The significance of cross-order terms in interface mobilities for structure-borne sound source characterization
Final Report Abstract
Im vorliegenden Forschungsprojekt wurde die Anwendbarkeit von Interface Mobilitäten für die Charakterisierung von Körperschallquellen und der Beschreibung des dazugehörigen Übetragungsprozesses untersucht. Das Konzept der Interface Mobilitäten ermöglicht die Betrachtung einer Mehrpunkt- oder kontinuierlichen Quelle-Empfänger-Installation in Form von wenigen Fourier Ordnungen. Es wurde gezeigt, dass diese Interface Ordnungen in direktem Zusammenhang mit elementarem Vibrationsverhalten wie bspw. den Starrkörperschwingungen stehen. Folglich führt der Ansatz der Interface Mobilitäten zu erheblichen Vereinfachungen und physikalischem Einblick. Die Anwendbarkeit dieses Ansatzes hängt allerdings von der Vernachlässigbarkeit einer Kopplung zwischen unterschiedlichen Ordnungen ab. Die sogenannten Kreuzordnungsterme beschreiben diese Kopplung und setzen sich aus Interface Mobilitäten mit Kreuzordnung und Kraftordnungen zusammen. Es wurde gezeigt, dass die Interface Mobilitäten mit Kreuzordnung die Abhängigkeit von Punkt- und Transfermobilitäten von deren Position entlang des Interfaces beschreiben und somit stark Symmetrieabhängig sind. Auf plattenähnlichen Strukturen sind die Interface Mobilitäten mit Kreuzordnung nur im mittleren Frequenzbereich von Bedeutung, auf rahmenähnlichen Strukturen im mittleren und oberen Frequenzbereich, sowie im massenkontrollierten Bereich der Quelle. Die Amplitudenverteilung der Kraftordnungen lässt sich anhand der drei Variablen, Quellen- und Empfängermobilität und freie Schnelle abschätzen. Wenn die Phase von mindestens einer dieser drei Variablen stark schwankt, weisen die Kraftordnungen Amplituden von gleicher Größenordnung auf. Wenn die Empfängerstruktur eine stei?gkeits- oder massenähnliche Mobilität aufweist und die Quelle wie eine starre Masse agiert mit kohärenten internen Quellmechanismen, dann sind deutlich größere Unterschiede in den Amplituden der Kraftordnungen möglich. Basierend auf den obigen Kenntnissen der Kreuzordnungstermkomponenten und weiterführenden theoretischen und experimentellen Untersuchungen kann die Kernaussage des vorliegenden Forschungsprojektes wie folgt formuliert werden. Die Kreuzordnungsterme können bei einzelnen Frequenzen von Bedeutung sein, sind im Schnitt allerdings vernachlässigbar. Die Klarstellung der physikalischen Bedeutung und Signifikanz der Kreuzordnungsterme trägt bedeutend zum Verständnis des Übertragungsprozesses bei und ebnet auf konstruktive Art und Weise den Weg für einen in der Praxis zufriedenstellenden Ansatz der Körperschallquellencharakterisierung. Nachdem die Anwendbarkeit des Konzeptes der Interface Mobilitäten mit der Vernachlässigbarkeit der Kreuzterme bestätigt wurde, stellt sich nun die Frage der Praktikabilität dieses Ansatzes. Hier ist primär die Anzahl der benötigten Ordnungen zu untersuchen, zusammen mit dem notwendigen Mess- und Rechenaufwand. Auch die Erweiterung des Ansatzes der Interface Mobilitäten um Momentanregung und Winkelschnelle, sowie die Kreuzkopplung unterschiedlicher Anregungs- und Antwortskomponenten behandeln zu können ist von Signifikanz. Diese und weitere Aufgabenstellungen werden derzeit im Rahmen des DFG Forschungsprojektes bearbeitet. Aufgrund der vielversprechenden Ergebnisse des vorliegenden DFG-Projektes wurde desweiteren ein Forschungsvorhaben in Koorperation mit der Schiffsbauindustrie beantragt, in welchem der Ansatz der Interface Mobilitäten zur Beschreibung von Körperschallquellen auf Schiffen angewendet und weiterentwickelt werden soll. Aufgrund der zu erlangenden Vereinfachungen und der physikalischen Transparenz des erarbeiteten Konzeptes werden die Ergebnisse bereits in anderen Bereichen der Technischen Akustik angewandt. Für Untersuchungen des Vibrationsverhaltens von Rohren sind die Interface Mobilitäten geradezu prädestiniert, da hier ein komplexes, kontinuierliches Schwingungsfeld in die grundlegenden Komponenten zerlegt werden kann. Desweiteren ist die Anwendung des Ansatzes der Interface Mobilitäten für beliebige Schnittstellen von Strukturen, wie bspw. von Gehäusen vorteilhaft. Ein industrielles Verwertungspotenzial der erarbeiteten Ergebnisse ist vor allem in der Optimierung von Körperschallquellen, sowie der Prognose von Leistungsübertragung vorhanden. Derzeit wird der Ansatz der Interface Mobilitäten im Rahmen einer Diplom-Arbeit für Vorhersagen der übertragenen Körperschallleistung von Magnetresonanztomographie-Systemen angewendet. Auch in der Softwareentwicklung besteht aufgrund der Animationsmöglichkeiten ein Verwertungspotenzial. Der vergleichsweise komplexe Formelapparat könnte in einem Softwarepaket verpackt werden, welches anhand von Animationen die physikalische Bedeutung der Ergebnisse in Interface Ordnungen vermittelt. Da ein Großteil der Maschinen-produzierenden Gewerbe mit Schwingungsproblematiken konfrontiert sind, ist ein hoher Bedarf vorhanden.
Publications
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The distribution of force orders on structure-borne sound source interfaces for the concept of interface mobilities, Proceedings of the Institute of Acoustics, Vol. 29 Part 5:74–85, Oxford, UK, 2007
HA Bonhoff & BAT Petersson
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The relative significance of cross-order interface mobilities, International Congress on Acoustics 19, Madrid, Spain, 2007
HA Bonhoff & BAT Petersson
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The influence of cross-order terms in interface mobilities for structure-borne sound source characterization: Plate-like structures, Journal of Sound and Vibration, 311:473–484, 2008
HA Bonhoff & BAT Petersson
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The significance of cross-order terms in interface mobilities for structure-borne sound source characterization, Acoustics’08, Paris, France, 2008
HA Bonhoff & BAT Petersson
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The influence and significance of cross-order terms in interface mobilities for structure-borne sound source characterization and the description of the associated transmission process, Dissertation, Technische Universität Berlin, Fakultät V – Verkehrs- und Maschinensysteme, 2009
Hannes A. Bonhoff
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The influence of cross-order terms in interface mobilities for structure-borne sound source characterization: Force-order distribution, Journal of Sound and Vibration, 322:241–254, 2009
HA Bonhoff & BAT Petersson
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The influence of cross-order terms in interface mobilities for structure-borne sound source characterization: Frame-like structures, Journal of Sound and Vibration, 319:305–319, 2009
HA Bonhoff & BAT Petersson
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The influence of strong cross-order terms in interface mobilities for structure-borne sound source characterization, Noise and Vibration: Emerging Methods, Oxford, UK, 2009
HA Bonhoff & BAT Petersson
