Intelligente Strukturen schlucken Schwingungen und Schall

Intelligente Strukturen schlucken Schwingungen und Schall

Stimmgabel – Beispiel für eine Schwingungsberuhigung. Bild: Fraunhofer LBF
Stimmgabel – Beispiel für eine Schwingungsberuhigung. Bild: Fraunhofer LBF

Schwingungen und Schall sind eng verkoppelt. Beide sind im Alltag überall präsent. Straßenlärm, Klimaanlagengeräusche in Bürogebäuden oder Maschinenschall in der industriellen Fertigung – unser Leben ist voll von störenden Geräuschen. Ebenso sind Schwingungen beim Auto oder Bahn fahren, beim Fliegen oder bei der modernen Produktion allgegenwärtig und stören Menschen und Produktqualität.

Neue intelligente Werkstoff- und Struktursysteme, die unangenehme und schädliche Schwingungen und Geräusche neutralisieren, entwickeln Forscher der Technischen Universität Darmstadt und des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in einem gemeinsamen Forschungszentrum in Darmstadt. Das Ziel der Wissenschaftler sind Strukturen, die sich den jeweiligen Störungen automatisch anpassen. Solche anpassungsfähige – Forscher sagen adaptronische – Systeme sind nötig, da sich Schwingungen und Geräusche, oder genauer die schwingungstechnische Erregung oder Reaktion der Strukturen, sich während des Betriebs ständig ändern – etwa dann, wenn ein Auto beschleunigt.

Sensible Sensoren

Das Weinglas bleibt in Ruhe trotz Vibrationen von unten. Bild: Fraunhofer LBF
Das Weinglas bleibt in Ruhe trotz Vibrationen von unten. Bild: Fraunhofer LBF

Adaptronische Systeme sind allgemein solche Systeme, die sich veränderten äußeren Bedingungen selbsttätig anpassen können. Mit möglichst wenig Energie und geringem Materialeinsatz passen sich die adaptronischen Systeme dem Betrieb an und verringern Störungen aus der Umgebung. Dafür werden neuartige, intelligente Werkstoffe in die Struktur integriert. Aus einer passiven wird eine aktive Struktur, die sich ständig nachreguliert und sich optimal der aktuellen Situation anpasst. Das Prinzip ist einfach: Im Werkstoff eingebettete Sensoren messen, aus welchen Tönen bzw. Frequenzen sich ein Geräusch zusammensetzt. Die Sensoren erfassen die Schwingung und das Verhalten der Struktur.

Ebenfalls ins Material eingebettete verformbare Bauelemente, so genannte Aktoren, wandeln das Messsignal der Sensoren in Gegenschwingungen um. Schwingung und Gegenschwingung werden überlagert und löschen sich gegenseitig fast aus, die sogenannte destruktive Interferenz, und das Geräusch wird deutlich leiser. Leonardo da Vinci hat dieses Konzept für eine aktive Schall- und Schwingungskompensation bereits um 1500 als Gedankenspiel formuliert. Erst heute sind die Forscher in der Lage, dieses kommerziell in technischen Produkten umzusetzen.

Weniger Aufwand, mehr Sicherheit

Integrierte Schadensüberwachung an einer Modellwindmühle. Bild: Fraunhofer LBF
Integrierte Schadensüberwachung an einer Modellwindmühle. Bild: Fraunhofer LBF

In Hinblick auf die Entwicklung und Umsetzung innovativer und effizienter Leichtbaustrukturen kommt der Adaptronik insbesondere bei den miteinander gekoppelten Phänomenen Schwingung und Lärm (Vibroakustik) besondere Bedeutung zu. In Zukunft könnten Autobleche, Trennwände in Großraumbüros, Glasfassaden oder Schwingungstilger in Fahrzeugen aus adaptronischen Materialien bestehen. Solche Werkstoffe können den Leichtbau voranbringen. Leichte Materialien wie Karbonfaser-Verbundwerkstoffe geraten nämlich leichter ins Schwingen und absorbieren Lärm daher schlechter als die schwereren Metalle. Anpassungsfähige Systeme zur Lärm- und Schwingungskontrolle könnten diesen Nachteil „leicht“ ausgleichen. Der Vorteil für moderne Produkte liegt auf der Hand.

Ins Material eingebettete Sensoren können auch helfen, den Wartungsaufwand für Flugzeuge aus Leichtbaumaterialien oder schwer erreichbare Windkraftanlagen auf hoher See zu vermindern. Sie können den Zustand von Bauteilen aus Karbonfaser permanent überwachen und auch kleinste, für das menschliche Auge nicht sichtbare Schäden detektieren und sie per Funk an einen Computer melden. Wartungen müssen dann nur noch bei Bedarf vorgenommen werden – ein Gewinn an Sicherheit trotz geringerem Aufwand.

Erste Erfolge mit Systemen, die für exemplarische Anwendungen funktionieren, haben die Darmstädter Forscher bereits erzielt. Nun wollen sie mit Hilfe von neuentwickelten Materialien, etwa Keramiken oder Kunststoffen, adaptronische Systeme bauen, die breiter und vielfältiger eingesetzt werden können.

Adaptronische Werkstoffe gelten als Schlüssel für eine leise und sichere Welt aus Leichtbaumaterialien. Der Schlüssel könnte aus Darmstadt kommen.