Schallschutz mit maßgeschneiderten Eigenschaften: Ein multiphysikalischer Simulationsansatz für akustische Metametamaterialien

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Steffen Marburg
• Fachliche Zuordnung: Akustik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 468269586

Schall in Form von Sprache oder Musik öffnet Türen für menschliches Miteinander. Im Gegensatz hierzu steht der Lärm mit erheblichen negativen Folgen für unsere Gesundheit, unser Wohlempfinden und die Umwelt. Bis dato festgesetzte Schallschutzziele konnten häufig nicht erreicht werden. Die zunehmende Urbanisierung und das erhöhte Verkehrsaufkommen verschärfen die Situation zusätzlich und erfordern die Entwicklung effektiver Lärmschutzmaßnahmen. Einen innovativen und vielversprechenden Ansatz hierfür bieten akustische Metamaterialien. Dabei handelt es sich um lokal resonante Mikrostrukturen, welche im Kollektiv erstrebenswerte Eigenschaften zur Schallwellenmanipulation erzielen. Die Modellbildung erfolgt standardmäßig ohne Berücksichtigung von Grenzschichteffekten und unter Annahme von Periodizität. Dies kann zur Fehleinschätzung der vibro-akustischen Eigenschaften und Nichtausnutzung der Designfreiheit mit fertigungstechnischen und funktionellen Nachteilen für den Praxiseinsatz von Metamaterialien führen. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines neuartigen, multiphysikalischen Simulationsverfahrens zur Untersuchung und Auslegung von akustischen Metamaterialien. Hierfür gilt es zum einen die Physik akkurat, demnach mit umfassender Fluid-Struktur-Interaktion und sogenannten thermoviskosen Verlusten, darzustellen. Zum anderen muss das Verfahren ausreichend effizient sein, um großskalige, aperiodische Modelle zu berechnen. Insbesondere letzteres ist bei bisherigen Forschungsansätzen basierend auf der Finite- Elemente-Methode aufgrund der hohen Netzanforderungen zur Auflösung der Grenzschichteffekte sowie der zusätzlichen thermischen und viskosen Freiheitsgrade nicht erfüllt. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wird ein neuartiger Ansatz basierend auf der Randelementemethode (BEM) für strömungsfreie Akustik verfolgt. Die thermoviskosen Effekte werden mittels einer thermoviskosen, diskontinuierlichen BEM akkurat berücksichtigt und deren Absorptionspotential erforscht. Die Methode wird weiterführend über beidseitige Kopplungsbeziehungen für die Berechnung mit Fluid-Struktur-Interaktion erweitert. Abschließend wird durch schnelle Verfahren der BEM, im Speziellen der Fast Multipole Methode, und Parallelisierung die Berechnung großskaliger, aperiodischer Modelle ermöglicht. Dadurch lässt sich die numerische Analyse akustischer Metamaterialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften für Schallschutzzwecke auch praktisch umsetzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen