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Besserer Lärmschutz durch vibroakustische Metamaterialien

von redaktion
Fraunhofer, Vibroakustische Metamaterialien

Eine Entwicklung des Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt im Auftrag der ASFINAG, österreichische Autobahnen- und Schnellstraßen-Finanzierungs-Aktiengesellschaft, soll für verbesserte Lärmschutzwände an Autobahnen sorgen. Die Forscher haben dafür einen Glas-Lärmschutz-Prototypen entwickelt, der mithilfe vibroakustischer Metamaterialien (VAMM) im Labor eine Übertragungsreduktion von bis zu 20 Dezibel (dB) im Vergleich zu einer konventionellen Lärmschutzwand erzielen konnte.

Ausgangspunkt für dieses Projekt war die Challenge „Autobahnen und Schnellstraßen: Lärmlast durch Technologie reduzieren“, die von der ASFINAG gemeinsam mit der IÖB (Innovationsfördernde öffentliche Beschaffung) im Jahr 2020 ausgeschrieben worden war. Das Konzept des Fraunhofer-Instituts konnte die Jury schließlich überzeugen, sodass die ASFINAG das Institut mit einer Laborprototypen-Erstellung beauftragte. Die Darmstädter Forscher beschäftigten sich bereits in anderen Forschungsprojekten mit VAMM, zum Beispiel im Maschinenbau oder der Luft- und Raumfahrt. Dabei ging und geht es um unterschiedliche Konzepte von lokalen Resonatoren. Das daraus gewonnene Know-how reicht von der Berechnung und Konzeptentwicklung bis hin zum Prototypenbau. Wichtig für die spätere Anwendung dieser Forschung ist vor allem die Entwicklung von VAMM, die in Großserie hergestellt werden können.

Schwingungsmindernde Materialien in Lärmschutzwänden

Im Forschungsverlauf konnte eine Reduktion von bis zu 20 Dezibel (dB) in der Schallübertragung erreicht werden. Zur Veranschaulichung: eine Reduktion des Schalldruckpegels um sechs dB bedeutet bereits eine Halbierung der wahrgenommenen Lautstärke. „Wir sehen in VAMM ein großes Potenzial in der effektiven Reduktion von Vibrationen und Lärm bei gleichzeitig geringerem Ressourceneinsatz“, betont Projektleiter Sebastien Rieß aus dem Fraunhofer LBF.

VAMM können in unterschiedlichen Formen und mit individuell anpassbaren Funktionen entwickelt werden und bewirken ein deutlich verbessertes Schwingungsverhalten von Bauteilen. © Fraunhofer LBF, Raapke

Vibroakustische Metamaterialien ermöglichen es, das Schwingungsverhalten von Strukturen zu beeinflussen und könnten einen Meilenstein in der Weiterentwicklung der Lärmschutz-Technologie bedeuten. VAMM werden aus mehreren periodisch angeordneten Einheitszellen gebildet – dem kleinsten identischen Teil der Grundstruktur, auf dem ein Resonator (Feder-Masse System) sitzt. Die lokalen Resonatoren sind auf der Subwellenlängenskala der einfallenden Welle platziert und auf eine Resonanzfrequenz abgestimmt, bei der eine Schwingungsreduktion erforderlich ist. Die Wechselwirkung zwischen den lokalen Resonatoren und der einfallenden Welle führt zu einem Frequenzbereich mit hoher Schwingungsreduktion. „Vereinfacht gesagt, wird eintreffender Luftschall in Körperschall gewandelt. Dieser wird durch die Schallschutzwand nicht weiter- oder abgeleitet, sondern absorbiert“, erklärt Peter Rath, Fachmann für Video- und Akustikdetektion in der ASFINAG Maut Service GmbH.

Gefördert von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft soll Mitte 2022 die Ausschreibung zu einer Innovationspartnerschaft für vibroakustische Metamaterialien erfolgen – mit dem Ziel, den Laborprototypen auf die Autobahnen und Schnellstraßen zu bringen.


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