OPTIMIERUNG VON HYBRIDEN AKUSTIKPAKETEN DURCH STATISTISCHE ENERGIEANALYSE

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1 ENTWICKLUNG Akustik OPTIMIERUNG VON HYBRIDEN AKUSTIKPAKETEN DURCH STATISTISCHE ENERGIEANALYSE In der akustischen Entwicklung kommen immer häufiger moderne Simulationsmethoden wie 3D-Berechnungen und statistische Energieanalyse (SEA) zum Einsatz, um das Gewicht der Schallschutz-Pakete in einem Fahrzeug weiter zu reduzieren. Mit deren Hilfe hat Autoneum eine Hybridlösung aus isolierenden und absorbierenden Werkstoffen entwickelt, die als Alternative zu herkömmlichen Schwerschicht-Schaumisolationen dienen und trotz ihres geringeren Gewichts eine hohe akustische Wirkung in Bezug auf die Dämmung und die Absorption erreicht. 698

2 AUTOREN MARCO SEPPI ist Leiter Akustikkonzepte und Produkte bei der Autoneum Management AG in Winterthur (Schweiz). CLAUDIO CASTAGNETTI ist Globaler Produktmanager bei der Autoneum Management AG in Winterthur (Schweiz). VIJAY RAVINATH ist wissenschaftlicher Manager für Hochfrequenzmethoden im Simulationsteam bei der Autoneum Management AG in Winterthur (Schweiz). TRENDWENDE IN DER AKUSTISCHEN DÄMMUNG Bis vor einigen Jahren kamen hauptsächlich zwei einfache Akustikkonzepte zum Einsatz, um die Geräuschkulisse in Fahrzeugen zu verbessern: Entweder erfüllten die Akustikpakete vorwiegend eine dämmende/isolierende oder aber eine absorbierende Wirkung. Die dämmende Wirkung basiert dabei normalerweise auf den Eigenschaften eines Feder-Masse-Systems, wobei das Masseelement aus einer möglichst undurchlässigen Schicht hoher Dichte und das Federelement aus einer Schicht geringer Dichte wie beispielsweise Vlies oder Schaum besteht. Die isolierenden Bauteile des Feder-Masse-Systems zeichnen sich durch ein hohes Einfügungsdämmmaß aus, bieten jedoch kaum ab - sorbierende Eigenschaften. Die absorbierenden Bauteile hingegen weisen eine nur um 6 db/oktave steigende Einfügungsdämmaßkurve auf, während für ein Feder-Masse-System eine Kurvensteigung von 12 db/oktave typisch ist. Ein Vergleich, basierend auf 8 europäischen Fahrzeugen zeigt, dass die schweren, isolierenden Bauteile mit der Zeit an Verbreitung verloren haben. Gleichzeitig nahm der Marktanteil der absorbierenden Systeme und der Leichtbau- Hybridbauteile zu, ❶. Im Rahmen solcher Vergleiche ist es üblich, Bauteile als hybrid zu definieren, wenn sie innerhalb eines Mehrschichtaufbaus Absorptions- und Dämmungsfunktionen miteinander kombinieren. Ergänzend lässt sich feststellen, dass die Unterteilung der akustischen Funktionen in bestimmten Bereichen eines akustisch wirksamen Bauteils zunehmend auf differenziertere Weise vorgenommen wird. Eine Stirnwandisolierung kann beispielsweise grob in zwei Bereiche aufgeteilt werden: ein Bereich, der eine hohe Absorptionsleistung aufweist und ein Bereich, der eine hohe Dämmleistung besitzt. Im Allgemeinen gilt: Der untere Teil der Stirnwand verlangt mehr Isolation, da Motorengeräusche und Geräusche der Vorderräder in diesem Bereich dominieren. Der obere Teil der Stirnwand er fordert mehr Absorption, da bereits andere Elemente des Fahrzeugs wie die Instrumententafel zur Dämmung beitragen. AUSLEGUNG UND SIMULATION EINES HYBRIDEN AKUSTIKPAKETS Autoneum konzipierte eine optimale hybride Stirnwand, indem ein spezielles akustisches Prinzip zum Einsatz kam, um die Dämmungsleistung von Leichtbauteilen zu erhöhen und schließlich das optimale Verhältnis zwischen Absorption und Dämmung zu erreichen. Eine Feinabstimmung der sogenannten dynamischen Steifigkeit sorgte dafür, dass die negativen Auswirkungen der akustischen Abstrahlung an der oberen Vliesschicht Marktanteil [%] Serienstart Absorbierend Isolierend (Masse-Feder) Hybrid (absorbierend und isolierend) ❶ Markttrend für Akustikkonzepte bei Stirnwänden in Europe (am Beispiel eines Vergleichs mit 8 europäischen Fahrzeugen) 9I Jahrgang 699

3 ENTWICKLUNG Akustik Technikvergleichsstudien OEM- Spezifikationen Analyse möglicher Lösungen Patentrecherchen Produktentstehung Definition des neuen Konzepts Experimentelle Bestimmung von Werkstoffparametern 3D-Simulation von Versuchsbauteilen Bewertung und Selektion Weiterentwicklung der besten Lösungen Hybridlösung ❷ Schritte im Innovationsentwicklungsprozess hybrider Systeme einer porösen Standard-Entkopplungs- Schicht aus Schaum oder Vlies. Dieses Hybridmaterial verhält sich wie ein leichtes Feder-Masse-Dämmsystem, wobei der Masseeffekt durch das Gewicht der oberen Vliesschicht, ❸, und die Barrierewirkung durch die undurchlässige Folienschicht definiert sind. Daher lässt sich eine für Feder-Masse-Systeme typische Resonanzfrequenz beobachten, ab der das Einfügungsdämmungsmaß um 12 db/oktave steigt. Anders als bei Standarddämmungen üblich behält die poröse, obere Vliesschicht ihre Absorptionseigenschaften. Würde die Vliesschicht bei dieser Art mehrschichtiger Bauweise keine kontrollierbare und hohe dynamische Steifigkeit aufweisen, würde der Resonanzeffekt die Dämmleistung beeinträchtigen, ❸. in einen nicht relevanten Frequenzbereich gelegt werden konnten [1]. Dabei dienten Daten aus Technikvergleichsstudien, experimentellen Akustikanalysen von Bauteilen und Fahrzeugen sowie Angaben aus Spezifikationen der OEMs und Patentrecherchen als Basis für die Produktentwicklung, ❷. In einem ersten Schritt identifizierten die Produktentwickler potenzielle Lösungen und führten intensive Messungen an den akustisch wirksamen Materialien durch. Anschließend wurde anhand einer auf der Transfer-Matrix-Methode (TMM) basierenden Software [2] die akustische Leistung verschiedener Lösungen in 3D simuliert. Im nächsten Schritt wurde ein mehrschichtiges Bauteil ausgewählt, das deutliche Vorteile bezüglich Dämmungsleistung (Steigung der Einfügungsdämmmaßkurve um 12 db/oktave) und lokaler Anpassung der Dämm- und Absorptionseigenschaften aufwies. Die endgültige hybride Konstruktion besteht aus drei Schichten: einer porösen, oberen Vliesschicht mit hoher dynamischer Steifigkeit einer dünnen, luftundurchlässigen Schicht aus Polymerfolie OPTIMIERUNG MIT TMM- UND SEA-WERKZEUGEN Um die Konstruktion des Hybridmaterials mithilfe der kontrollierten dynamischen Steifigkeit zu optimieren, kamen die proprietären Werkzeuge für Computer Aided Engineering (CAE) VisualSisab, [2], das auf TMM basiert, sowie Revamp [4], das SEA nutzt, zum Einsatz. Die Simulation der Auswirkungen einer 3D-Stirnwandisolation folgt einem definierten Ablauf mit den nachstehenden typischen Schritten: Analyse des verfügbaren Bauraums und Unterteilung der Bauteiloberfläche basierend auf SEA TMM 4 35 ❸ Messung des Einfügungsdämmmaßes bei flachen Mustern im Vergleich zu den Referenzlinien 6 db/oktave und 12 db/oktave; das Flächengewicht der oberen Schicht beträgt 1,2 kg/m2 für das absorbierende System und 1,5 kg/m2 für die anderen drei Systeme Einfügungsdämmmass [db] db/oktave (Referenz) 12 db/oktave (Referenz) Absorbierendes System Isolierendes System mit Schwerschicht Leichtbau-System ohne Kontrolle der dynamischen Steifigkeit Hybrides System mit Kontrolle der dynamischen Steifigkeit Frequenz [Hz]

4 siert auf der Berechnung aller möglichen Varianten und auf der Auswahl durch eine Pareto-Analyse [5]. 3D-Berechnung der lokalen, akustischen Leistung (Dämmung und Absorption) basierend auf den gemessenen Materialmodellen inklusive Steifigkeitsmessungen [3] TMM Übertragung der simulierten Dämmungs- und Absorptionsdaten, unterteilt nach SEA-Subsystemen, auf das SEA-Akustikmodell des Innenraums und Berechnung des Schalldruckpegels (Sound Pressure Level, SPL) am Ohr des Fahrers SEA. Die Dicke der oberen Vliesschicht ist der wesentliche Parameter, um das Bauteil akustisch zu optimieren. Geringe Dicken (3 mm) ergeben eine hohe Steifigkeit und ein hohes Dämmvermögen, während dickere Schichten stärker absorbierend ❹ Dickenverteilung der oberen Vliesschicht für ein Fahrzeug aus dem C-Segment (a) und aus dem D-Segment (b) wirken. Die Dicke der oberen Vliesschicht ist an allen Stellen des Bauteils variabel auslegbar, solange der Gesamtbauraum (der ebenfalls variabel ist) nicht überschritten wird. Die Dicke dieser Vliesschicht lässt sich beispielsweise auf 3, 7, 1 oder 12 mm festlegen, wenn der Bauraum eine Gesamtdicke von 15 mm zulässt. Der restliche Platz wird für eine Folie oder eine Entkopplungsschicht benötigt. In anderen Bereichen, in denen der Bauraum beispielsweise auf 1 mm Gesamtdicke begrenzt ist, reduziert sich die mögliche Dicke der oberen Vliesschicht auf 7 oder 3 mm. Die Konfiguration legt die optimale Dicke der oberen Bauteilschicht in allen Bereichen fest und ba - KUNDENSPEZIFISCHE ENTWICKLUNG Das verwendete, validierte SEA-Modell berücksichtigt neben der optimierten Dickenverteilung der oberen Vliesschicht nicht nur die Materialeigenschaften, welche die Teilleistungen bestimmt, sondern auch die akustischen Eigenschaften des Innenraums. Die Konstruktion hängt also von den akustischen Eigenschaften des jeweiligen Fahrzeugs und dem verfügbaren Bauraum ab. Als Fallbeispiele dienen eine Stirnwand für ein Fahrzeug aus dem C-Segment, die in Zusammenarbeit mit einem OEM [5] entwickelt wurde, und eine Stirnwand für ein Fahrzeug aus dem D-Segment. Für beide Fälle wurde die gleiche Teileliste und eine Schwerschicht mit einem Flächengewicht von 15 g/m2 genutzt. ❹ (a) präsentiert das Ergebnis des Optimierungsprozesses für das C-Segment-Fahrzeug: Die endgültige Konstruktion der oberen Vliesschicht zeigt sich in verschiedenen Farben, die für unterschiedliche Dicken stehen (blau für 3 mm, rot für 15 mm). Wie zu sehen ist, sind im unteren Teil der Stirnwand und teils auch in Bereichen im oberen Teil der Stirnwand (insbesondere auf der linken Seite) geringere Dicken als optimale Werte gewählt. Demgegenüber weist der obere Teil des Stirnwandpakets höhere Bauteildicken 9I Jahrgang 71

5 ENTWICKLUNG Akustik Schalldruckpegel [db] Simulierte Schalldruckpegel-Differenz [db] Frequenz [Hz] Schaumschwerschicht als Referenz (simuliert) Hybrides System (simuliert) Hybrides System (gemessen, basierend auf ATF) ❺ Vergleich zwischen hybriden System und einem gängigen Feder-Masse-System als Referenz; die simulierte SPL-Differenz (linke Skala) und die gemessene SPL-Differenz, aus der akustischen Transferfunktion, ATF, generiert (rechte Skala) ,5 1,,5, -,5-1, -1,5 Gemessene Schalldruckpegel-Differenz [db] auf. Im unteren Teil der Stirnwanddämmung wird also ein hohes Dämmungsvermögen benötigt, während hinter der Instrumententafel eher das Absorptionsvermögen gefragt ist. Dieses Beispiel liefert einen Grund für den eingangs er - wähnten allgemeinen Trend hinzu hybriden Lösungen. Ein ähnliches Bild ergibt sich beim D-Segment-Fahrzeug, 4 (b). In diesem Fall ist die Unterteilung zwischen dämmenden und absorbierenden Flächen sogar noch deutlicher. Für das Akustikpaket ist eine klare Trennung zwischen dem oberen und unteren Teil der Stirnwand erkennbar. Die Bauteilkonstruktion ergibt sich aus den Eigenschaften der Instrumententafel und der Tatsache, dass der verfügbare Bauraum im unteren Teil der Stirnwand in diesem Fall sehr begrenzt war. Für beide Fallbeispiele wurden Simulationen und Messungen (auf der akustischen Transferfunktion, ATF, basierend) durchgeführt, um den SPL der Hybridlösung mit einem gängigen Akustikpaket Frequenz [Hz] Absorbierendes System (simuliert) Hybrides System (simuliert) ❻ Vergleichssimulation des SPL am Ohr des Fahrers bei einem hybriden System und einem absorbierenden Standardsystem zu vergleichen, ❺. Bezüglich des C-Segment-Fahrzeugs werden die Werte für das Hybridbauteil denen einer dämmenden Standard-Schwerschicht-Lösung aus Schaum gegenüber gestellt. Als Entkopplungsschicht kommt das gleiche Schaummaterial und als Barriereschicht ein Material mit einem Flächengewicht von 6 kg/m2 zum Einsatz (auf Bauteilebene ist die Standardlösung 5,5 kg schwerer als die Hybridlösung). Die einfache Standarddämmung erbringt aufgrund des höheren Gewichts bei Frequenzen bis zu 125 Hz eine geringfügig bessere Leistung. Die hohe dynamische Steifigkeit der Hybridlösung sorgt für ein gutes Einfügungsdämmungsmaß und ab Frequenzen über 125 Hz liegen die Vorteile eines optimalen Verhältnisses zwischen Absorption und Dämmung eindeutig beim Hybridsystem. Bei der Betrachtung des gesamten Frequenzbereichs er reichen beide Lösungen einen ähnlichen im Fahrzeug gemessenen SPL und eine nur geringe Abweichung zu den Simulationswerten [5]. Die Messungen der ATF im Fahrzeug bestätigen einen ähnlichen Trend wie der simulierte SPL, 5. Im Vergleich mit der schweren Standarddämmung lässt sich mit der Hybridlösung auf Fahrzeugebene Gewicht einsparen und das bei gleich bleibendem akustischen Leistungsniveau. Im Fall des D-Segment-Fahrzeugs, ❻, besteht die Hybridlösung im Vergleich mit der leichtgewichtigen Standardabsorption aus zwei Vliesschichten ohne Barriereschicht. Die obere Vliesschicht ist gepresst, um den Strömungswiderstand zu erhöhen. Beide Lösungen wiegen etwa 2,3 kg und erreichen einen ähnlichen SPL bei niedrigen Frequenzen, während sich der SPL beim Hybridsystem in den mittleren bis hohen Frequenzbereichen reduziert. Bei sehr hohen Frequenzen spielt die Absorption wieder eine stärkere Rolle, und beide Lösungen liefern eine ähnliche akustische Leistung. Alle hier angegebenen Daten für die Luftschallanregung gelten unter der An - nahme, dass die Auswirkung von Körperschallanregungen vernachlässigbar ist. Diese Hypothese gilt für mittlere bis hohe Frequenzen (üblicherweise für Frequenzen über 5 Hz). Bei geringeren Frequenzen dominiert der Körperschall. Messungen unter realen Bedingungen an einem mit hybriden Komponenten ausgerüsteten Fahrzeug zeigten keine spezifische Verschlechterung der Akustikeigenschaften 72

6 aufgrund des Körperschalls [5]. Zukünftige Simulationen auf Bauteilebene, die auf der Finite-Elemente-Methode mithilfe von Simulationswerkzeugen wie Treasuri2FE [6] basieren, sollen durchgeführt werden und die experimentellen Ergebnisse bestätigen. LITERATURHINWEISE [1] Seppi, M.; Bertolini, C.; Castagnetti, C.: Analytical Prediction of Resonance Effects for Lightweight Acoustic Packages with Increased Insulation. Proceedings, Internoise 212, August 19 22, New York City, USA [2] Bertolo, P.; Caprioli, D.: VisualSisab: A Visual Tool for a Quick and Accurate Assessment of the Acoustic Properties of Car Parts. Proceedings, RAC Rieter Automotive Conference 27, Winterthur, Switzerland, A4, pp [3] Bertolini, C.; et al.: Transfer Function Based Method to Identify Frequency Dependent Young Modulus, Poisson Ratio and Loss Factor of Poroelastic Materials. Proceedings, Sapem 28, December 28, University of Bradford, Bradford (UK) [4] Bertolini, C.; Gigante, L.: An SEA-Based Procedure for the Definition of Sound Package Component Targets Starting From Global Vehicle Targets. Proceedings, VibroAcoustics Users Conference Europe, Leuven, Belgium, 23 [5] Negro, E.; et al.: Optimization of a Dash Hybrid Insulator Absorber Based on Pareto Analysis of SEA Simulation Results. Proceedings, Automotive Acoustics Conference 211, Zurich, Switzerland, 7 and 8 July 211 [6] Bertolini, C.; et al.: Treasuri2FE: A Tool for the FE Simulation of Sound Package Parts Fully Integrated in Nastran. Proceedings, SAE 29 Noise and Vibration Conference and Exhibition, May 29, St. Charles, IL, USA DOWNLOAD DES BEITRAGS READ THE ENGLISH E-MAGAZINE order your test issue now: springervieweg-service@springer.com 9I Jahrgang 73