Schallfeld in kleinen gefüllten Gehäusen - Ein Vergleich zwischen einem Model von zufälligen Wave Guides und einer durch eingebrachte Objekte erweiterten Modalsynthese -

Im der vorliegenden Arbeit wird die Möglichkeit der Beschreibung der Schallfelder von kleinen Gehäusen mit Hilfe von zufallsverteilten Füllungen untersucht. Dabei werden unterschiedliche Füllgrade des Gehäuses herangezogen. Die ermittelten Simulationsdaten werden mit Ergebnissen aus Versuchsreihen und Finite-Elemente-Berechnungen verglichen. Der in dieser Untersuchung betrachtete Bereich liegt im modalen Bereich. Dies ist der Frequenzabschnitt in dem sich die ersten gut separierbaren Moden ausbilden und der bis zu einer oberen Frequenz geht, ab der das System mit Hilfe von SEA abgebildet werden kann. Für Frequenzen unterhalb der ersten ausgebildeten Mode kann das System über Masse-Feder-Systeme dargestellt werden. Durch die Untersuchung von kleinen Gehäusen, welche mit Objekten in der gleichen Größenordnung der Kannten Längen zu den untersuchten Wellenlängen gefüllt werden, ergeben sich weitreichende Erkenntnisse bezüglich der Optimierungsmöglichkeiten in einem frühen Stadium des Konstruktionsprozesses. Zudem werden nicht einzelne spezifische Füllungen untersucht, sondern es wird mit Hilfe einer Mittelung eine Aussage über eine noch nicht fertiggestellte Konstruktion getroffen. Für die Ermittlung einer Prognose über das Schallfeld wird die Übertragungsfunktion herangezogen. Dabei handelt es sich um die Größe Z, definiert über den Schalldruck am Empfängerpunkt pR bezogen auf die Schnelle am Sendepunkt qS. Damit ergibt sich Z= pR/qS. Für die Simulation werden zwei Ansätze herangezogen. Dabei wird im ersten Fall das Volumen durch die Aneinanderreihung von ”Wave Guides” erzeugt, im zweiten Fall wird das leere Volumen mit Volumen- und Streukörpern erweitert. Dabei wird das Modalsynthese-Modell um Volumen- und Streukörper erweitert, welche in unterschiedlichen Verteilungssimulationen eingebracht werden können. In der Arbeit werden Abhängigkeiten der Füllgrade der gemittelten Übertragungsfunktion untersucht und die Einflüsse erörtert. Mit diesen Ergebnissen vereinfacht sich der Simulationsaufwand für das Modell basierend auf der modifizierten Modalsynthese deutlich. Für den oberen Frequenzbereich des Modalbereiches ergeben sich neue Erkenntnisse bezüglich der notwendigen Abbildung von Spiegelschallquellen und Spiegelempfängern für Simulationen bei denen das Nahfeld zu Wänden und eingesetzten Objekten nicht vernachlässigt werden darf. Das Model der ”Wave Guides” ermöglicht eine schnelle Berechnung der gemittelten Übertragungsfunktion für vorgegebene Abmessungen und Füllgrade. Dem höheren Zeitaufwand zur Ermittlung der Simulation mit Hilfe von Volumen- und Streukörpern steht die Möglichkeit der gezielten Parameterstudien durch Filterung der verteilten Objekte entgegen. Im ”Wave Guide” Model wird die Amplitude der simulierten Übertragungsfunktion maßgeblich durch die Rohrdurchmesser beeinflusst. Entsprechend steigt die Amplitude gemäß ρ•c/S . Die maximale Länge des zusammengesetzten Rohres kontrolliert die Frequenz der niedrigsten Mode über den Zusammenhang von c/2•l. Die Abstände zwischen Sende- und Empfängerpunkt zu den Terminierungen ergeben den Abfall im Frequenzbereich zwischen 300 Hz und 500 Hz. Dieser Abfall ist bei höheren Füllgraden stärker ausgeprägt, als bei niedrig prozentualen Füllungen. Dies beruht auf dem stärkeren Einfluss von Spiegellungen an den Wänden und an den eingebrachten Objekten in stärker gefüllten Gehäusen. In der modifizierten Modalsynthese sind die ersten Moden deutlich ausgeprägt, da der Volumen- und Streueffekt erst zu geringeren Wellenlängen deutlich ansteigt. Die ersten ausgeprägten Maxima im modifizierten Modalsynthesemodel ergeben sich durch die ausgeprägten Modalenerhöhungen (1,0,0) mit 121 Hz und die Kombination der zwei folgenden Moden (0,1,0) mit 189 Hz und (0,0,1) mit 283 Hz im Modalsynthesemodel. Beim Füllen des Raumes mit verschieden großen Objekten treten zwei unterschiedliche Effekte auf. Zum einen wird die Eigenfrequenz durch das eingebrachte Objektvolumen verschoben, zum anderen steigt der Grad der Absorption, was mit einer höheren Effektivität der Absorberfläche im diffusen Streufeld einhergeht. Beide Modelle bieten eine gute Möglichkeit das Schallfeld in einem frühen Stadium der Konstruktion zu ermitteln. Zu diesem Zeitpunkt sind die exakten Positionen der Einzelteile im Inneren und deren Dimensionen noch nicht bekannt. Das ”Wave Guide” Model weist im betrachteten Frequenzbereich sehr gute Abbildungseigenschaften des Versuchsraums auf und zeigt im Gegensatz zum Modalsynthesemodel keine Erhöhungen entsprechend der Wellenlängen im leeren Raum. Im modifizierten Modalsynthesemodel können hingegen Optimierungen bezüglich der Positionen und der Größen der eingebrachten Objekte sehr genau analysiert werden. Dies ist sowohl im Vorhinein, als auch durch einen Post-Processing-Schritt möglich.In the course of this thesis the sound field in small enclosures fitted to different degrees with obstacles is reviewed. Therefore, different filling degrees of the enclosed space are analysed. The obtained results of two established simulations are compared with measurements and Finite Element Simulations. The analysed range of this thesis is the so called modal range. The low frequency limitations of this range are the first well separated modes and the upper range limitation is given by the possibility to calculate the results through SEA. Under the frequency of the modal range the analysed system can be calculated with the use of mass and spring systems. Through the research of small enclosures, fitted with obstacles with the edge length in the same range of the analysed wave length, expansive optimisation findings for an early stage of the design engineering process result. Therefore, not one specific arrangement of obstacles is analysed during the presented simulations but an average is generated for different distributed arrangements for give sound field information of the early stage design. The transfer impedance Z is the describing quantity of the sound field during this research. Z is defined through the sound pressure at the receiving point pR divided by the source velocity flow qS, Z = pE/qS. For the simulations two different approaches [1] are used. The first approach uses a waveguide simulation method. Therefore, the free volume space is modeled with different cross sectional waveguides. The second approach is based on modelling an empty enclosure and on filling it with volume and scattering obstacles. Therefore, the system is based on a modal synthesis that is expanded through the different expanded and distributed obstacles. The research is going to give a deep understanding of the sound field behaviours of small enclosures and its characteristics. Therefore, plenty of test rig measurements and different simulations with varying parameters are done. In the course of this work the dependencies of different filling degrees for the averaged transfer impedance are analysed and the ascendancies are discussed. With the gained knowledge the calculational effort of the modified modal synthesis simulation decreases significantly. In the upper modal frequency range findings about necessary mirror sources and mirror receivers for the simulation methods are presented. With the waveguide model a fast calculation method for the averaged transfer impedance for different filling degrees is realised. The more time intensive simulation method of the modified modal synthesis with volume and scattering obstacles has the advantage of a systematic parameter analysis through filtering the generated results. The objective of the research is to investigate alternative and simplified models of linking deterministic and asymptotic methods for the analysis of the forced response of structure-cavity/exterior airspace systems. A set of supporting experiments will be conducted in a geometry amenable to accurate numerical analysis. The result of the work is expected to be useful for the analysis of the contribution to the pass-by noise from the engine compartment as well as for the description of the sound field in white goods. This study should furnish the industry with a knowledge base regarding the coupling between vibrating source elements in the engine compartment or white goods and adjacent passive structures as well as the exterior air-borne sound field for early design stages