Prof. Dr.-Ing. Thomas Borchert

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Forschungsgebiet Resonatoren

 

Harmonisch körperschallerregte elastische Strukturen generieren an ihrer Oberfläche störenden Luftschall. Bild 1 zeigt dazu eine in ihrem ersten Resonanzmode schwingende Platte als FEM-Modell, deren Original das daneben dargestellte gemessene Frequenzspektrum erzeugt - der Luftschalldruckpegel der Resonanzfrequenz liegt bei 58 dB(A):

 

Bild 1: Harmonisch erregte Platte als Schallgenerator

 

Integrieren wir in diese Platte Resonatoren in Form schlanker, einseitig eingespannter Balken, Bild 3, welche mit ihrer 1. Eigenfrequenz auf die Erregerfrequenz abgestimmt sind, so reduzieren sich die schallgenerierenden Plattenschwingungs-Amplituden und die schallgebende Plattenfläche - der gemessene Resonanzpegel beträgt nur noch 8 dB(A):

 

Bild 2: Schallreduktion durch integrierte Plattenresonatoren

 

Dabei sind die Resonatoren wegen ihres kleinen Schallabstrahlgrades akustisch neutral. Zur Vermeidung von Koppelresonanzen tragen sie zudem eine additive Dämpfungsschicht.

 

 

Pkw-Motorhaube

 

Übertragen wir das einfache Plattenbeispiel auf ein reales System, z.B. auf eine Pkw-Motorhaube, deren Simualtionsmodell in Bild 3 dargestellt wird,

 

Bild 3: CAD-Modell einer Pkw-Motorhaube (Unterseite) 

 

so schwingt dieses Fahrzeugbauteil während der  Anregung durch den Motorbetrieb und erzeugt ein Schallwellenfeld in der Umgebungsatmosphäre. Nach der Modalanalyse der Haube mit der Finite-Elemente-Methode werden Resonatorbalken, s. Bild 4,

 



Bild 4: Finite-Elemente-Modell eines schwingenden adaptiven Resonators

 

 

auf die Amplitudenmaxima der zu bezielenden Schwingungsmoden numerisch adaptiert und so die Betriebsschwingungsamplituden der Motorhaube zu Gunsten der Amplituden der kleineren und schalltechnisch unkritischen Resonatoren reduziert. Bild 5 zeigt hierzu das potentiell luftschallgenerierende äussere Schwingungsfeld der Struktur ohne (oben) und mit innnenseitig applizierten Resonatoren im Vergleich:

 



Bild 5: Luftschicht erregendes Strukturschwingungsfeld der Motorhaube ohne (oben)     und mit innenseitigen Resonatoren

 

 

Die Reduktion des Fahrzeugstandgeräusches durch die Resonatorapplikation betrug 3 dB(A) (Luftschalldruckpegel 1m vor dem Fahrzeug).

 

Motorventildeckel

Bei einem erregerkraftnahen Einsatz der Resonatoren auf dem Motorventildeckel, Bilder 6 - 8, ergaben sich drehzahlabhängige Reduktionen des Fahrzeugstandgeräusches um bis zu 13 dB(A):

 



Bild 6: Simulationsmodell eines Pkw-Motorventildeckels

 

 



Bild 7: Betriebsschwingungssimulation des montierten Ventildeckels

 

 



Bild 8: Betriebsschwingungssimulation des Ventildeckels mit Resonatorkombination

 

 

U-Boot-Propeller

Besonders bedeutsam ist ein leises Betriebsverhalten für Unterseeboote. Zur Minimierung ihrer akustischen Signatur wenden wir die Resonatortechnologie einmal beispielhaft auf die Flügel des Antriebspropellers an.

Bild 9 zeigt hierzu ein CATIA-Modell des Propellers, Bild 10 die Kontur des mit Finiten Elementen diskretisierten Propellerflügels mit Nabenverbindung und Bild 11 dessen erste Eigenschwingungsform:

 



Bild 9: CATIA-Modell eines Schiffspropellers

 

 



Bild 10: FEM-Kontur-Darstellung eines Propellerflügels mit Nabe

 

 



Bild 11: 1. Eigenschwingung des nabenseitig eingespannten Propellerflügels

 

 

Werden durch die Betriebsdrehzahl des Propellers die Flügeleigenschwingungen angesprochen, so lassen sich die Resonanzamplituden, welche  zur Erhöhung der  Wasserschallabstrahlung des Bootes beitragen, durch die Integration eines Resonators in einen gießtechnisch zu realisierenden Hohlraum, wie er im Bild 12 zunächst numerisch-simulativ dargestellt wird, vermeiden; den auf die 1. Flügel-Eigenfrequenz abgestimmten Hohlraumresonator zeigt Bild 13:

 



Bild 12: Nabenseitig eingespannter Propellerflügel mit Resonatorkammer

 

 



Bild 13: Resonator zur Flügelhohlraumintegration

 

 

Führt nun die Anregung mit der Resonanzdrehzahl bei einem nabenseitig fest eingespannten Flügel zu einem der 1. Flügeleigenschwingungsform affinen Antwortschwingungsmode mit ausgeprägten Resonanzamplituden an der Flügelspitze, Bild 14,

 



Bild 14: Antwortschwingung des Flügels ohne Resonator

 

 

so lassen sich durch den flügelintegrierten Resonator die Schwingungsform und ihre Amplituden im Falle der Anregung mit der ursprünglichen Resonanzdrehzahl minimieren, Bild 15,

 



Bild 15: Antwortschwingung des Flügels mit integriertem Resonator

 

 

Die rechnerische lineare Amplitudenreduktion beträgt ca. 98 % (Basis Ausgangssystem).

Etwaige Resonanzamplituden drehzahlerregter Koppeleigenfrequenzen, wie sie durch den Resonatoreinbau generiert werden, lassen sich durch eine dezidierte Resonatordämpfung vermeiden.

Die Resonatortechnologie wird mit Studierenden des Maschinen- und Fahrzeugbaus (die vorstehenden Beispiele entstammen Studien-, Diplom- und Bachelorarbeiten von Emilie Debauche, Axelle Louise, Guillaume Pluchet und Nathalie Rubini) kontinuierlich weiterentwickelt, um durch die integrativen und damit masseneutralen, frequentiell breitbandeffizienten Resonatorvarianten konstruktiv und fertigungstechnisch einfache und kostengünstige Beiträge zur Lärmreduktion von Maschinen und Anlagen, Fahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen realisieren zu können.

 

Literatur / Filmdokument / Patent:

 

Breitbandeffiziente Resonatoren zur Schwingungs- und Schallreduktion technischer Systeme

Körperschallreduktion im Schiffbau

Schwingungs- und Schallreduktion technischer Systeme mit Resonatoren

WIPO Patentscope - Recherche in nationalen und internationalen Patentsammlungen

 

 

Kontakt:

Prof. Dr.-Ing. Thomas Borchert

Fachhochschule Dortmund
Fachbereich Maschinenbau

Institut für Maschinenbaugrundlagen
Labor für Maschinenakustik
Tel.: 0231-9112-292, -298
e-mail: thomas.borchert@fh-dortmund.de