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Fraunhofer-Forschende machen Technikmuseum leiser: Im Phaeno-Museum Wolfsburg demonstriert ein drehender Billardtisch eindrucksvoll die Corioliskraft, verursachte bisher aber starke Lärmbelastung. Schwingungsexperten aus dem Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF integrierten Acoustic Black Holes unter der drehenden Billardscheibe und erreichten so eine Schallreduktion von rund 13 Dezibel. Die ABH-Technologie verbessert das Besuchererlebnis, ist eine wegweisende Maßnahme zur Reduzierung von Lärm in den verschiedenen Lebensbereichen und bietet großes Potenzial für weitere Branchen, etwa Maschinenbau und Verkehrswesen.
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.
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 (zu Deutsch: Akustische schwarze Löcher) an der Unterseite der Drehscheibe an.
In der Praxis: Effektive, gezielte Dämpfung in konzentriertem Bereich
Acoustic Black Holes (ABH) werden durch eine Wandstärkenreduktion erreicht, die in ihrem Verlauf einer Potenzfunktion folgt. Die Biegewellen im Acoustic Black Hole werden in den Bereich geringer Wandstärke geleitet und können dort mit einer Dämpfungsschicht effektiv gedämpft werden. Bisher wurden ABH überwiegend an einfachen Biegebalken (teils auch Platten) im Labor demonstriert. Die mit ABH erreichbare Dämpfung ist extrem hoch, daher gibt es nahezu keine Reflexionen der Schwingungswellen. In Analogie zum astronomischen Schwarzen Loch kann die Wellenenergie das akustische »Schwarze Loch« praktisch nicht mehr verlassen.
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.
Maximale Schwingungsdämpfung durch Acoustic-Black-Hole-Technologie
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 Schalleistung 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. 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.
Mehr über die Acoustic-Black-Hole-Technologie (ABH)
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Der Acoustic-Black-Hole-Effekt greift die Prinzipien der modernen Physik auf. Ähnlich wie Lichtteilchen, die in einem schwarzen Loch gefangen werden, werden in einem Acoustic Black Hole Schwingungen in einem speziellen Absorptionsbereich »eingefangen« und können nicht mehr entkommen - es kommt zu einer nahezu perfekten Absorption von Schwingungen. Die Vorteile dieser zukunftsträchtigen Technologie sind immens: Sie ermöglicht eine effektive Dämpfung von Körperschall in Bauteilen bei reduziertem Materialbedarf und bietet daher erhebliche Gewichts- und Kosteneinsparungen sowie Pluspunkte bezüglich Recyclings. Viele industrielle Anwendungen, bei denen Schwingungen stören, können profitieren.
Dipl.-Ing. Heiko Atzrodt, heiko.atzrodt@lbf.fraunhofer.de
Dr.-Ing. Sebastian Rieß, sebastian.riess@lbf.fraunhofer.de
https://www.lbf.fraunhofer.de/de/leistungen/dynamics-und-vibration-engineering.h... Mehr Informationen zur Schwingungsanalyse
Neues Konzept beruhigt Schwingungen in rotierenden Systemen: Fünf Kreissegmente, die von unten an ei ...
Quelle: Ursula Raapke
Copyright: Fraunhofer LBF
Mehr Ruhe im Museum: Drehender Billardtisch ohne unerwünschte Schwingungen.
Quelle: Ursula Raapke
Copyright: Fraunhofe LBF
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wirtschaftsvertreter
Elektrotechnik, Maschinenbau, Umwelt / Ökologie, Werkstoffwissenschaften
überregional
Forschungsergebnisse, Forschungsprojekte
Deutsch
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