Ansatz zur Generierung von Simulations-Parametern für poröse Akustikabsorber aus Geometriedaten

Wenn neue Werkstoffe für die Nutzung als Schallabsorber qualifiziert werden sollen, müssen sie auf ihre Wirksamkeit hinsichtlich Absorption, Transmission und Reflexion überprüft werden. Diese Qualifizierung erfolgt in frühen Stadien der Entwicklung durch die Nutzung eines Impedanzsrohres, in dem die Oberflächenimpedanz also der Widerstand gegen Eindringen der Schallwelle bestimmt wird. Die Messdaten werden auf Basis von Schalldruckuntersuchungen mithilfe von Lautsprechern und Mikrofonen generiert. In einem späteren Abschnitt der Entwicklung und Qualifizierung können die aus der ersten Phase ermittelten, vielversprechenden Varianten einer Prüfung im Hallraum unterzogen werden. Das Ergebnis einer solchen Hallraumprüfung ist eine schmalbandig ermittelte Absorptionskurve an diskreten Frequenzpunkten. Eine weitergehende Bewertung kann dann zum Beispiel für den Einsatz als Büromöbelabsorber erfolgen. Hallraumuntersuchungen sind im Vergleich zu Impedanzrohrversuchen aufwändig, material- und kostenintensiv. Die erste Phase der Entwicklung kann weiterhin durch Simulationsergebnisse ergänzt werden, indem einige Materialparameter, wie zum Beispiel der Strömungswiderstand des Materials oder die Porosität, gemessen oder approximiert werden. Aus diesen Parametern kann mithilfe von gut erprobten Simulationsmodellen eine Aussage über die Schallabsorption, Reflexion und Transmission getroffen werden. Für die zu ermittelnden Parameter stehen, je nach Simulationsmodell, physikalische Messverfahren oder Abschätzverfahren zur Verfügung. Ansätze zur Abschätzung der Parameter werden unter anderem in den Arbeiten von Jaouen [1] oder Leclaire [2] gegeben. Sie basieren auf der Ableitung von Simulations-parametern aus Messdaten – entweder aus dem Impedanzrohr oder aus dem Hallraumversuch – und leiten die Parameter durch mathematische Umwandlung der gemessenen Schalldrücke her. Nach Stand der Technik können diese Parameter durch direkte physikalische Messungen (z.B. Druckverlustmessung, Porositätsmessung, Dichtemessung, etc.) oder durch Rekombination der akustischen Messwerte bestimmt werden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Generierung von Parametern zur Bestimmung des akustischen Absorptionskoeffizienten durch Nutzung eines dreidimensionalen Scans des Absorbers. - Porosität - Turtosität (Grad der Verschlungenheit der Lufttransportwege) - Strömungswiderstand - thermische und fluiddyamische Kenngrößen Durch diese Parameter wird es möglich, das akustische Absorptionsverhalten eines Materials anhand von 3D-Daten, ohne die Notwendigkeit von kostspieligen Messungen zur Materialqualifizierung, vorherzusagen. Im späteren Einsatz kann dieses Verfahren die Qualitätssicherung bei der Fertigung unterstützen, da die Untersuchung der Oberflächenbeschaffenheit Inline an der Fertigungsanlage durchgeführt kann. Mit den gewonnenen Parametern wird mithilfe von Druckakustiksimulation das Absorptionsverhalten des Materials berechnet. Hierzu wird das Berechnungsmodell nach Johnson, Champoux, Allard und Lafarge eingesetzt. Das Modell wird genutzt, um die geometrischen Parameter und die nach akustischem Abschätzverfahren bestimmten Parameter der gemessenen Absorptionskurve aus dem Impedanzrohr gegenüberzustellen. 1] JAOUEN, Luc ; GOURDON, Emmanuel ; GLÉ, Philippe: Estimation of all six parameters of Johnson-Champoux-Allard-Lafarge model for acoustical porous materials from impedance tube measurements.– DOI 10.1121/10.0002162 [2] LECLAIRE, Phillippe: Characterization of porous absorbent materials. Acoustics 2012, Apr 2012, Nantes, France. hal-00810634