Characterization of acoustic absorbers

Abstract

In dieser Arbeit werden Absorber hinsichtlich ihrer akustischen Eigenschaften charakterisiert. Akustische Absorber werden zur Reduktion von Lärm eingesetzt. Solche akustischen Absorber können durch eine Vielzahl von Konzepten realisiert werden. Einerseits existieren aktive Maßnahmen, um Lärm mit Hilfe von elektro¿akustischen Methoden zu reduzieren. Auf der anderen Seite stellen passive und damit energieautarke Absorber eine meist kostengünstigere und robustere Alternative zu aktiven Absorbern dar. Passive Absorber können durch resonante Strukturen, beispielsweise ausgeführt als Helmholtz¿Resonator, realisiert werden. Alternativ dazu können sie auch aus porösem Materialbestehen. Herkömmliche poröse Absorber werden hauptsächlich zur Vermeidung von Lärm im Bereich ab ungefähr 1 kHz verwendet. Hierbei wird die akustische Energie mittels Reibung in Wärme umgesetzt. Ein wichtiges Werkzeug zur akustischen Charakterisierung stellen Intensitätssonden dar. Durch Intensitätssonden kann mit Hilfe eines Schalldruckmikrofons und einem 3D-Schallschnellesensor der akustische Energiefluss bestimmt werden. In dieser Arbeit wird auf diese Weise das Einfügungsdämmmaß von akustischen Absorbern untersucht. Weiterhin wird eine neuartige, simulationsgestützte Kalibrierungsmethode entwickelt, um alle drei Komponenten des Schallschnellesensors simultan mit Hilfe eines Referenzschallfeldes zu kalibrieren. Dieses Referenzschallfeld wird von einem schwingendem Kolben erzeugt und mittels numerischer Methoden analysiert. Die entstandene Kalibrierungsmethode wird charakterisiert und eine Validierung der Methode präsentiert. Von äußerster Wichtigkeit ist die Bestimmung des Absorptionsverhaltens von passiven Absorbern als Funktion des Schalleinfallswinkels. Hierzu werden zwei bestehende Methoden implementiert und entsprechend weiterentwickelt. Das erste Verfahren ist eine Subtraktionsmethode im Zeitbereich. Hier werden die Materialeigenschaften durch die Trennung eines einfallenden und reflektierenden Impulses berechnet. Der zweiten Methode liegt die örtliche Fourier Transformation zu Grunde. Im Zuge dessen werden die akustischen Materialeigenschaften durch die Zerlegung des Schallfelds in ebene Wellenkomponenten auf verschiedenen Messebenen bestimmt. Beide Verfahren werden untersucht und Verbesserungen der Methoden vorgestellt. Passive akustische Absorber werden hinsichtlich ihrer akustischen Eigenschaften unter schrägem Schalleinfall charakterisiert und Aussagen über das Absorptionsverhalten abgeleitet. Diese Materialcharakterisierungen stellen einen wichtigen Baustein dar, um ein Verständnis dafür zu entwickeln, an welcher Stelle Absorber platziert werden müssen, um akustische Energie effizient absorbieren zu können. Darüber hinaus können die Materialdaten als Randbedingung für präzise Simulationen realistischer Schallfelder verwendet werden. Abschließend wird die Entwicklung und Charakterisierung eines akustischen Absorbers für niedrige Frequenzen präsentiert. Durch Anwendung einer massebeladenen Membran kann akustische Energie schmalbandig in mechanische Energie umgewandelt werden, wobei die jeweilige Schwingungsform des Systems einen akustischen Kurzschluss zur Folge hat. Daraus ergibt sich eine ineffiziente Schallabstrahlung dieser mechanischen Energie einhergehend mit einem hohen Durchgangsdämmmaß des Absorbers. Der passive mechanische Absorber wird charakterisiert und eine Anwendung als Absorberarray zur Absorption schmalbandigen Lärms im Frequenzbereich unter 300Hz besprochen.

The focus of this thesis is the characterization of acoustic absorbers. Acoustic absorbers are employed to reduce noise and can be realized by means of numerous concepts. Active strategies aim to reduce noise by employing electro¿acoustical approaches while passive absorbers present a more cost¿efficient and robust alternative. Passive absorbers can be realized by either using resonant structures such as Helmholtz resonators or can be made from porous materials. Traditional porous absorbers are most commonly used for the reduction of noise with frequency components higher than 1 kHz. In porous absorbers, the acoustic energy is transformed into thermal energy by means of friction. Acoustic intensity probes are crucial tools for acoustic characterization. They consist of a sound pressure microphone and a 3D particle velocity sensor and enable determining the acoustic energy flow. In this thesis, the sound insertion loss of acoustic absorbers is analyzed by means of an acoustic intensity probe. Furthermore, a novel simulation aided calibration method is developed to calibrate all three components of the particle velocity sensor simultaneously by means of a reference sound field. The reference sound field, produced by a moving piston, is investigated by applying numerical calculation methods. The calibration method is then characterized and a validation of the method presented. In addition to this, two existing measurement methods for characterizing passive acoustic absorber materials under oblique angle of sound incidence are implemented and further improved. The first approach employs subtraction in the time domain, which allows for calculating the properties by separating an incoming and a reflecting impulse. The second method is based on a spatial Fourier transform. Here, the acoustic properties are calculated by decomposition of a sound field into plane wave components on several measurement planes. Both methods are characterized and subsequently improved. A characterization of passive acoustic absorbers in terms of the acoustic properties at oblique angles of sound incidence is performed and the absorption capability of the absorbers identified. The characterization is essential to gain the necessary understanding of where to place which absorber to achieve the optimum absorption of acoustic energy. Moreover, the material data can be used as boundary conditions for a precise simulation of realistic acoustic fields. Finally, development and characterization of an acoustic absorber for low frequencies is discussed. By applying a mass loaded membrane, acoustic energy can be transformed narrow-bandedly into mechanical energy, which produces an acoustic short circuit. As a consequence, the mechanical energy is not emitted efficiently in the free field, which results in a high sound transmission loss. The passive mechanical absorber is characterized and its application as an absorber array for absorbing narrow band acoustic energy in a frequency range below 300Hz presented.