Bild 1: Vibroakustische Metamaterialien können für mehr Ruhe in der Umgebung von Autobahnen sorgen (Grafik: Fraunhofer LBF)

2020 hatte die ASFINAG in Zusammenarbeit mit der IÖB (Innovationsfördernde Öffentliche Beschaffung) die Challenge „Autobahnen und Schnellstraßen: Lärmlast durch Technologie reduzieren“ ausgerufen. Das Konzept des Darmstädter Forschungsinstituts, Lärmschutzwände mit VAMM leiser zu gestalten, hat sich dabei unter vielen Einreichungen in der Jurywertung durchgesetzt.

Die Fraunhofer Wissenschaftler beschäftigten sich bereits in verschiedenen Forschungsprojekten mit VAMM, bspw. in der Luft- und Raumfahrt, dem Automobilbau oder dem Maschinenbau und betrachten dabei unterschiedliche Konzepte von lokalen Resonatoren. Ihre Expertise und Kompetenz reicht von der numerischen Auslegung der Materialen über die Konzeptentwicklung bis zur späteren Realisierung als Prototyp. Sie erarbeiten großserientechnisch herstellbare VAMM und schließen damit die Lücke zwischen Forschung und Anwendung.

Meilenstein für Lärmschutz-Technologie
2021 beauftragte die ASFINAG das Fraunhofer LBF mit der Entwicklung des Laborprototypens zur Überprüfung des theoretischen Ansatzes für die Wirkung schwingungsmindernder Materialien in Lärmschutzwänden. Die Ergebnisse sind vielversprechend: Durch die mit VAMM ausgestattete Glas-Lärmschutzwand konnte im Labor eine Übertragungsreduktion von bis zu 20 dB im Vergleich zu einer konventionell absorbierenden Lärmschutzwand erzielt werden. Zum Vergleich: eine Reduktion des Schalldruckpegels um 6 dB bedeutet bereits eine Halbierung der wahrgenommenen Lautstärke. Das Fraunhofer LBF sieht in VAMM ein großes Potenzial in der effektiven Reduktion von Vibrationen und Lärm bei gleichzeitig geringerem Ressourceneinsatz.

Die Forschungsergebnisse zu vibroakustischen Metamaterialien können in der praktischen Anwendung an der Autobahn einen Meilenstein bei der Weiterentwicklung von Lärmschutz-Technologie bedeuten. VAMM ermöglichen es, das Schwingungsverhalten von Strukturen zu beeinflussen. Vereinfacht gesagt wird eintreffender Luftschall in Körperschall gewandelt. Dieser wird durch die Schallschutzwand nicht weiter- oder abgeleitet, sondern absorbiert.

Gefördert von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft soll Mitte 2022 die Ausschreibung zu einer Innovationspartnerschaft für VAMM erfolgen – mit dem Ziel, den Laborprototypen auf die Autobahnen und Schnellstraßen zu bringen.

Bild 2: Für jede Anwendung das passende Konzept: Vibroakustische Metamaterialien können in unterschiedlichen Formen und mit individuell anpassbaren Funktionen entwickelt werden und bewirken ein deutlich verbessertes Schwingungsverhalten von Bauteilen (Foto: Fraunhofer LBF, Ursula Raapke)

Vibroakustische Metamaterialien für spezifisches Produktdesign
Mit Metamaterialien wird ein in der Natur nicht vorkommendes Verhalten erzeugt. Neben optischen und elektromagnetischen Metamaterialien werden spezielle Formen von Metamaterialien auch zur Lärm- und Schwingungsminderung eingesetzt. Vibroakustische Metamaterialien werden aus mehreren periodisch angeordneten Einheitszellen gebildet – dem kleinsten identischen Teil der Grundstruktur, auf dem ein Resonator (Feder-Masse-System) sitzt. Die lokalen Resonatoren sind gezielt auf der Subwellenlängenskala der einfallenden Welle platziert. Sie sind auf eine Resonanzfrequenz abgestimmt, bei der eine Schwingungsreduktion erforderlich ist. Die Wechselwirkung zwischen den lokalen Resonatoren und der einfallenden Welle führt zu einem Stoppband – einem Frequenzbereich mit hoher Schwingungsreduktion.

Am Fraunhofer LBF entwickeln Fachteams effiziente numerische Routinen zur Beschreibung des dynamischen Verhaltens von vibroakustischen Metamaterialien. Diese Routinen werden für das Design von branchenspezifischen Produkten eingesetzt.

Weitere Informationen
Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit
und Systemzuverlässigkeit LBF
D-64289 Darmstadt
www.lbf.fraunhofer.de