Untersuchung von Methoden zur rechnerischen und messtechnischen Bestimmung von Körperschallenergieflüssen in technischen Strukturen

Die Akustik erreicht in der Entwicklung von Maschinen und Fahrzeugen eine zunehmende Bedeutung. Aufgrund der steigenden Anzahl an alternativen Antrieben (z. B. Elektroantrieb) in aktuellen Pkw-Baureihen entfällt eine der bisherigen Hauptschallquellen: der Verbrennungsmotor. Die vorher durch das Verbrennungsgeräusch verborgenen Schallquellen (bspw. Getriebe und Nebenaggregate) werden somit wahrnehmbar. Deren akustische Eigenschaften gilt es ebenso wie die neuer Antriebssysteme fortlaufend zu verbessern. Da bei der Auslegung des Prozesses die akustischen Anforderungen meist einen geringeren Stellenwert als die Funktionserfüllung besitzen, werden oft nur die beiden letztgenannten Einflussgrößen optimiert. Mit fortschreitendem Entwicklungsstand einer technischen Struktur wird zudem der Spielraum für akustische und schwingungstechnische Modifikationen geringer. Somit sind oft nur sekundäre Maßnahmen zur Geräuschreduzierung möglich, die deutliche Nachteile im Hinblick auf Kosten und Gewicht mit sich bringen. Das Ziel einer akustischen Strukturoptimierung ist bspw. die Verringerung der Modendichte nahe der Anregungsfrequenzen, die Einhaltung von gesetzten Zielgrößen (wie Frequenzantwortspektren) oder das Absenken einzelner Amplituden im Frequenzspektrum. Bisher geschieht dies meistens durch Optimierung auf Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM), Parametervariationdes Bauteils oder die manuelle Modifikation von Einflussgrößen im Versuch. Den ersten beiden Methoden ist gemein, dass sie teilweise die Programmierung von Zielfunktion, Nebenbedingungen (zum Spielraum der Variablen) und eine Regularisierung (Forderungen nach Fertigbarkeit und Ästethik des Bauteils oder Elementqualität der FEM) benötigen. Die Strukturintensität (STI), als Maß für die zeitlich gemittelte Energieflussdichte in einer mechanischen Struktur, ermöglicht eine Aussage über das Körperschall-Übertragungsverhalten in deren Inneren. Anhand dessen ist eine gezielte Beeinflussung des Körperschalls denkbar. Dies kann durch konstruktive Modifikation, Dämpfung oder Dämmung an Stellen erfolgen, die laut Strukturintensität maximale Wirksamkeit erwarten lassen. Somit entfällt die langwierige Optimierung des Maßnahmenortes, die Berechnung vielfältiger Varianten mit verschlechterten Zielgrößen und das Probieren anhand der Konstruktionserfahrung. Zusätzlich ist es mit der Strukturintensität möglich, das Körperschallmaß für bereits anderweitig optimierte Geometrien (im Sinne von Funktion, Leichtbau und Ressourceneffizienz) zu verbessern.