Effizienz und Komfort werden zukünftig wesentlich die Kaufentscheidung für ein Fahrzeug beeinflussen. Allerdings kollidieren bei neuen Fahrzeugkonzepten die bekannten Maßnahmen, um Schall und Schwingungen zu verringern, mit dem Wunsch nach Energieeffizienz und Gewichtsreduktion. Vibroakustische Metamaterialien (VAMM) leisten hier einen wesentlichen Beitrag. Sie erzeugen Stoppbänder – Frequenzbereiche, in denen keine freie Wellenübertragung stattfindet, – durch die Nutzung von Lokalresonanzen. Dies ermöglicht die Umsetzung neuer Konzepte für die Lärm- und Schwingungsminderung in unterschiedlichen Produkten vieler Industriezweige und Branchen, die mit konventionellen Lösungen aufgrund beispielsweise besonderer Leichtbauanforderungen nicht realisierbar wären.
Die Idee der Lokalresonanzen im Detail
Die lokalen Resonatoren werden periodisch auf einer Grundstruktur angeordnet. Jeder Resonator stellt ein Feder-Masse-System dar, welches auf eine oder mehrere Resonanzfrequenzen abgestimmt ist. Durch das Schwingverhalten der Lokalresonatoren werden negative effektive Masseeigenschaften der Gesamtstruktur erzeugt. Es entsteht eine schwingungsarme Leichtbaustruktur mit reduzierter akustischer Abstrahlung. Wie sich dieses Prinzip in der Praxis umsetzen lässt, daran arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie. In mehreren Projekten werden die Entwicklung einer Designsystematik von Metamaterialien vorangetrieben und Modellierungen für die Simulation und Optimierung von Materialkomponenten in einem virtuellen Fahrzeugprototyp erstellt. Die Leichtbau- und Komfortwirkung von VAMM wird anhand von Demonstratoren in realen Fahrzeugen evaluiert.
VAMM-Exponat auf der Hannover Messe zu sehen
Aufgrund der Kleinskaligkeit der verwendeten Resonatoren lassen sich vibroakustische Metamaterialien bei großer Design- und Gestaltungsfreiheit gut integrieren und mit im Fahrzeugbau bedeutsamen statischen, fahrdynamischen und crashrelevanten Auslegungsanforderungen vereinbaren. Sie ermöglichen eine starke Reduktion von Schwingungen in einem breiten Frequenzbereich bei gleichzeitig geringem Gewicht. So lässt sich der Zielkonflikt zwischen Leichtbau und Schwingungs- sowie Lärmbelastung lösen. Auf der Hannover Messe demonstriert ein Exponat die Funktion von VAMM an einfachen Beispielstrukturen und zeigt mögliche Varianten der produktnahen Umsetzung an einem ferngesteuerten Modellfahrzeug und einer Fahrzeugtür in Originalgröße.