2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/16282Die Vorhersage des akustischen Verhaltens von Systemen, die Materialien mit komplexer Mikrostruktur beinhalten, ist aus mehreren Gründen eine große Herausforderung. Zum einen ist es sehr aufwendig, hochauflösende numerische Modelle mit Hilfe von geometriekonformen Diskretisierungen aufzubauen und zum anderen müssen alle physikalisch relevanten Wechselwirkungen der Struktur sowohl mit dem umgebenden als auch mit dem eingeschlossenen Fluid berücksichtigt werden. Die geometriekonforme Diskretisierung von heterogenen Materialien mit komplexer Mikrostruktur führt in der Regel zu einer sehr hohen Anzahl von finiten Elementen und somit zu nicht vertretbaren Rechenzeiten. Als zielführende Alternative haben sich in den letzten Jahren fiktive Gebietsmethoden, wie die Finite CellMethod (FCM), herauskristallisiert. Zur Erfassung der akustischen bzw. vibroakustischen Eigenschaften muss die FCM für das neue Anwendungsgebiet in einigen Aspekten erweitert werden. Zunächst müssen die akustische Wellengleichung für Berechnungen im Zeitbereich und die Helmholtz-Gleichung für Analysen im Frequenzbereich mit Hilfe von fiktiven Gebietsmethoden diskretisiert werden. Weiterhin müssen geeignete Kopplungsstrategien zwischen dem Struktur- und Fluidgebiet entwickelt werden. Die Teilfelder können dabei sowohl schwach (rückwirkungsfrei) als auch stark (rückwirkungsbehaftet) gekoppelt werden. Der Vorteil von fiktiven Gebietsmethoden ist neben der hochgenauen Auflösung der Geometrie (trotz nicht konformer Diskretisierung) die Möglichkeit der Überlagerung von Struktur- und Fluidelementen. Damit kann eine effektive Strategie zur vibroakustischen Kopplung heterogener Materialien entwickelt werden. Der numerische Aufwand dieser komplexen Simulationen ist auch unter Nutzung fiktiver Gebietsmethoden immer noch sehr hoch. Daher ist es ein weiteres Ziel, neben den mikrostrukturell aufgelösten Modellen auch vereinfachte Modelle auf der Basis von Verfahren zur numerischen Homogenisierung abzuleiten. Trotz der starken Abstraktion der Wirklichkeit wird erwartet, dass für verschiedene Anwendungen brauchbare Ergebnisse erzielt werden können. Der letzte Schwerpunkt des Projektes besteht in der experimentellen Validierung der entwickelten numerischen Methoden. Dazu werden verschiedene Versuchsstände genutzt. Für die Umsetzung der vibroakustischen Kopplung ist das Schwingungsverhalten der Struktur entscheidend. Dieses kann mit Hilfe eines 3D-Laser-Scanning-Vibrometers untersucht werden. Zusätzlich werden die frequenzabhängigen akustischen Parameter unter Nutzung verschiedener einfacher Messaufbauten, wie bspw. einem Kundtschen Rohr, gemessen und jeweils mit den simulativ ermittelten Ergebnissen verglichen. Weiterhin wird in einem Freifeldraum die Schallabstrahlung mit Hilfe von Mikrofon-Arrays und Fernfeldmikrofonen vermessen. Auf der Basis dieser Daten kann die Leistungsfähigkeit der implementiertenModelle nachgewiesen werden. Abschließend werden Richtlinien für deren Nutzung abgeleitet.Even today, the prediction of the acoustical behaviour of components made of materials exhibiting a highly heterogeneous microstructure isa very demanding and challenging task. There are several reasons that make this problem so difficult to solve. On the one hand, the microstructure can only be accurately resolved if a large number of inite elements are deployed. On the other hand, all physically relevant interactions between the structural and fluid domain need to be taken into account. As mentioned before the body-fitted discretization of highly complex structures demands a large number of finite elements (degrees of freedom) and thus results in inacceptable computational times. Consequently, alternative methods, such as fictitious domain approaches, are required. Over the last years fictitious domain methods, such as the finite cell method (FCM), have proven their capabilities. To account for the vibroacoustic properties of microstructured materials these methods need to be extended. Therefore, the acoustic wave equation in the time domain or the Helmholtz equation in the frequency domain need to discretized by means of the FCM. Moreover, suitable coupling strategies that result in a weak or strong coupling need to be devised. Here, the main advantage of fictitious domain methods is the ability to take complex geometrical features into account while being able to straightforwardly superimpose cells with mechanical and fluidic properties. Thus, an efficient and robust strategy for vibroacoustic problems can be set up. Despite the application of nonconforming discretizations the numerical effort is still considerably large. Therefore, a second idea uses simplified numerical models based on homogenization techniques. To this end, the structure is assumed to consist of a homogeneous medium where the microstructure is neglected. In spite of this model simplification it is still expected to achieve reasonable results for specific applications. Besides the development of numerical methods a second focus is put on a comprehensive validation procedure. In this context, different experimental set-ups are deployed. To check the vibrational behavior of the structure under investigation a 3D laserscanning-vibrometer is used. In addition, the frequency-dependent acoustic parameters are measured by means of simple experimental set-ups such as an impedance tube and the results are compared to the numerically obtained values. As a last step the sound pressure radiation is tested in an anechoic room using microphone arrays and far field microphones. The acquired data are the foundation for illustrating the performance of the proposed methods.