Vibroakustisches Metamaterial

Vibroakustische Metamaterialien

Leichtbauoptionen für zukünftige Fahrzeuggenerationen

17. November 2021

Bei neuen Fahrzeugkonzepten kollidieren die bekannten Maßnahmen, um Schall und Schwingungen zu verringern, mit dem Wunsch nach Energieeffizienz und Gewichtsreduktion. Von sogenannten “Vibroakustische Metamaterialien” versprechen sich Wissenschaftler, den Designkonflikt zu lösen und Leichtbaupotenziale für zukünftige Fahrzeuggenerationen zu erschließen. So ist es Ziel des neu gestarteten Forschungsprojektes “viaMeta” unter Leitung der Mercedes-Benz AG und des Fraunhofer LBF, die Fahrzeugstrukturen unter Einsatz vibroakustischer Metamaterialien konsequent zu verschlanken.

Breitbandige Schall- und Schwingungsreduktion

Im aktuellen Stand des Strukturleichtbaus erfolgt die Schwingungsübertragung und Schallabstrahlung im Fahrzeug maßgeblich durch flächige Strukturen und Transmissionspfade über Hilfsrahmen, Kopplungselemente und Karosserie. Diese werden überdimensioniert, mit breitbandig wirksamen Dämmmaterialien oder punktuellen Tilgern mit hoher Masse ausgestattet, um Vibrationen zu mindern oder zur Versteifung mit Stützstrukturen versehen. Jedoch führen diese Maßnahmen zu einem erheblichen Gewichtszuwachs.

Vibroakustische Metamaterialien bestehen aus einer regelmäßigen, räumlichen Anordnung identischer, sehr kleiner, mechanischer Resonatoren. Durch diese Struktur können sie bei geringem zusätzlichem Gewicht in einem vorbestimmten Frequenzbereich Schwingungen stark reduzieren und damit den Zielkonflikt zwischen schlanker Struktur und optimalem Komfort auflösen. Der geschickte Verbund erreicht gegenüber konventionellen Maßnahmen eine deutlich stärkere und breitbandigere Schall- und Schwingungsreduktion.

Aufgrund der Kleinskaligkeit der Einheitszellen lassen sich vibroakustische Metamaterialien bei großer Design- und Gestaltungsfreiheit gut integrieren und mit im Fahrzeugbau relevanten statischen, fahrdynamischen und crashrelevanten Anforderungen vereinbaren. Gegenüber aktiven Systemen erfordern vibroakustische Metamaterialien keine zusätzliche Energie und werden voraussichtlich deutlich kostengünstiger sein.

Die Geometrie und Größe der Einheitszelle ist von der Anwendung und vom adressierten Frequenzbereich abhängig. Zur Nutzung im Fahrzeugbau fehlen bisher anwendungsspezifische Designkonzepte, Entwurfsprozesse und Produktionsverfahren. Diese Lücke soll durch das Vorhaben “viaMeta” geschlossen werden.

Basierend auf der Expertise der Partner in den Bereichen Fahrzeug- und Komponentenentwicklung, Materialentwicklung für vibroakustische Metamaterialien, Simulation, Optimierung und Validierung wird das Konsortium die Designsystematik der Metamaterialien entwickeln und die Struktur und Wirkungsweise der Metamaterialien beschreiben. Zudem werden Designkonzepte für die Anwendungsfälle ausgewählt und Modellierungsmethoden für die Systemsimulation entwickelt.

www.lbf.fraunhofer.de

Bild: Labordemonstrator eines vibroakustischen Metamaterials mit periodisch angeordneten Resonatoren (Quelle: Fraunhofer LBF)