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Schwingungs- und Lärmreduktion an Kreissägeblättern mit strukturintegrierten vibroakustischen Metamaterialien

Rieß, Sebastian Werner (2024)
Schwingungs- und Lärmreduktion an Kreissägeblättern mit strukturintegrierten vibroakustischen Metamaterialien.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027881
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Schwingungs- und Lärmreduktion an Kreissägeblättern mit strukturintegrierten vibroakustischen Metamaterialien
Language: German
Referees: Melz, Prof. Dr. Tobias ; Döpper, Prof. Dr. Frank
Date: 10 September 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xvii, 157 Seiten
Date of oral examination: 10 July 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00027881
Abstract:

Kreissägen sind aufgrund ihrer einfachen Bedienbarkeit und hohen Schnittleistung in Industrie und Handwerk weit verbreitet. Der Lärm beim Sägen entsteht maßgeblich durch Schwingungen des Stammblatts und belastet die bedienende Person sowie Personen im direkten Umfeld. Konventionelle Maßnahmen zur Reduktion des Sägelärms reichen oft nicht aus, um die gesetzlich definierte Auslöseschwelle für den Tageslärmexpositionspegel zu unterschreiten. Aus diesem Grund sind neuartige Lärmreduktionsmaßnahmen erforderlich. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird das Prinzip vibroakustischer Metamaterialien (VAMM) auf Kreissägeblätter angewendet, mit dem Ziel die Stammblattschwingungen und den abgestrahlten Schall zu reduzieren. VAMM bestehen aus einem Resonator-Array, das zur Ausbildung eines Stoppbandfrequenzbereichs für elastische Wellen führt und werden bereits zur Schwingungs- und Lärmreduktion an nicht rotierenden Strukturen erforscht. Die vorliegende Arbeit adressiert das bislang unbekannte Verhalten von VAMM in rotierenden, plattenartigen Systemen. Üblicherweise werden VAMM durch das Aufbringen von Resonatoren auf die zu beruhigende Struktur realisiert, was für Sägeblätter ungeeignet ist. Daher werden im Rahmen der Arbeit die Grundlagen für die Anwendung einer neuartigen Klasse von VAMM, sogenannter strukturintegrierter VAMM, geschaffen, die durch das Herausarbeiten von Resonatoren aus der zu beruhigenden Struktur realisiert werden. Die speziellen Eigenschaften strukturintegrierter VAMM werden anhand analytischer Rechnungen und numerischer Parameterstudien analysiert. Es wird gezeigt, dass strukturintegrierte VAMM zu einer Reduktion der Biegesteifigkeit der Zielstruktur führen, jedoch breitere Stoppbänder ohne das Hinzufügen von zusätzlicher Masse ermöglichen. Das Verhalten strukturintegrierter VAMM in rotierenden Systemen wird experimentell am Beispiel einer Kreisplatte untersucht. Das Stoppband ist auch bei Drehzahlen von 3000 U/min nachweisbar und bleibt über der Drehzahl konstant. Schließlich wird ein Sägeblatt mit einem Durchmesser von 305 mm mit VAMM numerisch ausgelegt, gefertigt und experimentell, hinsichtlich des strukturdynamischen Verhaltens und der akustischen Abstrahlung, im nicht rotierenden und rotierenden Zustand sowie beim Sägen untersucht. Das Stoppband wird auf den Frequenzbereich von 1900 Hz bis 2300 Hz ausgelegt, da das Sägeblatt hier beim Sägen die höchsten Schallleistungspegel emittiert. Verglichen werden das VAMM-Sägeblatt sowie das VAMM-Sägeblatt in einer gedämpften Ausführung mit einem konventionellen und einem nach Stand der Technik lärmreduzierten Sägeblatt. Für das nicht rotierende Sägeblatt wird innerhalb des gemessenen Stoppbandbereichs von 1900 Hz bis 2500 Hz eine Amplitudenreduktion für Strukturschwingungen von > 20 dB gegenüber dem konventionellen Sägeblatt erreicht. Unter Rotation wird das Stoppband bis 3000 U/min in Strukturdynamikmessungen nachgewiesen. Die Schallleistung des nicht rotierenden Sägeblatts bei Anregung mit einem Impulshammer wird im Stoppbandbereich um bis zu 17,8 dB(A) gegenüber dem konventionellen Sägeblatt reduziert. Beim Sägen wird eine Reduktion des Gesamtschallleistungspegels um 7,1 dB(A) erzielt. Die maximale Reduktion der Schallleistung wird bei etwa 2000 Hz und erhöhten Zahnquerkräften erreicht und beträgt 16,8 dB(A). Die Reduktion der Strukturschwingungen und des abgestrahlten Schalls durch VAMM ist größer als die Reduktion, welche mit dem nach Stand der Technik lärmreduzierten Sägeblatt erzielt wird. Die vorliegende Arbeit leistet einen direkten Beitrag zur Entwicklung einer neuartigen Technologie zur Reduktion des Lärms beim Sägen. Ferner sind die Ergebnisse auf zahlreiche weitere Anwendungsfälle übertragbar, in welchen Transversalschwingungen dünnwandiger Rotoren reduziert werden sollen. Der Stand der Wissenschaft und Technik wird hinsichtlich der Auslegung und der Eigenschaften strukturintegrierter VAMM, deren Verhalten in rotierenden Systemen und deren Anwendung auf Kreissägeblätter erweitert.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Circular saws are widely used in industry and trade due to their ease of handling and high cutting performance. The noise during sawing mainly originates from vibrations of the saw blade and stresses both the operator and people in the direct environment. Conventional measures for noise reduction on saw blades are often insufficient to undercut the action values defined by regulations for the daily noise exposure levels. Therefore, novel measures for noise reduction on saw blades are required. In this study, the principle of vibroacoustic metamaterials (VAMM) is applied to circular saw blades to reduce the blade’s vibration and, consequently, the radiated sound. VAMM consist of an array of resonators that leads to a stop band frequency range for elastic waves and are already investigated for noise and vibration reduction in nonrotating structures. The present work addresses the behavior of VAMM in rotating disk-shaped systems, which has not been examined yet. Commonly, VAMM are realized by adding resonators to the target structure, which is not suitable for the use on saw blades. Therefore, the fundamentals for the application of a new class of VAMM, so-called structurally integrated VAMM, are created within this study. Structurally integrated VAMM are obtained by carving resonators out of the target structure. The distinct properties of structurally integrated VAMM are examined analytically and by a numerical parameter study. It is demonstrated, that structurally integrated VAMM lead to a reduction in the bending stiffness of the target structure but, at the same time, enable wider stop bands without adding extra mass. The behavior of structurally integrated VAMM in rotating systems is investigated experimentally on the basis of a circular disk. The stop band is still present at 3000 rpm and does not change with increasing rotational speed. Eventually, a saw blade with a diameter of 305 mm is numerically designed with VAMM, manufactured and experimentally investigated regarding its structural dynamic behavior and acoustic emission in the nonrotating and rotating state as well as during sawing. The stop band is tuned to a frequency range of 1900 Hz to 2300 Hz, since the saw blade emits the largest sound power amplitudes within this range during sawing. The study compares the VAMM saw blade and a damped version of the VAMM saw blade with a conventional and a state-of-the-art noise-reduced saw blade. For the nonrotating saw blade, an amplitude reduction for structural vibrations within the measured stop band frequency range from 1900 Hz to 2500 Hz of more than 20 dB is achieved in comparison to a conventional saw blade. In the rotating system, the stop band is verified up to 3000 rpm by structural dynamics measurements. The radiated sound power of the nonrotating saw blade, caused by excitation with an impulse hammer, can be reduced by up to 17.8 dB(A) within the stop band range compared to the conventional saw blade. During sawing a reduction of the overall sound power level of 7.1 dB(A) is achieved. The maximum reduction during sawing is 16.8 dB(A) which is achieved at around 2000 Hz with increased lateral tooth forces. The reduction of the structural vibrations and the emitted sound achieved with VAMM is larger than the reduction by the state-of-the-art noise-reduced saw blade. The present work directly contributes to the development of a new technology for the reduction of the noise during sawing. Furthermore, the results are transferable to many other applications where transverse vibrations of thin-walled rotating structures have to be reduced. The state of the art in science and technology is extended with regard to the design and properties of structurally integrated VAMM, their behavior in rotating systems and their application to circular saw blades.

English
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-278815
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 600 Technology
600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
600 Technology, medicine, applied sciences > 670 Manufacturing
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Research group System Reliability, Adaptive Structures, and Machine Acoustics (SAM)
Date Deposited: 10 Sep 2024 12:51
Last Modified: 11 Sep 2024 06:31
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/27881
PPN: 521313759
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