Den richtigen Ton treffen

„Das Labor ist ein echter Sprung für die Akustikforschung in der Rhein-Main-Region“, erklärt Tobias Melz, Professor für Systemzuverlässigkeit, Adaptronik und Maschinenakustik (SAM) an der TU Darmstadt und Leiter des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF). Künftig laufen auf dem TU-Campus Lichtwiese experimentelle Analysen an einzelnen Komponenten und kompletten Maschinen bis hin zu Fahrzeugen. Forschende der TU Darmstadt wollen in Kooperation mit Partnern aus Industrie und Forschung neue Verfahren und Methoden entwickeln, mit denen sie die Entstehungs- und Ausbreitungsmechanismen des Schalls besser verstehen und die Akustik einer Maschine zielgerichtet und am Bedarf der Kunden orientiert gestalten können.

Was das für die Praxis bedeutet, zeigt das Beispiel Automobilindustrie. Es ist herausfordernd, akustische Eigenschaften im Vorfeld hinreichend genau zu designen. Oft entstehen diese erst im Produktentstehungsprozess. Ist der Produkt-Prototyp dann fertig und es treten störende Geräusche auf, fallen Nachbesserungen an – das kostet Zeit und Geld. Gleichzeitig ist ein markenspezifisches Akustikerlebnis, das den Fahrenden vertraut ist, durchaus erwünscht und auch kaufentscheidend – der Klassiker ist das assoziativ aufgeladene dumpfe Geräusch, wenn die Tür eines Autos der Oberklasse geschlossen wird. Gefragt sind also Lösungen, die beides – die Vermeidung lästiger und die Erzeugung gewünschter Geräusche – von Beginn an sicherstellen. „Deswegen bauen wir auf eine möglichst frühe akustikgerechte Gestaltung, die am besten direkt an der Schallquelle ansetzt“, berichtet Christian Adams, Wissenschaftler am Fachgebiet SAM der TU Darmstadt.

Will man die Geräusche beeinflussen, sind drei physikalische Größen wichtig: Masse, Steifigkeit und Dämpfung. „Um Fahrzeugteile mit Blick auf diese Größen richtig auslegen zu können, brauchen wir einen vielseitigen Methodenkoffer“, sagt Adams. Denn nicht nur die Strukturen im Fahrzeug müssen richtig designt werden, sondern alle wichtigen Wechselwirkungen sind zu berücksichtigen, die mit dem Material oder der Fertigungsweise zusammenhängen. Relevant wird dies zum Beispiel beim Thema Elektromobilität. Ein Elektromotor ist anders als ein Verbrenner nicht nur zu leise, um unerwünschte Geräusche zu kaschieren. E-Fahrzeuge müssen mit Blick auf die Reichweite auch möglichst leicht sein. Leichtbau und akustikgerechte, schwingungsarme Lösungen stehen aber typisch im Widerspruch zueinander. „Das gilt es zu verstehen und frühzeitig zu antizipieren“, sagt Melz.

Es braucht also innovative Methoden und Verfahren für ein vorausschauendes „akustikgerechtes Gestalten“. Die neuen Akustiklabore machen es möglich, sie unter klar definierten Rahmenbedingungen weiterzuentwickeln und zu validieren. „Wir arbeiten hier in einem völlig störentkoppelten Bereich, das heißt wir fokussieren auf die Geräusche, die wir für ein bestimmtes Experiment brauchen und blenden alle anderen aus“, berichtet Adams.

Im ersten Schritt betrachten die Forschenden den Körperschall. Wenn ein Auto gestartet wird, setzt der Motor Schwingungen frei, deren Energie sich in der Struktur des Fahrzeugs als Körperschall ausbreitet. An der Strukturoberfläche wird der Körperschall des Motors zum Beispiel als Luftschall in das Innere des Fahrzeugs abgestrahlt; der Insasse nimmt dies wahr. Die Kunst ist es zu erreichen, dass im Innenraum möglichst kein störender Schall abgestrahlt wird und im Außenraum der Verkehrslärm die Umwelt nicht belastet.

Um Körperschall- und Luftschall richtig auszutarieren, haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter anderem zwei wirksame Hebel identifiziert. Der eine ist die Strukturintensität, eine Größe, die zeigt, wie sich die Energie des Körperschalls durch die Struktur ausbreitet. So wollen die Forschenden nachvollziehen, welchen Weg der Körperschall genau nimmt, um ihn dann gezielt zu steuern.

Zweiter Ansatzpunkt ist die sogenannte Low-Tone-Verzahnung von Übersetzungsmechanismen. Hierbei werden die Zähne eines Getriebes geometrisch unregelmäßig angeordnet – ein Novum in den Ingenieurwissenschaften, das dafür sorgen soll, dass Körperschall sich auf viele Frequenzen gleichmäßig verteilt und unangenehme einzelne Töne sich weniger ausprägen. Innovationen aus der Grundlagenforschung wie diese sollen nun in Kooperation mit der angewandten Forschung und Partnern aus der Industrie so optimiert werden, dass sie skalierbar, bezahlbar und damit perspektivisch reif für die Praxis werden.