Hörbarer Schall und Körperschall können nicht nur das Wohlbefinden von Mensch und Tier beeinträchtigen, sondern auch technische Strukturen unerwünscht anregen und dadurch Funktionsstörungen verursachen. Die unerwünschten Schwingungen müssen also möglichst vermieden werden. Wo das nicht geht, ist eine Dämpfung das Mittel der Wahl. Leider sind je nach Frequenz und Intensität der Schwingungen diese Maßnahmen nur bedingt wirksam oder erhöhen die Masse von Bauteilen. Für Leichtbau bei Fahrzeugen, Flugzeugen oder in der Raumfahrt sind sie daher ungeeignet. Moderne Entwicklungen zeigen einen neuen Weg auf: Sogenannte akustische Metamaterialien (AMM) dämmen effizient bei nur geringem Masseeinsatz. Dazu müssen die Materialien exakt an die unerwünschten Schwingungen angepasst werden. Hier helfen Laservibrometer durch ihre berührungslose Schwingungsmessung bei der Optimierung.

Vibroakustische Metamaterialien, also Metamaterialien, die gezielt für die Beeinflussung von Struktur- und Luftschall entwickelt werden, erlauben neue Lösungen bei der Schalldämmung. Man kann sie zum einen gezielt im Mikrodesign verändern, um bestimmte Frequenzen zu dämpfen oder auszulöschen. Zum anderen kann man sie auch verwenden, um akustische Linsen zur Schallbündelung zu fertigen. Metamaterialien erlauben eine tiefe und breitbandige Reduktion von schädlichen Strukturschwingungen und Geräuschen in einer Größenordnung, die mit konventionellen Maßnahmen wie Vibrationsabsorbern oder klassischen Dämpfungsmaterialien kaum realisierbar ist.

Wie funktionieren akustische Metamaterialien?

Akustische Metamaterialien sind künstlich hergestellte Strukturen, die entwickelt wurden, um Schallwellen auf eine Weise zu kontrollieren, die mit natürlichen Materialien schlichtweg nicht möglich ist (Bild 1). Während herkömmliche Materialien Schall basierend auf ihrer chemischen Zusammensetzung (wie Dichte oder Elastizität) dämpfen oder reflektieren, beruht die Wirkung von Metamaterialien auf ihrer geometrischen Struktur. Zwei Hauptmechanismen sind dabei ausschlaggebend: Der Bragg-Effekt nutzt periodische Inhomogenitäten in Festkörpern oder Gasen wie beispielsweise angeordnete Massen oder Stege. Diese erzeugen durch destruktive Interferenz der Wellen breite Stoppbänder (Frequenzbereiche, in denen keine freie Wellenübertragung stattfindet). Die Position des Stoppbands wird von der Gitterkonstante der Struktur bestimmt. Das zweite Prinzip, die Nutzung lokaler Resonanzen, basiert auf in die Struktur eingebetteten Resonatoren. Die Mikrostrukturen führen dazu, dass in definierten Frequenzbereichen die effektive dynamische Masse bzw. die effektive Steifigkeit negativ wird. Dieser Effekt ist kein Materialeigenschaftswechsel im klassischen Sinne, sondern eine emergente Eigenschaft des schwingungsfähigen Gesamtsystems. Dadurch ist die Schall- oder Körperschallausbreitung stark eingeschränkt. Über die hohe Flexibilität bei der Platzierung und Abstimmung der Resonatoren können Schwingungsreduzierungen gezielt gewünschte Frequenzen dämpfen und beispielsweise den Hörkomfort erhöhen. Dadurch eignen sich die Materialien für breitbandige Schalldämpfung ebenso wie für gezielte akustische Linsenfunktionen. Dabei lassen sich Funktion und Frequenzbereich hochpräzise einstellen bei minimalem Materialeinsatz und geringer zusätzlicher Masse.

Vielfältige Anwendungsgebiete

Vibroakustische Metamaterialien bieten die Möglichkeit einer gezielten Steuerung von Schall- und Schwingungsverhalten in Bauteilen von Fahrzeugen, Maschinen, der Gebäudeakustik, bis hin zur Raumfahrt. Sie lassen sich einfach in Leichtbaustrukturen integrieren und erlauben dabei eine für viele Anwendungen bislang nicht erreichbare Reduktion unerwünschter Strukturschwingungen. Typischerweise sind Dämpfungen von 20 bis zu 40 dB im relevanten Frequenzband möglich, in optimierten Versuchsanordnungen wurden sogar noch höhere Werte erzielt. Die konkrete Dämpfung hängt dabei stark von Geometrie, Fertigungstoleranzen und Einbausituation ab. Ergebnis ist eine gezielte Schallabsorption und das über breite Frequenzbereiche. Für die flexible Anpassung an wechselnde Betriebsbedingungen sind Baukastensysteme aus Resonatoren, teils ergänzt durch aktorisch-sensorische Module das Mittel der Wahl. Das erlaubt nachhaltige Schalldämmung insbesondere für den Mobilitätssektor aber auch in der Medizintechnik. Zahlreiche weitere Anwendungsgebiete zeichnen sich ab, so werden vibroakustische Metamaterialien z.B. für die Reduktion von Schwingungen an Träger‑ und Satellitenstrukturen erforscht und an maßstabsgetreuen Demonstratoren erfolgreich erprobt

Individuelle Fertigung und Charakterisierung

Moderne additive Fertigungsmethoden wie 3D-Druck (z. B. SLS, SLA, FDM) oder – für Mikro- und Nanostrukturen – Zwei-Photonen-Lithografie ermöglichen heute die Herstellung hochkomplexer Strukturen in feinster Auflösung mit bislang unerreichten Topologien in höchster Präzision bis hinunter in Mikro- und Nanodimensionen. Metamaterialien reagieren aber hochsensibel auf kleinste Strukturänderungen oder Fertigungsabweichungen. Selbst minimale Toleranzen schwächen die Funktion, verschieben Resonanzen, verändern Bandlücken oder die gewünschte Dämpfung. Schwingungs- und Akustikphänomene in Metamaterialien zu messen, erfordert deshalb hochauflösende, kontaktfreie Verfahren. Die berührungslose Laservibrometrie ist daher momentan das Mittel der Wahl für die experimentelle Untersuchung von AMM. Laservibrometer wie das VibroFlex oder das VibroScan von Polytec messen berührungslos über den Doppler-Effekt die Schwinggeschwindigkeit an der Bauteiloberfläche; aus diesen Daten lassen sich Weg und Beschleunigung ableiten (Bild 2). Solche Messungen sind sowohl punktuell als auch flächig rasternd möglich. Eigenmoden sowie die Fortpflanzung von Wellen können so sehr genau visualisiert werden. Damit lassen sich etwa Stoppbänder direkt nachweisen. Auch Modenformen zu identifizieren und das Dämpfungsverhalten zu quantifizieren, ist möglich. Bei dunklen oder komplex strukturierten Oberflächen stoßen herkömmliche Laservibrometer allerdings oft an ihre Grenzen. Die QTec® Multi-Path-Interferometrie von Polytec setzt hier neue Maßstäbe (Bild 3). Sie erfasst mehrere Speckle-Signale gleichzeitig und erreicht damit ein außergewöhnlich gutes Signal-Rausch-Verhältnis. Drop-Outs werden minimiert und Messzeiten signifikant verkürzt.

Typische Fragestellungen für branchenspezifische Entwicklungen

Die Laservibrometrie kann dabei helfen viele spezifische Fragestellungen für die Entwicklung von AMM beantworten, wie z.B.

  • Wo und wie entstehen Stoppbänder und welche Bandbreite decken sie ab?
  • Wie lauten die Eigenfrequenzen und Modenformen der Strukturen?
  • Wie wirksam werden Körperschall und Schwingungen im Zielbereich gedämpft?
  • Wie gut stimmen Simulationsergebnisse und Labormessungen überein – sowohl in der Geometrie als auch in der akustischen Wirkung?
  • Wie stabil ist das Verhalten gegenüber Alterung, Temperatur, Materialfehlern und Belastungswechseln?
  • Wie beeinflusst die Resonatoranordnung das Gesamtsystem, und lassen sich aktive Module zur adaptiven Bandsteuerung integrieren?

Nicht alle diese Fragestellungen betreffen alle Anwendungen. Bei einmal verwendeten Raketen spielt die Alterung gegenüber dem Gewicht eine untergeordnete Rolle, bei Gebäuden oder in Fahrzeugen dagegen ist sie wichtig. Gerade bei Leichtbaustrukturen im Fahrzeug- und Maschinenbau ist die Integration vibroakustischer Metamaterialien eine Methode, um Zielkonflikte zwischen Gewichtseinsparung und Lärm- bzw. Schwingungsreduktion zu lösen (Bild 4). Bei der Gebäude- und Verkehrstechnik ergeben flächige Schalldämpfung oder eine gezielte Schallablenkung maßgeschneiderte Lösungen für Innenräume, Lärmschutzwände oder die Klanggestaltung eines Opernhauses durch adaptive Metamaterialien. In der Raumfahrt- und Medizintechnik ist der Einsatz in Komponenten gefragt, bei denen Präzision essenziell ist und dadurch Vibrations- und Gewichtsreduktion gleichzeitig gefordert werden.

Ausblick: Adaptive vibroakustische Metamaterialien

Die Forschung an akustischen Metamaterialien ist aktuell hochdynamisch. Besonders adaptive, aktorisch-sensorische Metamaterialien, die etwa bei wechselnden Lasten oder Umgebungen „mitdenken“ und ihre Eigenschaften aktiv anpassen können, sind gefragt. Messungen mit Laservibrometern spielen dabei eine Schlüsselrolle als Bindeglied zwischen Entwurf, Simulation, Prototyping und realer Anwendung und sind aus der modernen Material- und Akustikforschung nicht mehr wegzudenken.

Infokasten: Einfacher Zugang zur Messtechnik, auch bei knappen Budgets

Gerade im jungen Forschungsfeld der Metamaterialien benötigen Ingenieure hochpräzise Messdaten. Doch die Investition in modernste Messtechnik ist oft eine Hürde, da Budgets nicht eingeplant sind. Polytec begegnet diesem Zielkonflikt mit flexiblen Modellen wie PolyMeasure, Messdienstleistungen durch erfahrene Experten, oder PolyRent, der kurzfristigen Miete kompletter Systeme. So lassen sich auch ohne hohe Investitionskosten Projekte zuverlässig umsetzen.

Bildmaterial:

Aufmacherbild: Multi-Path-Interferometrie (Bild/Urheber: Polytec)

Laservibrometer wie das VibroFlex oder das VibroScan messen berührungslos über den Doppler-Effekt die Schwinggeschwindigkeit an der Bauteiloberfläche (Bild/Urheber: Polytec)

Polytec VibroScan LDV misst das Schwingverhalten der Oberflächen und Verbindungen einer 3D-gedruckten Gitterstruktur (Bild/Urheber: Polytec)

Autoren:

Dr. Heinrich Steger, Leitung Strategisches Produktmarketing Vibrometrie

Dipl. Chem. Andreas Zeiff, Redaktionsbüro Stutensee

( http://www.rbsonline.de )

Firmenkasten: Über Polytec

 Polytec entwickelt und produziert berührungslose Messtechnik für Forschung und Industrie. Als Pionier der Laservibrometrie ist das Unternehmen Weltmarktführer in der optischen Schwingungsmesstechnik. Zum Portfolio gehören Lösungen für Vibrometrie, 3D-Oberflächencharakterisierung, Längen- und Geschwindigkeitsmessung sowie Prozessanalytik. Ergänzt wird das Portfolio durch optische Systeme im Distributionsgeschäft. Mit mehr als 400 Mitarbeitenden ist Polytec weltweit aktiv. Neben dem Stammhaus in Deutschland verfügt das Unternehmen über internationale Niederlassungen in Europa, Asien – darunter nun auch Indien – und den USA sowie über ein globales Netzwerk an Vertriebspartnern. Diese Struktur ermöglicht eine enge Betreuung von Kunden in Forschung, Entwicklung, Produktion und Qualitätssicherung weltweit.