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Strukturintensitätsanalyse als Werkzeug der Maschinenakustik

Hering, Thorsten :
Strukturintensitätsanalyse als Werkzeug der Maschinenakustik.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Strukturintensitätsanalyse als Werkzeug der Maschinenakustik
Language: German
Abstract:

Im Fokus der Maschinenakustik steht die Beschreibung und Beeinflussung des von techni-schen Strukturen abgestrahlten Luftschalls. Die Wirkkette der Schallentstehung vom Spekt-rum der Erregerkräfte bis hin zur abgestrahlten Luftschallleistung wird von der maschinen-akustischen Grundgleichung modellhaft beschrieben. Hierbei wird jedoch das Körperschalltransferverhalten, also der Fluss der Schwingungsenergie von der Erregung durch die Struktur, als „Black Box“ betrachtet. Der Maschinenakustik fehlt sowohl in der wissenschaftlichen Analyse als auch bei der ingenieurmäßigen Konstruktion akustisch gestalteter Produkte ein Werkzeug für die Beurteilung und Ableitung von konstruktiven Maßnahmen zur Lärmminderung. Dafür ist eine Betrachtung der Strukturintensität, welche den Energietransport im Festkörper von der Quelle zur Senke beschreibt, geeignet. In dieser Arbeit wird ein methodisches Vorgehen auf Basis der Strukturintensität zur gezielten Gestaltung lokaler Impedanzen und Dämpfungsverteilungen innerhalb dünnwandiger flächiger Strukturen hergeleitet. Mit seiner Hilfe ist es möglich, akustische konstruktive Maßnahmen systematisch zu bewerten und auszulegen. Hierfür wird zunächst die Konvergenz der Strukturintensität bei modaler Superposition an den Beispielen einer KIRCHHOFF-Platte und eines EULER-BERNOULLI-Balkens untersucht. Dabei zeigt sich, dass je nach Genauigkeitsanforderungen und Ort auf der Struktur teils mehrere tausend Eigenschwingungen zu berücksichtigen sind. Numerische Studien ergeben weiter, dass der in der Literatur vernachlässigte Normalenanteil des Energieflusses bei dünnwandigen Strukturen etwa 1% beträgt. Transiente Berechnungen führen zu dem Schluss, dass bei qualitativer Betrachtung nach 100 bis 200 Schwingspielen von einem eingeschwungenen Zustand der Energieflüsse auszugehen ist, während dies bei quantitativer Bewertung nach ca. 1.000 Perioden der Fall ist. Zudem zeigt sich, dass bei mehrfach gekrümmten Strukturen die Bedeutung des oft vernachlässigten Energieflusses aus In-plane-Schwingungen zunimmt. Bei vielen realen Karosseriebauteilen aus dem Automobilbau dominieren diese sogar den Energiefluss. In-plane-Schwingungen stellen somit aufgrund ihrer Koppelung mit den Out-of-plane-Schwingungen einen wichtigen Ansatzpunkt zur Beeinflussung der Biegewellen dar. An den Beispielen einer Ölwanne und eines Gepäckraumbodens wird gezeigt, dass eine lokale Dämmung von In-plane-Schwingungen durch Impedanzsprünge in reduzierten Biegeschwingungen resultieren kann. Bei der Analyse und Optimierung der Verteilung von Dämpfungsbelägen auf dünnwandigen Strukturen stellt sich heraus, dass die Effekte der zusätzlichen Massen und Steifigkeiten durch die Beläge eine größere Auswirkung auf die globalen und lokalen Schwingamplituden haben als die zusätzliche Dämpfung.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Machine acoustics focuses on the description and modification of airborne sound radiated by vibrating machine structures. Sound generation and its mechanisms can be described by the fundamental equation of machine acoustics. This meta-model implements the transfer function of structure-borne sound as a “black box”. Thus, machine acoustics lacks a scientific tool for designing and evaluating structures that are optimized with respect to structure-borne sound. The presented work addresses the evaluation of sound transfer through real structures by analyzing the energy flow represented by the structure-borne sound intensity (SSI). A methodology is developed that enables the modification of sound transfer within real shell structures by adjusting local distributions of impedances and damping based on SSI calculations. This method enables the acoustic evaluation of alternative structure designs based on the analysis of sound transfer paths. In a first step, the convergence of SSI results is examined analytically using KIRCHHOFF plates and EULER-BERNOULLI beams. It is shown that the error of the modal superposition approach depends not only on the number of included modes and the frequency but also on the location on the structure where the SSI is calculated. Modal superposition shows poor convergence in several cases where less than 1000 superposed modes lead to errors of up to 10 percent. Further numerical studies confirm that normal components of the SSI of shells, which are neglected in common literature, are indeed neglectable in most cases as they account for approximately one percent of the total energy flow for a wide range of shell structures. Transient SSI calculations show that the energy flow attunes to a steady state after 100 to 200 periods for a qualitative result and after 1000 periods for a quantitative result. Additional studies on curved shells show that the energy flow resulting from in-plane vibrations is in general not neglectable. In cases of real multiply-curved shell structures such as car bodies, even small in-plane vibrations can dominate the transfer of structure-borne sound. Therefore, structural modifications that influence the transfer of in-plane vibrations prove to be viable means of affecting the coupled out-of-plane vibrations, which are responsible for sound radiation. Eventually, the derived methodology is applied to a vehicle oil pan and an underbody. By analyzing the SSI, parts of the structures are identified where local variations of impedances caused by modifications of local masses and stiffnesses, reduce the transmission of structure-borne sound and vibration amplitudes as well. Finally, studies on numerically optimized distributions of damping layers on shell structures show that the effects of the additional mass and stiffness on the vibration amplitudes exceed the effect of the additional damping.English
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Fachbereich Maschinenbau > Systemzuverlässigkeit und Maschinenakustik
Date Deposited: 19 Jun 2012 08:40
Last Modified: 07 Dec 2012 12:05
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-29913
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Hanselka, Prof. Dr.- Holger and Beidl, Prof. Dr. Christian
Refereed: 9 May 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2991
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