Simulation und experimentelle Validierung eines Konzepts für akustische schwarze Löcher

17.07.2025 von Robert Feldmann

Im Maschinenbau und insbesondere im Leichtbau ist eine effektive Schwingungsdämpfung ein wichtiges Entwicklungsziel. Zu hohe Schwingungsamplituden können zum einen zum frühzeitigen Versagen von Strukturen führen, zum anderen beeinträchten sie z.B. im Automobilbereich den Fahrkomfort durch eine erhöhte Schallabstrahlung vibrierender Oberflächen. Dämpfungsbeläge und Schwingungstilger sind klassische Maßnahmen zur Schwingungsberuhigung, gehen aber oft mit einer erhöhten Masse einher, was dem Leichtbaugedanken jedoch widerspricht. Akustische schwarze Löcher (engl. Acoustic Black Hole, ABH) sind ein relativ neue Methode zur Schwingungsdämpfung und entsprechend zur Reduktion der Schallabstrahlung schwingender Strukturen. Das Prinzip lässt sich gut anhand eines eindimensionalen ABH erklären (siehe Abbildung). Hierbei erfährt ein Balken eine einseite Anregung. Die Transversalwelle läuft auf das ABH zu, das eine quadratische Verjüngung des Balkenquerschnitts darstellt. Diese Verjüngung führt zu einer Verlangsamung der Ausbreitungsgeschwindigkeit, sodass es im idealen Fall zu keiner Reflektion der Welle kommt. Da aus praktischen und fertigungstechnischen Gründen der Querschnitt nicht bis auf Null abnehmen kann, kommt es in der Realität zwar nicht zu einer völligen Auslöschung der Welle, dennoch können (auch durch das Anbringen eines kleinen Dämpfungsbelages am ABH) extrem hohe Dämpfungen erreicht werden. Im Rahmen dieser HiWi-Stelle soll das Phänomen zunächst simulativ reproduziert werden. Im nächsten Schritt sollen eine neuartige Form eines ABH gefertigt werden und im Hinblick auf seine Effektivität und das Potential in der Industrie untersucht werden.