Ob in der Kabine eines modernen Passagierflugzeugs oder im Innenraum eines Autos – unerwünschter Lärm beeinträchtigt den Komfort der Passagiere. Dabei können verschiedene Beiträge des Lärms unterschieden werden. Zum einen wird Schall direkt über die Luft von Schallquellen übertragen bis hin zu den Stellen, wo er als störend (d.h. Lärm) wahrgenommen wird. Andererseits können Vibrationen in Strukturen als so genannter Körperschall übertragen werden. Erreichen die Vibrationen leichte und großflächige Strukturteile, werden diese zu Schallquellen und es wird dort Lärm in die Umgebung abgestrahlt. Um diesen Beitrag des Lärms effektiv zu reduzieren, müssen Ingenieure wissen, über welche Strukturbauteile Vibrationen von einer Quelle bis zu den Stellen der Lärmabstrahlung übertragen werden.
Die Ausbreitungswege von Vibrationen lassen sich mithilfe der kinetischen Energie der Schwingung ermitteln. Am Beispiel eines Flugzeugs lässt sich das leicht verdeutlichen: Eine der Hauptquellen für Vibrationen ist das Triebwerk. Ausgehend vom Anschlusspunkt am Flügel werden Vibrationen entlang des Flügels zur Flügelspitze und bis zum Rumpf übertragen. Sobald die Vibrationen im Rumpf ankommen, lässt sich nicht angeben, auf welchen Pfaden sich diese Vibrationen nun in der großen Rumpfstruktur ausbreiten.
Hierfür wird die Strukturintensität berechnet. Das ist eine Größe, mit deren Hilfe die Vibrationsausbreitung in einer Struktur visualisiert werden kann.
Die Strukturintensität (STI) wird für eine gegebene Struktur im Rahmen einer dynamischen Antwortberechnung mit einem Finite-Elemente-Modell aus dem Produkt der mechanischen Spannungen, die im Inneren der Struktur herrschen, und ihrer Schwingungsgeschwindigkeit gebildet.
Man kann sich STI wie einen Kompass für Schwingungen vorstellen: Sie ist innerhalb eines jeden Elements eine vektorielle Größe, die den Betrag und die Richtung des Transports kinetischer Energie anzeigt. Während eine einfache Antwortberechnung bzw. eine Schwingungsmessung nur zeigt, wie stark ein Punkt vibriert, verrät die STI die Richtung und die Größe des Energieflusses an einem Punkt in der Struktur. Indem diese Größe für einen definierten Bereich einer Struktur an mehreren Punkten berechnet wird, ergibt sich ein Feld aus Vektoren, das den Energiefluss zeigt. Am einfachsten lässt sich dies für eine Plattenstruktur visualisieren, bei der an einem Punkt eine Kraft zur Vibrationsanregung wirkt und an einem anderen Punkt ein Dämpfer die Vibrationen reduziert. Zwischen diesen beiden Punkten stellt sich ein Vektorfeld ein, das dem Verlauf der Vibrationsenergie bei einer einzelnen Frequenz entspricht.
Der Verlauf der Vibrationsenergie ist abhängig von der Frequenz sodass diese bei höheren Frequenzen zunehmend komplexer werden.
In der computergestützten Simulation (Finite-Elemente-Methode, kurz FEM) lässt sich diese Größe relativ einfach berechnen, da alle notwendigen Informationen über Schwingungsantworten und Spannungen im Material vorliegen. Im Rahmen von Experimenten ist das jedoch anders: Hier können Messsysteme wie Laser-Doppler-Vibrometer oder Beschleunigungssensoren nur die Bewegung der Oberfläche erfassen. Die entscheidenden Spannungen im Material können dadurch nicht quantifiziert werden.
Um den Energietransport auch im Experiment visualisieren zu können, wurde eine Hybrid-Methode entwickelt. Die Grundidee ist, reale Messdaten mit mathematischen Ansätzen aus der Simulationswelt zu kombinieren.
Durch diesen „Hybrid-Ansatz“ lassen sich bei hinreichender Dichte der Messpunkte die fehlenden inneren Spannungen hinreichend genau abschätzen, ohne dass extrem aufwendige Messtechnik, welche ins Materialinnere schaut, angewandt werden muss.
Um die Anwendbarkeit der Methode zu demonstrieren und deren Genauigkeit zu quantifizieren, führten die Forscher Experimente an einer speziell gefertigten Aluminiumplatte durch. Das Experiment wurde so aufgesetzt, dass sich zwischen zwei diskreten Punkten der Platte ein Energiefluss aus Vibrationen einstellt. Um das zu erreichen, wurden an den beiden Punkten elektrodynamische Shaker angebracht. Das sind kleine Geräte, mit denen eine Struktur gezielt zu Vibrationen angeregt werden können. Dieser Aufbau wurde auch in der FEM als Simulation nachgebaut und diente als Referenz.
Die Ergebnisse sind vielversprechend: Ein Vergleich zwischen den mit der Hybrid-Methode ausgewerteten Messdaten und einer vollständigen numerischen Simulation zeigte, dass die Richtung des Energieflusses mit einer Genauigkeit von über 95 % bestimmt werden konnte. Selbst komplexe Phänomene, wie z.B. kleine Wirbel im Energiefluss, wurden durch die Messungen mit guter Genauigkeit wiedergegeben.
Die Zielanwendung der Methode ist die Verbesserung des Kabinenkomforts durch Reduktion von Lärm infolge von Vibrationen. Im Rahmen von Messkampagnen wurden Vibrationsmessdaten am DLR-Forschungsflugzeug ISTAR aufgezeichnet. Diese konnten inzwischen erfolgreich mit dem Ansatz der Hybrid-Methode ausgewertet werden. Für das Experiment wurde eine Hälfte des Rumpfes mit hunderten Beschleunigungssensoren ausgestattet und anschließend die Vibrationen der Struktur infolge einer Shaker-Anregung am Triebwerk gemessen. Mithilfe der Hybrid-Methode konnte aus diesen Vibrationen ein Vektorfeld berechnet werden, das die Ausbreitung der Vibrationsenergie zeigt.
Die Bedeutung dieser Forschung für die Praxis ist groß. Wenn Ingenieure genau sehen können, wo Energie fließt, können sie Gegenmaßnahmen – wie etwa Dämpfungselemente (z.B. Constrained Layer Damping) – punktgenau dort platzieren, wo sie die größte Wirkung erzielen. Das spart Gewicht und Material, was besonders im Leichtbau von Flugzeugen und Fahrzeugen entscheidend ist. Die Hybrid-Methode bietet Forschern und Ingenieuren somit ein neuartiges Werkzeug, um die nächste Generation leiserer und effizienterer Verkehrsmittel zu entwickeln.
Sebastian F. Zettel, Abteilung Strukturdynamik und Systemidentifikation, DLR-Institut für Aeroelastik
