- und/oder Steifigkeitserhöhungen), dass die unerwünschten Schwingungen erst gar nicht oder nur in abgeschwächter Form entstehen. Das Aufbringen von Dämpfungsbelägen für eine weitere Schallreduktion wäre weiterhin möglich. Zwei vielversprechende Ansätze, um solche Modifikationsregeln abzuleiten, werden in dieser Arbeit mittels der Finite- Elemente-Methode (FEM) an den Modellen einer Platte und eines Gepäckraumbodens untersucht.

Ein Ansatz ist die Analyse der Strukturintensität (STI) – der Energiefluss des Körperschalls –, da dieser Ansatz gemäß der Literatur ein großes Potenzial für die lärmarme Konstruktion aufweist. Dabei werden zunächst Zusammenhänge zwischen der STI und der Schallabstrahlung ermittelt, um daraus Modifikationsregeln abzuleiten. Hierzu werden zur Reduktion der Informationsdichte und damit zur Charakterisierung der STI-Vektorfelder skalare Kenngrößen aufgestellt und mit der Schallabstrahlung korreliert. Anhand der ermittelten Zusammenhänge und unter Einbeziehung von Forschungsergebnissen aus der Literatur wird eine Hypothese für eine Modifikationsregel aufgestellt und untersucht.

Im zweiten Ansatz werden systematisch die Zusammenhänge zwischen der Position einer Modifikation und der resultierenden Schallabstrahlung untersucht. Dafür wird zunächst die Position einer lokal begrenzten Modifikation schrittweise auf den Basismodellen Platte und Gepäckraumboden variiert, um jeweils eine Modellbasis aufzubauen. Anschließend werden die Zusammenhänge zwischen den Positionen und der jeweils resultierenden äquivalent abgestrahlten Schallleistung (ERP) mittels sogenannter ERP-Skalarfelder visualisiert. Zur Entwicklung der Modifikationsregeln wird in der Folge überprüft, ob die ERP-Skalarfelder als „Landkarten“ zur Lokalisierung sinnvoller Positionen für flächige und damit praxisnahe schallreduzierende Modifikationen verwendet werden können. Im Anschluss daran wird untersucht, wie sich die ERP-Skalarfelder durch Strukturgrößen der Basismodelle approximieren und somit direkt, ohne den aufwändigen Aufbau einer Modellbasis, vorhersagen lassen.

Die Untersuchungen zeigen, dass mittels einiger aus der STI-Analyse stammender skalarer Kenngrößen die Schallabstrahlung von Strukturen bewertet werden kann. Weiterhin können anhand der systematischen Analyse des Zusammenhangs zwischen der Position von Modifikationen und der resultierenden Schallabstrahlung Modifikationsregeln für eine Schallreduktion entwickelt und sowohl numerisch als auch experimentell erfolgreich validiert werden. Erstmals wird es dadurch möglich, im Entwicklungsprozess oder im Rahmen von Korrekturen am fertigen Produkt gezielt bestimmen zu können, wo bei einer Struktur eine kleine Massen- und/oder Steifigkeitserhöhung die Schallabstrahlung deutlich reduziert. Darüber hinaus ist die vorgestellte Vorgehensweise geeignet, um als Methode zur Entwicklung weiterer Modifikationsregeln – systematische Untersuchung anderer Modifikationsarten wie z. B. einer Materialwegnahme – verwendet zu werden.

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