Minderung von Schallausbreitung durch Mikroperforierte Absorber in unterschiedlichen Schallfeldarten - Design und Evaluierung

Abstract

Noise in human-occupied areas has become an increasing challenge. Usually, in the design process or application scenario of machines, the consideration of noise emissions plays a minor role. Only if the experience is ”too loud” in operation, the acoustic at play is considered. In such cases, the standard foam or fiber-based attenuation materials are applied to an excessive extent. Especially in HVAC application, these materials can suffer from severe performance restraints if exposed to water, dust particles and by the protective measures used for persistence. Metal based micro-perforated absorbers (MPA) offer an alternative means for solving noise challenges in situ or generically. They can be applied in hazardous environments and can be produced eco-friendly from scrap metal. In order to allow a generic accurate absorber design for specific noise challenges, the acoustic performance should be pre-evaluated by simulations with only a small disparity to the measured sound reduction. In this thesis, a simulation framework based on the Johnson-Champoux-Allard-Lafarge model has been developed and applied to MPAs. The basis is obtaining equivalent acoustic mate-rial parameters from impedance tube measurements by inversefitting with a evolutionary genetic algorithm. With these parameters, more dedicated MPA designs are tested in highly diffuse sound fields up to 8 kHz. The applicability of the approach and the performance of several MPA configurations will be demonstrated through simulations and examples. The in-vestigations also allow to give specific design recommendations depending on the frequency range.Since a possible application involves HVAC ducts, the performance of an MPA under graz-ing flow conditions and next to a low-pressure axial fan has been investigated. The measurements showed severe changes in MPA effectiveness depending on the relative position to the fan. The fan’s aerodynamic performance is also sensitive to the constructive details of the MPA. Under certain conditions, the micro-perforated absorber will emit sound. These conditions have been investigated, and it is shown that the absorber’s acoustic performance also determines its self-noise emission level in a grazing flow scenario.

Lärm in von Menschen bewohnten Räumen ist zu einer immer größeren Herausforderung geworden. Bei der Auslegung von Maschinen spielt die Betrachtung der Schallemissionen in der Regel eine untergeordnete Rolle, und erst wenn sie im Betrieb als ”zu laut” wahrgenommen werden, kommt die Akustik ins Spiel. In solchen Fällen werden üblicherweise die standardmäßigen schaum- oder faserbasierten Dämpfungsmaterialien in zu großem Maße eingesetzt. Besonders bei Anwendungen in Klimaanlagen können diese Materialien unter starken Nutzeneinbußen leiden, wenn sie Wasser und Staubpartikeln ausgesetzt sind, und das Anbringen von Schutzmaßnahmen, welche die Langlebigkeit erhöhen sollen, die akustische Performance deutlich reduziert. Metallbasierte mikroperforierte Absorber (MPA) bieten eine Alternative, um Lärmprobleme vor Ort oder generisch zu lösen. Sie können in gefährlichen Umgebungen eingesetzt und umweltfreundlich aus Metallschrott recyclebar hergestellt werden. Um eine generische und genaue Auslegung der Absorber für spezifische Lärmprobleme zu ermöglichen, sollte die akustische Leistung im Voraus durch Simulationen mit nur geringer Abweichung von der gemessenen Schallreduzierung bewertet werden. In dieser Arbeit wurde ein auf dem Johnson-Champoux-Allard-Lafarge-Modell basierender Ansatz entwickelt und auf MPA’s angewandt. Die Grundlage bildet die Ermittlung äquivalenter akustischer Materialparameter aus Impedanzrohrmessungen durch inverse Anpassung mit einem genetischen Evolutionsalgorithmus. Mit diesen Parametern werden dediziertere MPA-Designs in hochdiffusen Schallfeldern bis zu 8 kHz getestet. Die Anwendbarkeit des Ansatzes und die Leistung verschiedener MPA-Konfigurationen werden anhand von Simulationen und Beispielen demonstriert. Die Untersuchungen erlauben es auch, bestimmte Designempfehlungen in Abhängigkeit vom Frequenzbereich zu geben. Da eine der möglichen Anwendungen mikroperforierter Absorber in Klimaanlagen liegt, wurde die Dämpfungsleistung eines MPA unter Strömungsbedingungen und in direkter Nähe zu einem Niedrigdruck-Axialventilator untersucht. Die Messungen ergaben, dass sich die Wirksamkeit des MPA in Abhängigkeit von der relativen Position zum Ventilator stark verändert. Auch die aerodynamische Leistung des Ventilators hängt von den konstruktiven Details des MPA ab. Unter bestimmten Bedingungen emittiert der mikroperforierte Absorber auch Schall. Diese Bedingungen wurden untersucht und es zeigte sich, dass das akustische Leistungsspektrum des Absorbers auch den Pegel der Eigengeräuschemissionen unter Strömungsbedingungen bestimmt.