Akustisches Verhalten poröser Platten

lm Ingenieurwesen werden häufig mehrere Materialien kombiniert um ein bestimmtes Verhalten der Struktur zu erreichen. Z.B. die Schallisolierung einer Struktur wird üblicherweise dadurch verbessert, dass auf die tragende Struktur ein poröses Material aufgebracht wird. Beispiele dazu finden sich in der Schallisolierung von Bauwerken, der Gestaltung der Motorhaube von Kraftfahrzeugen und beim Wandaufbau von Flugzeugen. Solch eine Flugzeugwand soll für dieses Projekt als Modell-Problem benutzt werden. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die numerische Simulation des akustischen Verhaltens von solchen mehrlagigen porösen plattenförmigen Bauteilen. Im Unterschied zur Berechnungen von Kompositplatten/- werkstoffen sind hier die einzelnen Lagen auf Makroebene sichtbar, und sind auch nicht immer fest miteinander verbunden. Zum Beispiel ist bei der Flugzeugstruktur die Schallisolierung zwar mit der Außenhaut relativ fest über ein Pin-Washer-System verbunden, aber zur Innenschale besteht nur ein Luftzwischenraum. Daher müssen alle Lagen einzeln und deren Kopplungen untereinander separat modelliert werden. Im Einzelnen bedeutet dies eine Entwicklung einer poroelastischen Plattentheorie und die sorgfältige Untersuchung und numerische Umsetzung der Koppelung der Teilgebiete. Schlussendlich sollen die Ergebnisse durch Versuche validiert werden. Solch eine komplexe und breit gefächerte Problemstellung angefangen von einer poroelastischen Plattentheorie über die Formulierung der Übergangsbedingungen, bis hin zur numerischen Umsetzung und auch noch deren experimentellen Bestätigung ist von einem Antragsteller alleine nicht zu bewältigen. Daher ist eine Zusammenarbeit mit Prof. Dr.-Ing. Otto von Estorff (Technische Universität Hamburg-Harburg, Deutschland) etabliert worden. Alle Experimente und die Behandlung der Schallabstrahlung werden vom Projektpartner durchgeführt. Die Entwicklung der Plattentheorie und deren Umsetzung finden in Graz statt. Die Koppelung wird gemeinsam entwickelt.

Im vorliegenden Forschungsprojekt ist die numerische Simulation des Schalldurchganges durch mehrlagige Paneele, die sich aus mehreren unterschiedlichen Platten (z.B. elastische, poroelastische oder faserartige Materialien) zusammensetzen, verbessert worden. Oft treten bei solchen Paneelen auch dünne Luftschichten, die als Luftplatten angesehen werden können, auf. Eine Anwendung ist z.B. der Flugzeugrumpf, dessen akustische Eigenschaften von der Konstruktion des Paneels abhängen. Zu Projektbeginn waren unterschiedliche Modelle zur Simulation des Verhaltens elastischer Platten in 2-D und 3-D vorhanden. Da eine 2-D Diskretisierung sehr einfach erstellt werden kann und auch häufig zu weniger Freiheitsgrade führt, wird eine solche Formulierung im industriellen Einsatz bevorzugt. Allerdings gab es bisher keine 2-D Plattenformulierung für poroelastische oder faserartige Materialien. Daher war es Ziel dieses Forschungsvorhabens solch eine Plattenformulierung zu entwickeln. Über eine Reihenentwicklung in Dickenrichtung der Platte konnte die Abhängigkeit von dieser Koordinate eliminiert werden und somit eine poroelastische Plattenformulierung erstellt werden. Die gleiche Technik wurde auf die Luftschicht übertragen, was auf eine Luftplatte führt, womit die dünnen Zwischenräume in den Paneelen effizient simuliert werden können. Damit können jedoch nicht nur Luftzwischenräume, sondern auch das akustische Verhalten faserartiger Materialien über äquivalente Materialdaten beschrieben werden. Mit diesen neu entwickelten Plattenmodellen kann nun der Schalldurchgang mehrschichtiger Paneele komplett in einem gekoppelten 2-D Modell simuliert werden, unabhängig davon wieviele Schichten aus den unterschiedlichenTypen vorliegen. Die Koppelungderunterschiedlichen Plattenformulierungen und die effiziente Lösung des Gesamtsystems wurde beim Projektpartner an der TU Hamburg-Harburg entwickelt. Die experimentelle Verifikation erfolgte ebenfalls im Labor der TU Hamburg-Harburg.