Das Phaeno-Museum in Wolfsburg bietet seinen Gästen einen ganz besonderen Billardtisch: Die Experimentierenden können eine Billardkugel über eine drehende Scheibe aus Stahl rollen lassen. Durch die Rotation wird die Billardkugel auf eine gekrümmte Bahn geleitet. Die Besucher können sich so die Wirkung der Corioliskraft veranschaulichen. Lässt man die Kugel auf die Drehscheibe fallen, oder kommt es zu einem Springen der Kugel auf der Drehscheibe, führt dies zu einer großen Lärmbelästigung. Die Drehscheibe schwingt wie ein großer Gong und belästigt Besucher und Museumspersonal.
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Konventionelle Ansätze zur Lärmreduktion, etwa Dämpfungsmaterialien erzielen jedoch wegen der hohen Masse der Drehscheibe keine signifikante Reduktion der Lautstärke. Die Fraunhofer-Forschenden aus Darmstadt konnten das Problem lösen. Sie brachten sogenannte „Acoustic Black Holes“ (ABH) an der Unterseite der Drehscheibe an.
So funktioniert das akustische schwarze Loch
Zur Theorie: Ein ABH funktioniert, indem die Dicke eines Bauteils (wie einer Platte oder eines Balkens) nach einer Potenzfunktion zu seinem Ende hin extrem dünn wird. Da die Biegesteifigkeit des Materials mit der Dicke abnimmt, verlangsamt sich die Geschwindigkeit der Schwingungswelle, je dünner das Material wird. Theoretisch nähert sich die Wellengeschwindigkeit an der absolut dünnen Spitze dem Wert 0 an. Die Schwingungsenergie baut sich in diesem Bereich auf, kann aber nicht mehr als Reflexion zurücklaufen, da sie „gefangen“ ist.
In der Praxis wird auf das dünne Ende eine kleine Menge Dämpfungsmaterial (wie Folie) aufgebracht. Da die Schwingungsenergie durch den ABH-Effekt stark konzentriert wird, kann das Dämpfungsmaterial die Vibrationen extrem effizient in Wärme umwandeln.
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Auf Grundlage experimenteller Untersuchungen entwickelte das Projektteam aus dem Fraunhofer LBF ein Konzept zur Schwingungsreduktion für das gesamte System „Drehscheibe“, legte es numerisch aus und integrierte es im Unterbau. Dadurch lässt sich die Geräuschentwicklung spürbar mindern, ohne die Funktion des Exponats zu beeinträchtigen. Das neue Konzept besteht aus fünf Kreissegmenten, die von unten an die Drehscheibe montiert werden und deren Querschnitt in Form eines Acoustic Black Holes (ABH) ausgeführt ist. Am frei schwingenden Ende wird ein Dämpfungsmaterial aufgebracht.
Das im Museum erstmals umgesetzte Konzept wurde in verschiedenen Konfigurationen strukturdynamisch und akustisch untersucht. Dabei wurde deutlich, dass mit der entwickelten Maßnahme die abgestrahlte Schallleistung über einen breiten Frequenzbereich signifikant reduziert werden kann. Eine Schwingungsreduktion zwischen 40 dB (bei 140 Hz) und 20 dB (bei 1650 Hz) sowie eine Reduktion der abgestrahlten Schallleistung von rund 13 dB gegenüber einer Scheibe ohne Maßnahme waren möglich.
„Die Schwingungsenergie kann mit ABH gezielt in einem Bereich der Struktur vernichtet werden“, erläutert Dr. Sebastian Rieß, Wissenschaftler im Fraunhofer LBF.
Anwendungen auch im Maschinenbau?
Aktuelle Forschungsprojekte am Fraunhofer LBF konzentrieren sich auf die Integration von ABH in komplexe rotierende Strukturen. Die Ergebnisse könnten neue Maßstäbe in der Lärmreduktion setzen. Viele industrielle Anwendungen, bei denen Schwingungen stören, können profitieren.
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