Körperschall typischer Leichtbau-Strukturen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die detaillierte Untersuchung der Wellenausbreitung und der Dispersionseigenschaften, die in diesem Projekt durchgeführt wurde, ermöglicht einen tiefen Einblick in die Mechanismen der Körperschallausbreitung in typischen Leichtbauprofilen mit fachwerkähnlichem Kern. Die Theorie periodischer Systeme wurde zum ersten Mal in diesem Projekt verwendet, um diese Art von Profilen -/u untersuchen. Der Vorteil dieser Methode ist die deutliche Reduktion des Modellierungs- und Rechenaufwandes im Vergleich zu konventionellen Finite-Elemente-Berechnungen. Darüber hinaus können dabei direkt die Dispersionseigenschaften ermittelt werden. Sowohl theoretisch als auch experimentell wurde gezeigt, dass periodische Effekte wie Durchlass- und Sperrbereiche eine große Bedeutung für die Körperschallausbreitung typischer Leichtbauprofile haben. Ungedämpfte Wellenausbreitung kann nur in den Durchlassbereichen erfolgen, während freie ungedämpfte Wellenausbreitung in den Sperrbereichen unmöglich ist, da in diesen Bereichen nur abklingende Wellen {Nahfelder) vorhanden sind. Eine Untersuchung von Irregularitäten zeigte, dass der Einfluss auf das Schwingungsverhalten nicht von außerordentlicher Bedeutung ist, Sogar für recht hohe Abweichungen von der Periodizität von bis zu 10% zufälliger Längenabweichung bleibt das periodische Verhalten beim Plattenstreifen weitgehend erhalten. Es ist zu erwarten, dass dies ebenfalls für die Ausbreitung in Leichtbauplatten gilt. Die Wellenausbreitung bei tiefen Frequenzen (globale Schwingungen) kann für Profile mit Diagonalversteifung durch äquivalente Biegebalken oder Biegeplatten approximiert werden. Trotz des orthotropen geometrischen Aufbaus der Profile ist die Wellenausbreitung weitgehend isotrop in diesem Bereich, wenn diagonale Versteifungen vorhanden sind. Nur in dem Fall, wenn ausschließlich senkrechte Zwischenplatten verwendet werden, kann eine stark orthotropes Verhalten ermittelt werden. Dies ist gekennzeichnet durch deutlich höhere Wellenzahlen in Querrichtung, senkrecht zu den Zwischenplatten. Im höheren Frequenzbereich, wo lokale und globale Wellen auftreten, muss eine detaillierte Beschreibung des Kör per schall Verhaltens erfolgen, das die genaue Geometrie des Kerns berücksichtigt. Durch die Konzentration auf die ausbreitungsfähigen Wellen kann die Berechnung erzwungener Schwingungen vereinfacht werden. Dies gilt besonders für Berechnungen an der Leichtbauplatte, wo der Rechen- und Speicheraufwand deutlich reduziert werden kann. Nur wenn Nahfeld-Effekte von Interesse sind, sollte die komplette Wellenbasis erhalten bleiben. Die „Waveguide Finite Element" Methode (WFE) sollte angewandt werden, wenn eine seitlich begrenzte Ausdehnung der Leichtbauplatten vorhanden ist.1. Standard Finite- Elemente Software kann verwendet werden, um die Massen- und Steiftigkeitsmatrizen eines schmalen Querschnitts der Struktur zu ermitteln. Die Dispersionseigenschaften in Längsrichtung können dann in Kombination mit den zugehörigen Querverteilungen der Wellen ermittelt werden. Bei erzwungenen Berechnungen der in Längsrichtung unendlich ausgedehnten Strukturen kann so das generelle Verhalten der Struktur unabhängig von Resonanzeffekten in Längsrichtung untersucht werden. Dies ist besonders wertvoll für das generelle Design der Querschnittsprofile, da die tatsächlichen Längen vom Anwendungsfall abhängen. Bei endlicher Betrachtung würden Resonanzeffekte in Längsrichtung das genereile Strukturverhalten überlagern und die Interpretation erschweren. Die Dispersionseigenschaften von Leichtbauplatten mit Fachwerk-Kern zeigen, dass gerichtete Wellenausbreitung nicht nur wie bereits in der Literatur gezeigt für Strukturen mit zweidimensionaler Periodizität auftreten, sondern auch für diese Leichtbauplatten, bei denen eine Periodizität nur in Querrichtung vorhanden ist. Die starken periodischen Effekte, die am Plattenstreifen identifiziert wurden, bleiben auch im Fall der kompletten Platte in der entsprechenden Querrichtung erhalten. Im Gegensatz zum Plattenstreifen, wo die Wellenausbreitung und Körperschall-Leistungsübertragung in den Sperrbändern nahezu vollständig unterdrückt wird, reduziert sich dieses Verhalten bei der Betrachtung der Platten. Dies ist darauf zurückzuführen, dass auch in den seitlichen Sperrbändern ein Energiefluss in Längsrichtung entlang der Plattenstreifen erhalten bleibt. Abhängig von den Kopplungsmechanismen und variierend mit der Frequenz kommt es hierbei zu gerichteter, schräger Wellenausbreitung. Schräge Ausbreitung rindet vor allem bei Profilen mit diagonal versteiftem Kern statt, während bei ausschließlicher Vertikal Versteifung die Wellenausbreitung aufgrund der reduzierten seitlichen Kopplung hauptsächlich entlang der angeregten Plattenstreifen stattfindet. Das frequenzabhängige Durchlass- und Sperrverhalten bei eindimensionaler Ausbreitung wird sozusagen in räumliche Sperr- und Durchlassbereiche überführt, deren. Lage frequenzabhängig ist. Durch dieses Verhalten entstehen bei punkt-erregten Strukturen Bereiche mit sehr geringen Schwingungsamplituden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Investigation of the two-dimensional wave propagation in typical light-weight profiles. In Michael J. Brerinan, editor, IX International Conference on Recent Advances in Structural Dynamics. Institute of Sound and Vibration Research, University of Southampton, Southampton, UK, 2006
T. Kohrs and B.A.T. Petersson
- Wave guiding effects in light weight plates with trusslike core geometries. In 19th International Congress On Acoustics Madrid, 2-7 September 2007, 2007
T. Kohrs and B.A.T. Petersson
- Wave propagation in light weight profiles with truss-like cores: Wavenumber content, forced response and influence of periodicity perturbations. Journal of Sound and Vibration, 304(3-5):691-721, 2007
T. Kohrs and B.A.T. Petersson
- Experimentelle Bestimmung von Dispersionseigenschaften einer Leichtbau-Profilplatte. DAG A 2008, Dresden
C. Hoever, T. Kohrs, B.A.T. Petersson
- Wave propagation in typcial light weight plates with truss-like cores. Dissertation, 2008, Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Torsten Kohrs
