Untersuchung und Simulation der Luftschalldämmung von Türsystemen bei Schienenfahrzeugen

Abstract

Die Anforderungen an die Schalldämmung im Bahnverkehr sind in den letzten Jahren stark gestiegen. Dieser Trend setzt sich aus heutiger Sicht stetig fort. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Luftschalldämmung von Einstiegssystemen und deren Komponenten, im Eisenbahn-Passagierverkehr. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt in erster Linie bei der Simulation des Schalldurchganges mittels numerisch-wellentheoretischer Methoden wie der Finiten Elemente Methode (FEM) und der Boundary Elemente Methode (BEM). Der Vorteil dieser Methoden gegenüber herkömmlichen versuchstechnischen Ansätzen ist, dass bereits im Entwicklungsstadium Aussagen über die zu erwartenden Schalldämmeigenschaften möglich sind. Von besonderem Interesse bei den Untersuchungen sind die Sandwichkomponenten. Strukturen aus Sandwich, mit zwei Deckblechen sowie einem Füllstoff als Kernmaterial, sind im Schienenfahrzeugbau weit verbreitet. Für Abgleich- und Überprüfungszwecke ist natürlich auch die Messung der Luftschalldämmung unerlässlich. Diese wird nach der internationalen Normenreihe ISO 10140 durchgeführt. Korrekte Simulationsergebnisse sind einer hinreichend genauen Kenntnis des dynamischen Verhaltens der schwingenden Struktur geschuldet. Für diesen Zweck müssen die Materialparameter der verwendeten Werkstoffe bestimmt werden. Für metallische Werkstoffe wie beispielsweise Aluminium, welches im Schienenfahrzeugbau verstärkt Anwendung findet, sind diese Eigenschaften gut bekannt. Dies gilt nicht für viele auf Sandwichtechnologie basierende Füllstoffe. Solche Schaumstoffe werden unter anderem als Kernmaterialien von Sandwichstrukturen verwendet. In dieser Arbeit werden messtechnische Wege zu deren Bestimmung aufgezeigt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mit dem in dieser Forschungsarbeit entwickelten Simulationsverfahren die bisherigen Messmethoden ergänzt und teilweise, wenn auch nur eingeschränkt, ersetzt werden können. Es müssen dabei aber auch wichtige Einschränkungen und Voraussetzungen beachtet werden. Die wichtigste Voraussetzung ist die Kenntnis bzw. die korrekte Bestimmung der Materialparameter, um eine erfolgreiche Simulation durchführen zu können. Bei den Einschränkungen sind vor allem die Frequenzlimits zu erwähnen. Bei der Simulation ist das wesentliche Frequenzlimit die obere Grenzfrequenz aufgrund eingeschränkter Hardware- und Software-Ressourcen.

The requirements on passenger comfort at railway cars are subject to a steadily enhancement. One of those requirements is to guarantee a low noise level in the passenger compartment. To cope with this situation new technologies in development and design have to be introduced to reduce the sound transmission into the passenger compartment. In this work the door system at railway vehicles with all its sub components is subject of research. A methodology for simulating the airborne sound transmission loss on the components of the door system and the entire door system itself has to be introduced. With this simulation technique a powerful tool for the development of new door systems with enhanced sound insulation performance could be provided. In this research work the acoustic simulation technique focuses on deterministic wave-theoretical methods like the Finite Element Approach (FEA) and the Boundary Element Approach (BEA). In particular, the Finite Element Approach is used. For comparison and validation reasons a measurement of TL-values is absolutely necessary. For this work the international standard ISO 10140 is mainly used to perform these measurements. To obtain correct simulation results it is necessary to know the dynamic behaviour of the structure and the material parameters very well. Therefore the material parameters for all used materials have to be measured. For metallic materials like aluminium, which is widespread in railway construction, the values are known very well. This is not the case for many sandwich core filling materials like polyurethane foam. In this research work measurement approaches are presented to obtain the necessary material parameters. Here dynamical shaker tests on test specimens and experimental modal analyses can be mentioned. A conclusion of the outcome of this research work reveals that it may be possible to complement or even substitute conventional measurement methods, provided that certain limits of use are taken into account. First of all the material parameters have to be known or determined accurately. With inaccurate material parameters the simulation results will also be incorrect. The main limit is the maximum achievable frequency due to both hardware and software capabilities.