Akustik mehrschichtiger Strukturen

Die akustische Bewertung von Primärstrukturen spielt im Flugzeugbau bisher eine nur untergeordnete Rolle. So ist es heute noch gängige Praxis, die akustischen Eigenschaften der Rumpfstruktur erst nach der Fertigstellung eines Prototyps oder gar erst nach dem Erstflug zu optimieren. Da das Design der Primärstruktur in dieser Phase bereits eingefroren ist, sind konstruktive Maßnahmen zur Schallreduktion kaum noch umsetzbar. In der Vergangenheit wurde daher versucht, durch das Anbringen von Dämmmaterialien oder durch zusätzliche Massen in entsprechenden Strukturbereichen Abhilfe zu schaffen. Dieses Vorgehen ist unter dem Eindruck von Forderungen nach zunehmender Effizienz und erhöhtem Komfort bei gleichzeitig kürzeren Entwicklungszeiten nicht mehr zu rechtfertigen. Es ist somit unverzichtbar, ein Simulationswerkzeug zur Verfügung zu stellen, welches die zu erwartenden akustischen Eigenschaften bereits in der Entwurfsphase voraussagen kann. Die Notwendigkeit eines derartigen Bewertungstools zeigt sich besonders im Hinblick auf die Einführung neuartiger Materialien in der Primärstruktur, wie beispielsweise Composite- oder Sandwichstrukturen. Diese bieten aufgrund ihrer stark anisotropen Eigenschaften eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten. Dies sorgt jedoch gleichzeitig für eine große Anzahl von Parametern und Einflussfaktoren in der akustischen Modellierung. Die neuen Materialien bieten daher einerseits die Möglichkeit, die Schalldämmeigenschaften zu verbessern, ohne zusätzliche Masse in die Struktur einzubringen. Andererseits besteht bei unsachgemäßer Anwendung die Gefahr einer Verschlechterung des akustischen Klimas in der Kabine bis hin zu strukturellen Schäden durch eine akustische Anregung. Im Rahmen dieser Arbeit werden verschiedene Methoden zur Bestimmung des Schalldämmmaßes für beliebige mehrschichtige, anisotrope Strukturen bei unterschiedlichen Arten der Anregung entwickelt. Dabei beschränkt sich die Betrachtung primär auf Rumpfstrukturen mit zylindrischem Querschnitt. Die vorgestellten Verfahren können jedoch ohne Weiteres auch auf andere Strukturbauteile im Flugzeugbau oder in jeden anderen Technologiebereichen mit ähnlichen Anforderungen an die Akustik übertragen werden. Im ersten Teil der Arbeit werden die dynamischen Eigenschaften der Rumpfstruktur untersucht. Aufbauend auf dem Hamiltonschen Prinzip können das Schwingverhalten der Struktur sowie die dazugehörigen Eigenfrequenzen analytisch angegeben werden. Hieraus lassen sich erste Schlussfolgerungen hinsichtlich der akustischen Eigenschaften der untersuchten Strukturen ziehen. Es zeigt sich, dass neben den Struktureigenschaften (Material, Geometrie, Versteifungselemente, usw.) die Einspannbedingungen bei der Berechnung einen wesentlichen Einfluss haben.