Schallschutz mit vibroakustischen Metamaterialien
Gewinnerlösung
Schallschutz mit vibroakustischen Metamaterialien
Am Fraunhofer LBF werden aktuell vibroakustische Metamaterialien als neuartige Maßnahme zur Schwingungsminderung erforscht. Vibroakustische Metamaterialien sind keine Materialien im eigentlichen Sinne, sondern sie bestehen aus einer periodischen Anordnung von kleinen, in einem Array verteilten Resonatorstrukturen, die für sich genommen aus mehreren Materialien aufgebaut sind. Hierbei muss die Größenordnung der Resonatoren kleiner sein als die halbe Wellenlänge der zu reduzierenden Schwingung. Durch ihr spezielles Design entsteht ein gezielt einstellbares strukturdynamisches Verhalten, das atypisch zu klassischen Materialien ist. Im Speziellen lässt sich mit vibroakustischen Metamaterialien die Transmission durch Schallschutzwände in einem breiten Frequenzbereich beinahe vollständig auslöschen. Eintreffender Luftschall wird in Körperschall gewandelt, der durch die Schalschutzwand nicht weitergeleitet, sondern absorbiert wird.
Der übliche Aufbau eines vibroakustischen Metamaterials besteht in einer periodischen Anordnung von Resonatoren, die aus einer Federsteifigkeit und einer Masse aufgebaut sind. Im Bereich oberhalb der Resonanzfrequenz der Resonatoren entsteht ein Stoppband, das keine Transmission durch das vibroakustische Metamaterial zulässt. Praktische am Fraunhofer LBF bereits umgesetzte Resonatoren bestehen aus Federsteifigkeiten in Form von Elastomeren, Membranen oder Biegebalken aus Stahl oder Polymeren. Durch den Einsatz von unterschiedlich abgestimmten Resonatoren oder das Einbringen von Dämpfung lassen sich sehr breite Stoppbänder erzeugen, die den sehr breitbandigen Straßenlärm effektiv reduzieren können. Schallschutzwände an Autobahnen können als Metamaterialstruktur ausgebildet werden, indem eine Vielzahl oben beschriebener periodisch angeordneter Resonatoren integriert werden oder die ganze Wand aus solchen Resonatoren aufgebaut wird.
Am Fraunhofer LBF werden vibroakustische Metamaterialien für verschiedene Anwendungen und in verschiedenen Dimensionen untersucht, sowohl in Fraunhofer-internen Forschungsprojekten (z.B. Projekt MetaVib) als auch in öffentlich geförderten Forschungsprojekten (z.B. Verbundprojekt SilentRunning, Förderung durch BMWi). Die Expertise der Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut LBF erstreckt sich von der Konzeptionierung, der Simulation und der Auslegung bis hin zum prototypischen Aufbau entsprechender Strukturen. In Projekten mit Bezug zu bautechnischen Anwendungen besteht enger Kontakt zum Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP, an dem auch entsprechende Versuchseinrichtungen zur Charakterisierung von Schallschutzkomponenten vorhanden sind.
In Bezug auf den Kontext Lärmschutz an Autobahnen wird zunächst die Realisierung eines skalierten Labordemonstrators angestrebt, dessen Fertigung und experimentelle Charakterisierung am Fraunhofer LBF und gegebenenfalls weiteren Instituten der Fraunhofer-Gesellschaft erfolgen kann.
Der übliche Aufbau eines vibroakustischen Metamaterials besteht in einer periodischen Anordnung von Resonatoren, die aus einer Federsteifigkeit und einer Masse aufgebaut sind. Im Bereich oberhalb der Resonanzfrequenz der Resonatoren entsteht ein Stoppband, das keine Transmission durch das vibroakustische Metamaterial zulässt. Praktische am Fraunhofer LBF bereits umgesetzte Resonatoren bestehen aus Federsteifigkeiten in Form von Elastomeren, Membranen oder Biegebalken aus Stahl oder Polymeren. Durch den Einsatz von unterschiedlich abgestimmten Resonatoren oder das Einbringen von Dämpfung lassen sich sehr breite Stoppbänder erzeugen, die den sehr breitbandigen Straßenlärm effektiv reduzieren können. Schallschutzwände an Autobahnen können als Metamaterialstruktur ausgebildet werden, indem eine Vielzahl oben beschriebener periodisch angeordneter Resonatoren integriert werden oder die ganze Wand aus solchen Resonatoren aufgebaut wird.
Am Fraunhofer LBF werden vibroakustische Metamaterialien für verschiedene Anwendungen und in verschiedenen Dimensionen untersucht, sowohl in Fraunhofer-internen Forschungsprojekten (z.B. Projekt MetaVib) als auch in öffentlich geförderten Forschungsprojekten (z.B. Verbundprojekt SilentRunning, Förderung durch BMWi). Die Expertise der Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut LBF erstreckt sich von der Konzeptionierung, der Simulation und der Auslegung bis hin zum prototypischen Aufbau entsprechender Strukturen. In Projekten mit Bezug zu bautechnischen Anwendungen besteht enger Kontakt zum Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP, an dem auch entsprechende Versuchseinrichtungen zur Charakterisierung von Schallschutzkomponenten vorhanden sind.
In Bezug auf den Kontext Lärmschutz an Autobahnen wird zunächst die Realisierung eines skalierten Labordemonstrators angestrebt, dessen Fertigung und experimentelle Charakterisierung am Fraunhofer LBF und gegebenenfalls weiteren Instituten der Fraunhofer-Gesellschaft erfolgen kann.
Mehrwert
Das Konzept der vibroakustischen Metamaterialien stellt einen innovativen Ansatz zur Entwicklung neuartiger Strukturen mit maßgeschneiderten Vibrations- und Akustikeigenschaften dar.
Gerade die Reduktion tieffrequenter Schallanteile stellt eine Herausforderung bei der Entwicklung von Schallschutzwänden dar. Übliche Maßnahmen zur Schallreduktion wie beispielsweise Absorberkeile müssen Abmessungen im Bereich der Größenordnung der zu reduzierenden Wellenlängen besitzen. Hierdurch ergeben sich für niedrige Frequenzen sehr große bauliche Strukturen. Dagegen kann bei vibroakustischen Metamaterialien die Größenordnung der Resonatoren kleiner als die Wellenlänge des zu absorbierenden Schalls sein. Hierdurch eignen sich vibroakustische Metamaterialien im Besonderen zur Reduktion tieffrequenten Schalls.
Üblicherweise sind absorbierende Schallschutzwände nicht durchsichtig, da transparente Materialien wie Glas schlechte akustische Eigenschaften haben. Mit vibroakustischen Metamaterialien ergibt sich die Möglichkeit diesen Zielkonflikt aufzulösen und weitestgehend transparente (Glas-)Strukturen mit aufgeprägten Resonatoren herzustellen.
Darüber hinaus ist die Wirkungsweise von vibroakustischen Metamaterialien materialunabhängig. Somit kann die Materialwahl flexibel an immer wichtiger werdende Anforderungen, wie z. B. die Nachhaltigkeit und die Recyclingfähigkeit angepasst werden.
Gerade die Reduktion tieffrequenter Schallanteile stellt eine Herausforderung bei der Entwicklung von Schallschutzwänden dar. Übliche Maßnahmen zur Schallreduktion wie beispielsweise Absorberkeile müssen Abmessungen im Bereich der Größenordnung der zu reduzierenden Wellenlängen besitzen. Hierdurch ergeben sich für niedrige Frequenzen sehr große bauliche Strukturen. Dagegen kann bei vibroakustischen Metamaterialien die Größenordnung der Resonatoren kleiner als die Wellenlänge des zu absorbierenden Schalls sein. Hierdurch eignen sich vibroakustische Metamaterialien im Besonderen zur Reduktion tieffrequenten Schalls.
Üblicherweise sind absorbierende Schallschutzwände nicht durchsichtig, da transparente Materialien wie Glas schlechte akustische Eigenschaften haben. Mit vibroakustischen Metamaterialien ergibt sich die Möglichkeit diesen Zielkonflikt aufzulösen und weitestgehend transparente (Glas-)Strukturen mit aufgeprägten Resonatoren herzustellen.
Darüber hinaus ist die Wirkungsweise von vibroakustischen Metamaterialien materialunabhängig. Somit kann die Materialwahl flexibel an immer wichtiger werdende Anforderungen, wie z. B. die Nachhaltigkeit und die Recyclingfähigkeit angepasst werden.
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