Active sound irradiation reduction into cavities

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Michael Sinapius
• Subject Area: Acoustics ; Lightweight Construction, Textile Technology
• Term: from 2017 to 2024
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 381936987

• Final Report Year: 2024

Final Report Abstract

Untersuchungsgegenstand des Projekts war die Möglichkeit der Formulierung der Schalleinstrahlung in beliebig geformte Innenräume durch frequenzunabhängige Schalleinstrahlungsformen (SSF). Eine solche Formulierung hätte das Potenzial der erheblichen Ordnungsreduktion gegenüber bestehenden, frequenzabhängigen Formulierungen und somit Vorteile bei der Implementierung modellbasierte strukturakustischer Regelungen der Einstrahlung in bspw. Flugzeugkabinen. Anhand numerischer Modelle für die auch analytisch beschreibbaren Geometrien Quader und Zylinder wurde nachgewiesen, dass die Berechnung der akustischen potentiellen Energie (APE) im Vergleich zu einer vollständig gekoppelten Rechnung auch durch Auswertung der Strukturschnellen in Bezug auf analytisch bestimmte SSF gelingt. Der Vorteil der Formulierung mit SSF liegt dabei in der wesentlich kürzeren Rechenzeit des Modells. Diese Erkenntnis übertragend wurde die Bestimmung der APE sowie deren Reduktion durch strukturelle Beeinflussung experimentell an einer Quadergeometrie umgesetzt. Hierbei gelang sowohl die Abbildung der im Innenraum gemessenen APE als auch deren Reduktion durch eine SSF-basierte Strukturregelung. Einschränkend anzumerken ist ein Fehlschlagen der Formulierung im Experiment für inhomogene Randbedingungen des eingeschlossenen Fluids. Während für die Anwendungen an der Quaderkavität wenige SSF zur Abbildung der APE genügen, ergab die experimentelle und numerische Betrachtung der Zylinderkavität, dass aufgrund selektiverer geometrischer Kopplung eine wesentlich höhere Anzahl zu berücksichtigen ist, um die APE korrekt abzubilden. Diese Erkenntnis hat auch bei Manipulation der geometrischen Kopplung durch Asymmetrierung der strukturellen Schwingformen Bestand. Voraussetzung der Verwendung von Schalleinstrahlungsformen zur Beschreibung der APE ist die schwache Kopplung zwischen Struktur und Fluid. Auf Basis der Energien der gekoppelten Teilsysteme wurde ein Kriterium Quantifizierung dieser Kopplungsstärke im niederfrequenten Bereich entwickelt und am numerischen Modell der Quaderkavität validiert. Die der Formulierung der Schalleinstrahlungsformen weiterhin zugrunde liegende Annahme der Dominanz stehender Wellen in der betrachteten Kavität wird in technisch realisierten Kabinen durch dämpfungsbedingt auftretende laufende Wellen eingeschränkt. Mittels einer akustischen Modalanalyse der Passagierkabine eines Business-Jets konnte gezeigt werden, dass sowohl stehende als auch laufende Wellen in dieser Kabine auftreten, diese Dualität wird in Einstrahlungsmodellen zu berücksichtigen sein. Eine Erweiterung der betrachteten Kavitätsgeometrien zeigt jedoch, dass auch für eine schwache Kopplung und ausschließlich stehende Wellen eine Formulierung frequenzunabhängiger SSF nur für sehr wenige Geometrien gelingt. Diese Einschränkung betrifft sowohl die einstrahlende Struktur als auch die angeregte Kavität. Die Implementierung einer strukturakustischen Beruhigung basierend auf Schalleinstrahlungsformen für technisch realisierte Kavitäten wie Automobil- oder Flugzeugkabinen erscheint anhand dieser Erkenntnis unwahrscheinlich.

Publications

• Frequency-independent radiation modes of interior sound radiation: Experimental study and global active control. Journal of Sound and Vibration, 401, 204-213.
  Hesse, C.; Papantoni, V.; Algermissen, S. & Monner, H.P.
  
• Active control of composite fuselage type structures with enclosed acoustic cavity. Journal of Fluids and Structures, 81, 565-573.
  Hesse, C.
  
• On the frequency-independence of interior radiation modes using coupled modes theory. In: Impact of Noise Control Engineering. INTER-NOISE 2018 - 47th Int’l Cong. and Exp. on Noise Control Engineering, ASME
  Hesse, Christian & Monner, Hans Peter
  
• Aktive Reduktion des Schallfeldes in einer zylindrischen Kompositstruktur anhand Struktureller Fehlersensoren. In: 45. Deutsche Jahrestagung für Akustik. DAGA
  Hölscher, Bernd-Christian; Hesse, Christian; Haase, Thomas & Sinapius, Michael
  
• Experimentelle Untersuchung der Fluid-Struktur-Kopplung eines Systems aus CFK-Struktur und quaderförmiger Kavität. In: 46. Deutsche Jahrestagung für Akustik. DAGA. (2020)
  Roloff, Thomas; Hölscher, Bernd-Christian; Misol, Malte & Sinapius, Michael
  
• Versuchsträger zur experimentellen aktiven Minderung der Schalleinstrahlung zylindrischer Strukturen. In: 46. Deutsche Jahrestagung für Akustik. DAGA. (2020)
  Hölscher, Bernd-Christian; Algermissen, Stephan; Hesse, Christian & Sinapius, Michael
  
• Adaptronics – Smart Structures and Materials. Springer Berlin Heidelberg.
  Sinapius, Johannes Michael