Schalldämmung strukturierter Bleche

Sound insulation of structured sheet metal

  • Strukturierte Bleche besitzen eingeprägte, regelmäßige Beulungen und Geometrien, die ihre Biegesteifigkeit in einigen Bauteilachsen gegenüber glatten Blechen erhöhen. Somit bieten sie großes Potenzial für den Leichtbaueinsatz, etwa in der Fahrzeugtechnik oder der Luftfahrt. Jedoch hat diese erhöhte Steifigkeit einen nachteiligen Effekt auf die Schalldämmung. Nicht nur, dass bei Einsatz solcher Bleche mit ähnlicher Steifigkeit wie glatte Blechen eine Verringerung der Blechdicke und damit der flächenbezogenen Masse zu erwarten ist, auch da die strukturierten Bleche orthotrope Eigenschaften besitzen, verringert sich die Luftschalldämmung. Dies ist der Fall, da sich der Bereich der Koinzidenzfrequenzen, in dem das Schalldämmmaß vergleichsweise gering ist, über einen größeren Frequenzbereich erstreckt. Eine Möglichkeit, die Schalldämmung von leichten und steifen Wänden zu erhöhen, ist die Verwendung von Doppelwandkonstruktionen. Die hier betrachteten strukturierten Bleche aus Stahl der Dicke 0,5 mm, 0,7 mm und 1,0 mm besitzen eineStrukturierte Bleche besitzen eingeprägte, regelmäßige Beulungen und Geometrien, die ihre Biegesteifigkeit in einigen Bauteilachsen gegenüber glatten Blechen erhöhen. Somit bieten sie großes Potenzial für den Leichtbaueinsatz, etwa in der Fahrzeugtechnik oder der Luftfahrt. Jedoch hat diese erhöhte Steifigkeit einen nachteiligen Effekt auf die Schalldämmung. Nicht nur, dass bei Einsatz solcher Bleche mit ähnlicher Steifigkeit wie glatte Blechen eine Verringerung der Blechdicke und damit der flächenbezogenen Masse zu erwarten ist, auch da die strukturierten Bleche orthotrope Eigenschaften besitzen, verringert sich die Luftschalldämmung. Dies ist der Fall, da sich der Bereich der Koinzidenzfrequenzen, in dem das Schalldämmmaß vergleichsweise gering ist, über einen größeren Frequenzbereich erstreckt. Eine Möglichkeit, die Schalldämmung von leichten und steifen Wänden zu erhöhen, ist die Verwendung von Doppelwandkonstruktionen. Die hier betrachteten strukturierten Bleche aus Stahl der Dicke 0,5 mm, 0,7 mm und 1,0 mm besitzen eine sechseckige Wabenstruktur und eine etwa dreifach höhere Biegesteifigkeit gegenüber glatten Blechen gleicher Dicke. Die Strukturen sind parametrisiert durch ihre Schlüsselweiten, die Wabengrößen, von 33 mm, 43 mm und 51 mm. Weiterhin werden kleinere Variationen dieser Strukturgeometrien verwendet. In der vorliegenden Dissertation wird die Luftschalldämmung von Einfachwänden und von Doppelwänden aus glatten und aus strukturierten Blechen untersucht. Im Gegensatz zu den Kenntnissen über Vorhersage der Luftschalldämmung bei Einsatz von glatten Blechen ist diese Vorhersage für strukturierte Bleche nicht ohne Weiteres möglich. Es werden daher numerische Modellierungen und Berechnungen des Schalldämmmaßes dieser Konstruktionen mit der Finite-Elemente-Methode vorgestellt. In einem Fensterprüfstand erfolgte Messungen dieses Parameters an glatten und strukturierten Blechproben werden mit den Simulationsergebnissen verglichen. Ergänzend werden analytische Berechnungen zur Schalldämmung isotroper und orthotroper Platten durchgeführt. Der betrachtete Frequenzbereich erstreckt sich immer bis mindestens 10 kHz. Die Schalldämmung strukturierter Einfachwände verhält sich unterhalb eines gewissen Frequenzbereiches gleich dem einer glatten Wand, ab etwa 4 kHz tritt in ähnlicher Form bei allen Blechdicken und Schlüsselweiten eine Verringerung des Schalldämmmaßes von bis zu 15 dB auf, diese erstreckt sich bis in sehr hohe Frequenzen. In diesem Frequenzbereich ab 4 kHz aufwärts zeigen sich in der Modalanalyse der Bleche Moden einzelner Waben, die glatte Bleche nicht aufweisen. Auch die Wellenlängen der Biegewellen, die die Bleche in diesem Frequenzbereich ausbilden, besitzen Größenordnungen ähnlich der Wabengrößen. Neben der erhöhten Steifigkeit ist diese Übereinstimmung eine weitere Erklärung für die veränderte und verringerte Schalldämmung strukturierter Bleche. Doppelwände aus strukturierten Blechen zeigen einen ähnlichen Verlauf des Schalldämmmaßes, hier verringert sich die Schalldämmung gegenüber glatten Blechen um bis zu 25 dB. Die Ergebnisse der Simulationen und der Messungen stimmen dabei sehr gut überein und decken sich mit den analytischen Berechnungen. Darauf aufbauend werden Variationen der Schlüsselweite, der Strukturgeometrie, der Wabenhöhe, der Ausrichtung der Waben, des Werkstoffes durch Änderung der flächenbezogenen Masse sowie nur für Doppelwand Variationen des Wandabstandes, der Zwischenraumbedämpfung und der Verbindungsart der Schalen untersucht und die Ergebnisse diskutiert. Es zeigt sich, dass die Luftschalldämmung von Konstruktionen aus strukturierten Blechen berechenbar und somit vorhersagbar ist.show moreshow less
  • Structured sheet metal has periodic embossed bumps and geometries that increase its bending stiffness in several component axes compared to flat sheet metal. Thus, it offers great potential in lightweight construction especially for automotive engineering and aerospace. However, the increased stiffness has an adverse effect on the sound insulation. Using such sheet metal having similar bending stiffness compared to flat sheet metal a decrease of the plate thickness and hence the mass per area is expected. As the structured sheet metal has orthotropic properties, the airborne sound insulation decreases, because the range, where the coincidence frequencies happen within and where the transmission loss is comparatively low, covers a larger frequency range. One option to increase the sound insulation of lightweight and stiff structures is to use double wall constructions. The regarded structured sheet metal made of steel, having a thickness of 0.5 mm, 0.7 mm and 1.0 mm, consists of hexagonal honeycomb structures and has a bendingStructured sheet metal has periodic embossed bumps and geometries that increase its bending stiffness in several component axes compared to flat sheet metal. Thus, it offers great potential in lightweight construction especially for automotive engineering and aerospace. However, the increased stiffness has an adverse effect on the sound insulation. Using such sheet metal having similar bending stiffness compared to flat sheet metal a decrease of the plate thickness and hence the mass per area is expected. As the structured sheet metal has orthotropic properties, the airborne sound insulation decreases, because the range, where the coincidence frequencies happen within and where the transmission loss is comparatively low, covers a larger frequency range. One option to increase the sound insulation of lightweight and stiff structures is to use double wall constructions. The regarded structured sheet metal made of steel, having a thickness of 0.5 mm, 0.7 mm and 1.0 mm, consists of hexagonal honeycomb structures and has a bending stiffness three times higher than flat sheet metal with the same thickness. The structure is parameterized by the bump diameter of 33 mm, 43 mm and 51 mm. Furthermore small variations of these geometries are applied. In this dissertation the airborne sound insulation of single and double wall constructions made of both flat and structured sheet metal is analyzed. Unlike the state of the art of predicting the sound insulation of flat sheet metal this prediction is not readily available. To this end numerical modeling and calculation of the transmission loss of these constructions using finite element method is presented. The results are benchmarked using practical measurements of different flat and structured specimen in a window test chamber. Additionally analytical calculations of the sound insulation of isotropic and orthotropic plates are carried out. The regarded frequency range always extends up to at least 10 kHz. The sound insulation of structured single walls shows a similar course compared to a flat single wall below a certain frequency range, above 4 kHz up to very high frequencies a decrease of the transmission loss occurs in an amount of up to 15 dB in a similar manner for all sheet thickness and bump diameter. Considering a modal analysis of the plates, mode shapes of single honeycomb structures occur that flat plates do not show in the frequency range above 4 kHz. Also the bending wave lengths occurring in this frequency range have the same dimensions as the bump diameter. Besides the increased bending stiffness this match is a further explanation of the deviating and decreased sound insulation of structured sheet metal. Double wall constructions made of structured sheet show a similar course of the transmission loss and the sound insulation decreases up to 25 dB compared to flat sheet metal. The simulation and the measurement results correspond with each other and match with the analytical calculation. Based on this, variations of the bump diameter, the structure geometry, the honeycomb height, the orientation of the honeycombs, the material by modification of the mass per area and in addition variations of the wall clearance, cavity damping and joints only for the double wall constructions are carried out and discussed. It is shown that the airborne sound insulation of constructions made of structured sheet metal is calculable and hence predictable.show moreshow less

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Metadaten
Author: Langhof, Carsten
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-33984
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Sarradj, Ennes
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2014
Date of final exam:2014/09/15
Release Date:2015/03/12
Tag:Doppelwand; FEM; Orthotrope Platte; Schalldämmung; Strukturierte Bleche
Double wall; FEM; Orthotropic plate; Sound insulation; Structured sheet metal
GND Keyword:Schalldämmung; Strukturiertes Blech
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Technische Akustik
Institution name at the time of publication:Fakultät für Maschinenbau, Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen (eBTU) / LS Technische Akustik
Licence (German):Creative Commons - Namensnennung-Nicht kommerziell-Keine Bearbeitung (cc by-nc-nd)