Vibroacoustic behaviour of sandwich structures with spatially distributed resonators

Abstract

Lightweight constructions are based on multi-layer structures. Typical lightweight structures are also commonly known as sandwich structures which can be designed to have satisfactory sound insulation at high frequencies but do not perform well at low frequencies. The objective of this thesis is to investigate the implementation of internal resonators to improve the sound insulation of sandwich constructions at low frequencies with least possible mass increase. The research is carried out using double panel lightweight partitions. The benefits of double panel partitions are combined with the frequency dependent effect of distributed internal resonators. As internal resonant system, for this investigation internal vibration absorbers are implemented into the cavity of a double panel partition. With the focus on low frequencies, the interaction of the internal vibration absorbers with the modal behaviour of the panels is of particular interest. Based on the modal expansion method beam and plate models are derived. These analytical models allow the calculation of the sound transmission loss for both normal and oblique sound incidence. A tuning approach is derived using a simplified mass-spring model. This approach enabled the design of internal vibration absorbers for specific acoustical conditions. A significant increase in the sound reduction index at low frequencies was achieved by tuning the effect of the internal vibration absorbers to the structural resonance of the host double panel structure. The increase in the sound reduction index is experimentally verified in a semi-anechoic chamber. For this purpose, the influence of the internal vibration absorbers on the vibroacoustic characteristic of a double panel structure is determined by comparing the measured radiated sound power of the host structure with and without absorbers. This study successfully applied internal resonators to finite lightweight double panel structures for increasing the sound reduction at the MAMresonance. Since modal formulations allowed the investigation of mass efficient resonator distributions, the frequency dependent increase in the sound reduction was achieved without a significant mass penalty.

Leichtbaukonstruktionen sind gewöhnlich mehrschichtig aufgebaut, beispielsweise als zweischaliges Sandwichbauteil. Der zunehmende Einsatz solcher Leichtbauanwendungen aus ökonomischen und ökologischen Gründen erschwert einen hochwertigen Schallschutz, insbesondere bei tiefen Frequenzen. Unter der Nutzung der Vorteile von mehrschaligen Plattenstrukturen zielt diese Dissertation auf eine effiziente gewichtsminimierte Anwendung interner Resonatoren. Damit kann eine frequenzabhängige Verbesserung der Schalldämmung bei tiefen Frequenzen erreicht werden. Für die durchgeführten Untersuchungen wurde eine doppelwandige Leichtbaukonstruktion mit Hohlraum zwischen den Schalen als Trägerkonstruktion herangezogen. Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung von internen Schwingungsabsorbern, welche in den Hohlraum eingebracht werden. Aufgrund der erwünschten Verbesserung der Schalldämmung bei tiefen Frequenzen ist ein Hauptaugenmerk dem modalen Verhalten der Grundstruktur gewidmet. In diesem Zusammenhang untersucht die Arbeit die Wirkung von an definierten Punkten eingebrachten internen Schwingungsabsorbern. Basierend auf der Methode der modalen Entwicklung wurde ein Balken- und ein Plattenmodell erstellt. Diese beiden Rechenmodelle ermöglichen es, den Zusammenhang der Positionierung der internen Resonatoren in Abhängigkeit von den Schwingungsmoden der Platten zu analysieren. Weiterhin wurde mit einem Feder-Masse-Modell ein Werkzeug zur Abstimmung der internen Resonatoren geschaffen. Zur Verifizierung des Einflusses der internen Schwingungsabsorber wurden Messungen in einem Halbfreifeldraum durchgeführt. Dabei wurde der Einfluss der Schwingungsabsorber auf die Grundstruktur anhand der abgestrahlten Schallleistung ermittelt. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass durch den Einsatz interner Resonatoren eine deutliche frequenzabhängige Verbesserung der Schalldämmung erreicht werden kann. Dabei handelt es sich um ein internes Absorbersystem, dessen Masse bei einer späteren industriellen Umsetzung in ein federndes Material eingebracht werden kann.