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Bewertung adaptiver Strukturen auf Basis der Strukturintensität

Buckert, Sebastian :
Bewertung adaptiver Strukturen auf Basis der Strukturintensität.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Bewertung adaptiver Strukturen auf Basis der Strukturintensität
Language: German
Abstract:

Ziel der Maschinenakustik ist die Reduktion der Schallabstrahlung durch die systematische Beeinflussung des Körperschalls in technischen Strukturen. Für den gezielten Einsatz konstruktiver Maßnahmen ist es von großer Bedeutung, den Weg der Körperschallenergie in der Struktur genau zu kennen. Mittels Berechnung der Strukturintensität (STI) ist es möglich, den Fluss der Körperschallenergie, von der Erregung bis zur schallabstrahlenden Oberfläche der Struktur, zu charakterisieren und visualisieren. Durch Anwendung der STI in der Konstruktion kann der systematische Einsatz passiver und aktiver Lärmminderungsmaßnahmen wirkungsvoll unterstützt werden. Dies ist besonders bei der Entwicklung von Leichtbaustrukturen wichtig, da so die durch Maßnahmen zur Schwingungsminderung zusätzlich eingebrachte Masse minimiert werden kann. Ziel dieser Arbeit ist es, Methoden zu entwickeln, um die Wirksamkeit dieser Maßnahmen energetisch bewerten zu können. Hierfür wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem auch im Experiment der Betrag und die Richtung des STI-Vektors richtig bestimmt werden können. Damit ist es sowohl in der numerischen als auch in der experimentellen Simulation erstmals möglich, aus der STI die Leistung zu bestimmen, die beispielsweise ein Aktor eines aktiven Systems der Struktur zuführt. So kann geklärt werden, welcher Anteil der Schwingungsenergie im System dissipiert und welcher Anteil durch die Struktur übertragen wird und letztlich Schallabstrahlung hervorruft. Da es eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren zur Berechnung der STI gibt, wurde zuerst ein Verfahren identifiziert, das für die geplanten Untersuchungen optimal geeignet ist. Dafür wurden mittels einer Monte-Carlo-Simulation die Fehler der numerischen Verfahren in Bezug auf die analytische Lösung der STI in Abhängigkeit von der Diskretisierung und der Frequenz untersucht. Um den STI-Verlauf in numerischen Simulationen richtig zu berechnen, muss die Dissipation im System sehr genau modelliert werden. Da dies für komplexe Strukturen wie z. B. einen Kofferraumunterboden eines Pkw nur schwer möglich ist, ist es wichtig, als Referenz die STI aus Messdaten korrekt bestimmen zu können. In experimentellen Untersuchungen zeigt sich jedoch, dass kleinste Fehler in der Phase der aufgezeichneten Daten zu großen Abweichungen in Betrag und Richtung des STI-Vektors führen. Die Fehler in der STI treten dabei maßgeblich bei tiefen Frequenzen auf. Eine wesentliche Verbesserung der Ergebnisse konnte durch eine örtliche Mittelung der Messdaten erreicht werden. Aufbauend auf diesen Ergebnissen kann in der numerischen und experimentellen Simulation mit geschlossenen Integralen um Quellen und Senken aus der STI die Leistung berechnet werden, die der Struktur zugeführt oder entzogen wird. Die wesentlichen Einflussfaktoren auf die Leistungsberechnung wurden identifiziert und in anschließenden Parameterstudien numerisch und experimentell weiter untersucht. Somit lässt sich ein optimaler Abstand der Integralgrenze von der Quelle bestimmen, für den der Fehler der Leistungsberechnung minimal wird. Abschließend werden die auf der STI basierenden Auswertemethoden in der Auslegung eines aktiven Systems eingesetzt. Da das entwickelte Regelsystem den Betrag der STI als Regelgröße verwendet, ist mit dem aktiven System ein direkter Eingriff in den Energiefluss der Struktur möglich. Im Vergleich zu einem Regelsystem mit Beschleunigung als Regelgröße ermöglicht die STI-Regelung eine effektivere Reduktion der Schwingungsamplituden. Die durchgeführten Untersuchungen schaffen die Voraussetzung, die zugeführten und dissipierten Leistungen in aktiven und passiven Systemen quantitativ bestimmen zu können und ermöglichen damit die systematische Bewertung der Wirksamkeit der eingesetzten Maßnahmen zur Schwingungsminderung.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Machine acoustics focuses on the reduction of emitted noise by systematically influencing the structure borne sound of machine structures. For the effective use of constructive measures it is very important to know the path of the energy transmission in the structure. The energy flow in the structure from an energy source to the vibrating surface can be characterized by calculating the structural intensity (STI). Through the application of the STI in the design of a machine, the systematic use of passive and active noise reduction measures can be effectively supported. This is particularly important in the development of lightweight structures, because the mass for the additional noise reduction measures can therefore be minimized. The objective of this thesis is to develop methods to evaluate these noise reduction measures energetically. For this purpose, a method was developed to calculate the magnitude and the direction of the intensity vectors correctly from measured data. Thus it is possible to calculate the input power of the actuator of an active system from the STI in numerical simulations as well as in experimental studies. Hence it can be determined which part of the vibration energy is dissipated and which portion is transmitted through the structure and finally causes sound radiation. Since there are a variety of different methods for calculating the STI, the first step was to identify a method optimally suited for the intended studies. By means of Monte Carlo simulations, the error of the numerical methods with respect to the analytical solution of the STI was investigated as a function of the discretization and the frequency. To calculate the structural intensity in numerical simulations correctly, all dissipative mechanisms in the structure must be modeled accurately. As this is quite difficult for complex structures containing many different connecting elements such as the underfloor of the rear trunk of a car, it is very important to have a reference for the intensity calculation from measurement data. Experimental studies show that small errors in the phase angle of the measured velocity data lead to great deviations of the magnitude and the direction of the intensity vectors. The errors in the STI mainly occur at low frequencies. Significantly better results for low frequencies were achieved by applying an averaging filter to the measurement data. In numerical simulations and experimental studies, the input power and the dissipated power can therefore be calculated from the intensity with closed loop integrals around sources or sinks. The main factors influencing the power calculation were identified and subsequently further investigated in parameter studies. Hence the optimal distance of the closed loop integral from a source or sink can be determined, minimizing the error of the power calculation. Finally, the evaluation methods based on the structural intensity are utilized in the design of an active system. Since the control system uses the magnitude of the intensity as controlled variable, the active system directly influences the energy flow in the structure. Compared to a system using the acceleration as controlled variable, the system with the intensity as controlled variable reduces the magnitudes of the vibration more effectively. The investigations lay the foundation to calculate the input power and dissipated power in active and passive systems quantitatively. This enables the systematic evaluation of the effectiveness of the constructive noise reduction measures. English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Strukturintensität, Energiefluss, Körperschall, Körperschallintensität
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
structural intensity, energy flow, structure borne soundEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Research Group of System Reliability and Machine Acoustics (SzM)
Date Deposited: 09 Apr 2013 12:28
Last Modified: 20 Jul 2016 09:34
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-33463
Referees: Hanselka, Prof. Dr. Holger and Rinderknecht, Prof. Dr. Stephan
Refereed: 29 January 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3346
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