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Entwicklung von Modifikationsregeln zur Reduktion der Schallabstrahlung dünnwandiger Strukturen im Entwicklungsprozess

Schaal, Clarissa (2018):
Entwicklung von Modifikationsregeln zur Reduktion der Schallabstrahlung dünnwandiger Strukturen im Entwicklungsprozess.
Darmstadt, Technische Universität, [Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8170],
[Ph.D. Thesis]

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.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2018
Creators: Schaal, Clarissa
Title: Entwicklung von Modifikationsregeln zur Reduktion der Schallabstrahlung dünnwandiger Strukturen im Entwicklungsprozess
Language: German
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.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Research group System Reliability, Adaptive Structures, and Machine Acoustics (SAM)
Date Deposited: 02 Dec 2018 20:55
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8170
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-81700
Referees: Melz, Prof. Dr. Tobias and Schäfer, Prof. Dr. Michael
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 23 October 2018
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
Acoustic problems such as a high sound radiation can arise later in the development process, e.g.,,due to a change of a component. Usually, at this stage, it is uneconomic to completely redesign the,product’s geometry, rather, it is better to implement small, locally limited modifications. In the case,of thin-walled structures it is common to apply damping patches to the finished product in order to,reduce the unwanted vibrations that occur and, thus, the radiated sound. The aim of this work is to,develop modification rules for dealing with acoustic problems of thin-walled structures. Using these,rules, the structures themselves can be modified during the development process in order to prevent unwanted vibrations from appearing at all. These rules are intended to indicate at which positions small modifications in the form of additional mass and/or stiffness result in a considerable reduction of the sound radiation. It would also be possible to include additional damping patches for a further noise reduction. There are two approaches that appear promising to derive such modification rules. Both are analyzed in this work, using the finite element method (FEM) – first on a plate and then for validation on a trunk floor panel (basic models). The first approach chosen is the analysis of the structural intensity (STI), which is the energy flow of structure-borne sound. There have been STI analysis approaches found in recent literature that exhibit a large potential for low-noise construction. The aim is to identify connections between the STI and the sound radiation, in order to derive modification rules. To do this, scalar quantities are first set up in order to reduce the information density and, thus, to characterize the STI vector fields and then correlated with the sound radiation. On the basis of the established correlations and including research results from the literature, a hypothesis for a modification rule is posed and tested. As for the second approach, it is practical to systematically examine the relationship between the position of a modification and the resulting sound radiation. First, the position of a localized modification is gradually varied on the two basis models of the plate and the trunk floor panel, in order to build up a model basis each. Then, the relationships between the positions and the resulting equivalent radiated sound power (ERP) are visualized by means of so-called ERP scalar fields. In order to develop the modification rules, it will subsequently be examined whether the ERP scalar fields can be used as "maps" to locate meaningful positions for larger and, therefore, more effective sound-reducing modifications. Lastly, it will be examined how the ERP scalar fields can be approximated by structural quantities of the basic models themselves and, thus, be directly predicted, without the effort of building up the model bases. The investigations show that the sound radiation of structures can indeed be evaluated by means of some scalar quantities derived from the STI analysis. Furthermore, the systematic analysis of the relationship between the position of modifications and the resulting sound radiation can be used to develop modification rules for sound reduction, which are then successfully validated experimentally as well as numerically. For the first time, it is possible to specifically determine where on a structure a small increase of mass and/or stiffness considerably reduces the sound radiation either during the development process or during alterations to the finished product. Moreover, the second approach presented is suitable for the use as a method for developing further modification rules by means of a systematic investigation of other modification types such as a removal of material.English
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