Tag gegen Lärm – Silent Science: Fortschritte im Schallschutz für schwingende Systeme
Im Phaeno-Museum Wolfsburg wurde ein drehender Billardtisch, der die Corioliskraft veranschaulicht, bislang durch starke Lärmemissionen beeinträchtigt. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF entwickelten eine Lösung, die den Schall um etwa 13 Dezibel reduziert. Hierfür wurden Acoustic Black Holes (ABH) unter der rotierenden Scheibe installiert, was das Besuchererlebnis deutlich verbessert und neue Ansätze für Lärmminderung in verschiedenen Anwendungsbereichen eröffnet.
Funktionsweise des Billardtisches im Phaeno-Museum
Der Billardtisch im Phaeno-Museum ermöglicht es Besuchern, eine Kugel auf einer rotierenden Stahlscheibe zu bewegen, wodurch die Corioliskraft sichtbar wird. Durch das Fallenlassen oder Springen der Kugel entstehen jedoch starke Schwingungen, die die Scheibe wie einen Gong zum Schwingen bringen und somit erhebliche Lärmbelästigung verursachen. Herkömmliche Schalldämpfungsmaterialien sind aufgrund der Masse der Scheibe nicht ausreichend wirksam.
Acoustic Black Holes als innovative Lösung
Die Forschenden des Fraunhofer LBF setzten Acoustic Black Holes ein, um die Schwingungen gezielt zu dämpfen. Diese Technologie basiert auf einer Wandstärkenreduktion, die einer Potenzfunktion folgt, wodurch Biegewellen in Bereiche mit geringer Wandstärke geleitet werden. Dort werden sie durch eine Dämpfungsschicht absorbiert, was nahezu keine Reflexion der Schwingungsenergie zulässt. Analog zum astronomischen Schwarzen Loch kann die Wellenenergie das akustische „Schwarze Loch“ nicht verlassen.
Implementierung und Wirkung im Museum
- Das Konzept umfasst fünf Kreissegmente, die an der Unterseite der Drehscheibe montiert sind und den Querschnitt eines Acoustic Black Holes aufweisen.
- Am frei schwingenden Ende der Segmente wird ein Dämpfungsmaterial angebracht.
- Die Struktur wurde in verschiedenen Konfigurationen dynamisch und akustisch getestet.
- Die Schallleistung konnte über einen breiten Frequenzbereich signifikant reduziert werden.
- Die Schwingungsdämpfung erreichte Werte zwischen 40 dB bei 140 Hz und 20 dB bei 1650 Hz.
- Insgesamt wurde eine Schallleistungsreduktion von rund 13 dB im Vergleich zu einer unbehandelten Scheibe erzielt.
Weiterführende Forschung und Potenzial
Dr. Sebastian Rieß vom Fraunhofer LBF erläutert, dass die Schwingungsenergie mit ABH gezielt in einem definierten Bereich vernichtet werden kann. Aktuelle Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf die Integration dieser Technologie in komplexe rotierende Systeme, was neue Maßstäbe in der Lärmreduktion setzen könnte.
Grundlagen der Acoustic-Black-Hole-Technologie
Der Acoustic-Black-Hole-Effekt nutzt physikalische Prinzipien, bei denen Schwingungen in einem speziell gestalteten Absorptionsbereich „eingefangen“ werden und nicht mehr entkommen können. Dies führt zu einer nahezu vollständigen Absorption von Schwingungsenergie. Die Technologie ermöglicht eine effektive Körperschalldämpfung bei reduziertem Materialeinsatz, was sowohl Gewichts- als auch Kostenvorteile mit sich bringt und zudem recyclingfreundlich ist. Anwendungen finden sich insbesondere in Industriebereichen, in denen Schwingungen störend wirken, wie im Maschinenbau und Verkehrswesen.
Kontakt für wissenschaftliche Rückfragen
Dipl.-Ing. Heiko Atzrodt
E-Mail: heiko.atzrodt@lbf.fraunhofer.de
Dr.-Ing. Sebastian Rieß
E-Mail: sebastian.riess@lbf.fraunhofer.de
