ABSORBED -Akustische Schwarze Löcher zur Schwingungsreduktion

An dynamisch belastete Systeme werden immer höhere Anforderungen hinsichtlich Dauerhaltbarkeit und Komfort gestellt. Dies zeigt sich besonders in den Anforderungen der Nutzer:innen an das NVH-Verhalten (Noise, Vibration & Harshness) der von ihnen genutzten Maschinen und Geräte in dem Kontext, dass Lärmbelastungen zu psychischen und physischen Problemen führen. Ein generelles Ziel der Forschung in diesem Bereich ist es, auftretende Schwingungen mit minimalem Materialeinsatz, geringer Zusatzmasse und geringem Platzbedarf wirksam zu vermeiden.
Herkömmliche Methoden zur Schwingungsreduktion verwenden in der Regel verschiedene Versteifungs- und Dämpfungskonzepte, um breitbandige Anregungen zu reduzieren, wobei für niedrige Frequenzbereiche oft eine hohe zusätzliche Masse eingebracht werden muss, um eine ausreichende Amplitudenreduktion zu erreichen. Werden zusätzlich wirtschaftliche Aspekte und die Ausfallsicherheit schwingungsdämpfender Systeme berücksichtigt, stoßen herkömmliche, etablierte Dämpfungskonzepte an ihre Grenzen.
Im Rahmen des geplanten Projektes soll das theoretische und im Labormaßstab erprobte Konzept der Strukturberuhigung mit akustischen Schwarzen Löchern in die Praxis umgesetzt und anwendbar gemacht werden.
Der Ausdruck "akustisches schwarzes Loch" (ASL) beschreibt eine passive Methode zur Vibrationsdämpfung. Ausgangspunkt ist eine dünnwandige Struktur, bei der die Dicke der Platte in Anhängigkeit der Plattenlänge konsequent nach einem Potenzgesetz abnimmt. Diese lokale Abnahme der Steifigkeit führt zu einer gleichförmigen Verminderung der Wellengeschwindigkeit. Bei Betrachtung eines idealen ASL-Systems mit einer Struktur, deren Dicke gegen Null tendiert, erreicht die Wellengeschwindigkeit am Endpunkt ebenfalls Null, wodurch Reflexion vermieden wird. Als Resultat akkumuliert sich Energie an dieser Stelle und kann durch Dämpfungseffekte effektiv dissipiert werden.
Die Verwendung von akustischen schwarzen Löchern kann einen erheblichen Nachteil darstellen, da sie die Grundstruktur durch Verringerung der Materialdicke beeinträchtigen. Diese Dickenreduzierung kann wiederum die Schutzfunktionen von Strukturen wie Gehäusen erheblich einschränken. Die statischen Eigenschaften der Bauteile werden stark beeinflusst, was eine große Herausforderung für die Konstruktion darstellt. Folglich hat die Integration von akustischen Schwarzen Löchern einen erheblichen Einfluss auf das Design von Bauteilen, die häufig einer umfassenden Neukonstruktion unterzogen werden müssen, um die erforderliche strukturelle Integrität und Sicherheit zu gewährleisten.
Um den genannten Herausforderungen zu begegnen, bietet es sich an, die ASL nicht direkt in die Grundstruktur der Bauteile zu integrieren, sondern als ASL-Dämpfungselemente auf die Oberfläche der Struktur aufzubringen. Dieser Ansatz ermöglicht es, die gewünschten Dämpfungseffekte zu erzielen, ohne die Materialdicke der Grundstruktur zu reduzieren und damit potenzielle Schutzfunktionen einzuschränken.

ABSORBED - Acoustic Black holeS fOR viBration rEDuction

Increasing demands are being placed on dynamically loaded systems in terms of durability and comfort. This is particularly evident regarding the NVH (noise, vibration and harshness) behavior of the machines that leads to noise pollution, which can cause mental and physical problems. A general goal research in this field is to effectively avoid vibrations with minimal use of materials, low additional mass and low space requirements.
Conventional vibration reduction methods generally use various stiffening and damping concepts to reduce broadband excitations, whereby a high additional mass often has to be introduced for low frequency ranges in order to achieve sufficient amplitude reduction. If economic aspects and the reliability of vibration damping systems are also taken into account, conventional, established damping concepts reach their limits.
As part of the planned project, the theoretical concept of structure calming with acoustic black holes, which has been tested on a laboratory scale, is to be implemented in practice and made applicable.
The term “acoustic black hole” (ASL) describes a passive method of vibration damping. The starting point is a thin-walled structure in which the thickness of the plate decreases consistently according to a power law as a function of the plate length. This local decrease in stiffness leads to a uniform reduction in shaft velocity. When considering an ideal ASL system with a structure whose thickness tends towards zero, the wave velocity also reaches zero at the end point, thus avoiding reflection. As a result, energy accumulates at this point and can be effectively dissipated by damping effects.
The use of acoustic black holes can be a significant disadvantage as they affect the basic structure by reducing the thickness of the material. This reduction in thickness can in turn significantly limit the protective functions of structures such as enclosures. The static properties of the components are strongly influenced, which represents a major challenge for the design. Consequently, the integration of acoustic black holes has a significant impact on the design of components, which often need to undergo extensive redesign to ensure the required structural integrity and safety.
In order to meet the aforementioned challenges, it makes sense not to integrate the ASL directly into the basic structure of the components, but to apply them as ASL damping elements to the surface of the structure. This approach makes it possible to achieve the desired damping effects without reducing the material thickness of the basic structure and thus restricting potential protective functions.