Numerische Prognose der Schallausbreitung in Schiffsinnenräumen Marian Markiewicz, Novicos GmbH, Kasernenstraße 12, Hamburg

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1 Numerische Prognose der Schallausbreitung in Schiffsinnenräumen Marian Markiewicz, Novicos GmbH, Kasernenstraße 12, Hamburg INHALT: Einführung Vollständige und vereinfachte Modellierung prinzipielles Vorgehen und wesentliche Unterschiede Anwendungsbeispiele Folie 1 Zusammenfassung

2 Motivation Numerische Schallfeldanalyse verkürzt die Entwicklungszeit Kenntnis der akustischen Eigenschaften und der Struktur-Akustik-Wechselwirkung noch vorm Bau Erreichen von Right-First-Time- Lösungen unterstützt bei Erarbeitung von Abstellmaßnahmen bei störenden Geräuschen sichert technologischen Vorsprung Wert Zeit Folie 2

3 Folie 3 Ziel Aufbau und Anwendung von Berechnungsmodellen zur numerischen Vorhersage der Schallfelder in Schiffsinnenräumen

4 Folie 4 Testanordnungen Schallfeldsimulationen für zwei Raumanordnungen Raumanordnung 1 -Modell

5 Folie 5 Testanordnungen Schallfeldsimulationen für zwei Raumanordnungen Raumanordnung 2 -Modell

6 Testanordnungen Wand- und Deckenaufbau Glattblech Isolierwolle Lochblech Schwingelement Deck Feuerschutz Fertigwand Stahlwand Feuerschutz Glattblech Isolierwolle Lochblech Glattblech Isolierwolle Lochblech Folie 6

7 Folie 7 Vollständige Modellierung am Beispiel der 1. Raumanordnung Die vollständige Modellierung enthält drei Modelle: vollständiges CAD-Modell vollständiges Strukturmodell vollständiges Akustikmodell

8 Folie 8 Vollständige Modellierung am Beispiel der 1. Raumanordnung Vollständiges CAD-Modell 62 Teilvolumina für Isolierwolle, Feuerschutz, Fertigwände, Lufträume Kanten für 1D-Elemente für Boden-, Wand- und Deckenstäbe Gruppierung bestimmter Volumina, Flächen und Kanten erforderlich, z.b. Flächen für Glattblech, Lochblech, Stahlwände. Vollständiges FEM-Strukturmodell Elemente und Knoten 1D, 2D, 3D-Elemente Elementgruppierung erforderlich Großrechner erforderlich 4 TByte-Daten mit Eigenmoden Berechnungen nur abschnittsweise möglich

9 Vollständige Modellierung am Beispiel der 1. Raumanordnung Vollständiges FEM-Akustikmodell Elemente und Knoten nur 3D-Elemente Elementgruppierung erforderlich 17 CPU-Stunden/Frequenz Großrechner erforderlich Folie 9

10 Folie 10 Vollständiges Akustikmodell SCHRITT 1: Erstellen der 3D-Elemente für Isolierwolle -Modell

11 Folie 11 Vollständiges Akustikmodell SCHRITT 2: Erstellen der 3D-Elemente für Feuerschutz

12 Folie 12 Vollständiges Akustikmodell SCHRITT 3: Definition einer Admittanz für Lochblech Die verwendete Admittanz ist komplex und frequenzabhängig.

13 Vollständiges Akustikmodell SCHRITT 4: Erstellen der 3D-Elemente für Luft Schnittdarstellung Folie 13

14 Vollständiges Akustikmodell Modenübertragung aus dem Strukturmodell auf das Akustikmodell Berechnung vom Schallfeld erzwungen durch eine Kraftanregung Hier mittig im oberen Großraum auf die Stahlstruktur angebrachte und in die Z-Richtung wirkende Kraft z Folie 14

15 Folie 15 Vereinfachte Modellierung am Beispiel der 1. Raumanordnung Die vereinfachte Modellierung enthält drei Modelle: vereinfachtes CAD-Modell vereinfachtes Strukturmodell vereinfachtes Akustikmodell

16 Folie 16 Vereinfachte Modellierung am Beispiel der 1. Raumanordnung Vereinfachtes CAD-Modell 4 Volumina einfache Geometrie keine Gruppierung Vereinfachtes FEM-Strukturmodell Elemente und Knoten nur 2D-Elemente keine Elementgruppen Workstation ausreichend 89 GByte-Daten mit Eigenmoden gleichzeitige Berechnung sämtlicher Moden

17 Folie 17 Vereinfachtes Akustikmodell Übertragungsmatrizen für Schallfeldberechnung mit mehrschichtigen Gebieten Prinzipbeispiel: elastische Struktur Fluidschicht Schaumstoff 1 Schaumstoff 2 (p s,v s ) (p a,v a ) Raum Übertragungsmatrix: v v s a p 5 p s a

18 Folie 18 Vereinfachtes Akustikmodell Übertragungsparameter frequenzabhängig, komplex automatisch von Virtual.Lab ermittelt aus der Definition einzelner Schichten Als Schichten sind implementiert Übertragungsmatrix Elastische Werkstoffe beschrieben durch E-Modul, Querkontraktionszahl, Dichte Akustische Fluide Schallgeschwindigkeit, Dichte Poröse Stoffe Biot-Parameter v v s a p 5 p s a

19 Folie 19 Vereinfachtes Akustikmodell Definition von Übertragungsmatrizen zwischen Kabinenluft und Stahlstruktur Beispiel 1: Seitenwand vollständiges Akustikmodell vereinfachtes Akustikmodell

20 Vereinfachte Modellierung (3) am Beispiel der 1. Raumanordnung Vereinfachtes FEM-Akustikmodell 2880 Elemente und Knoten Luft nur in Schiffsräumen keine Elementgruppen 1 CPU-Stunden/Frequenz Workstation 300 MByte-Daten mit Eigenmoden und Akustikergebnissen Folie 20

21 Folie 21 CAD- Modellierung Struktur- Modellierung Berechnung Strukturmoden Akustik- Modellierung Übertragung Strukturmoden Berechnung Akustikrmoden Berechnung Schallfeld für 1 Frequenz Aufwandsvergleich Aufwand für Aufbereitung und Berechnung aller Modelle der 1. Raumanordnung ca. 2 Tage ca. 46 Tage vollständige Modelle vereinfachte Modelle alle Angaben in Stunden

22 Folie 22 Berechnungsergebnisse Schalldruckamplituden auf Visualisierungsflächen Raumanordnung 1, Frequenz 100Hz vereinfachtes Modell vollständiges Modell Pa

23 Folie 23 Berechnungsergebnisse Schalldruckamplituden auf Visualisierungsflächen Raumanordnung 1, Frequenz 200Hz vereinfachtes Modell vollständiges Modell Pa

24 Folie 24 Berechnungsergebnisse Schalldruckamplituden auf Visualisierungsflächen Raumanordnung 1, Frequenz 500Hz vereinfachtes Modell vollständiges Modell Pa

25 Folie 25 Berechnungsergebnisse Schalldruckamplituden auf Visualisierungsflächen Raumanordnung 2, Frequenz 110Hz vereinfachtes Modell vollständiges Modell Pa

26 Folie 26 Berechnungsergebnisse Schalldruckamplituden auf Visualisierungsflächen Raumanordnung 2, Frequenz 150Hz vereinfachtes Modell vollständiges Modell Pa

27 Folie 27 Berechnungsergebnisse Schalldruckamplituden auf Visualisierungsflächen Raumanordnung 2, Frequenz 500Hz vereinfachtes Modell vollständiges Modell Pa

28 Folie 28 Berechnungsergebnisse Schalldruckverläufe in einzelnen Feldpunkten beispielhafte Verläufe Feldpunkt/Mikrofon 1 Feldpunkt/Mikrofon 2

29 Schalldruckpegel [db] Berechnungsergebnisse Schalldruckverläufe in einzelnen Feldpunkten beispielhafte Verläufe: Feldpunkt/Mikrofon vollständiges Modell vereinfachtes Modell Frequenz [Hz] Folie 29

30 Schalldruckpegel [db] Berechnungsergebnisse Schalldruckverläufe in einzelnen Feldpunkten beispielhafte Verläufe: Feldpunkt/Mikrofon vollständiges Modell vereinfachtes Modell Frequenz [Hz] Folie 30

31 Schalldruckpegel [db] Folie 31 Berechnungsergebnisse Weitere Auswertungen der Berechnungsergebnisse ausgewähltes Beispiel: Schalldruck in Terzen vollständiges Modell vereinfachtes Modell , Frequenz [Hz]

32 Folie 32 Schalldruckpegel [db] Zusammenfassung Effiziente Simulation der Schallausbreitung auf Schiffen kann nur mit modernen Ansätzen gelingen, die eine signifikante Modellvereinfachung erlauben. Anwendung akustischer Übertragungsmatrizen ermöglicht Vereinfachungen der CAD-, Struktur- und Akustikmodelle bei sehr guter Übereinstimmung mit den Ergebnissen der vollständigen Modellierung. 50 Dies wurde für beide Raumvollständiges Modell 40 vereinfachtes Modell anordnungen gezeigt. 30 Die neue Berechnungsmethodik sichert Kenntnis der Schallfeld- 20 größen innerhalb von ca. 48 Std., 10 mindestens 23 mal schneller als im 0 Falle konventioneller Simulationen , Frequenz [Hz]