Akustische Berechnung einer schwingenden Platte mit piezoelektrischer Anregung und Vergleich mit Messungen

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Lioba Krause
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1 Akustische Berechnung einer schwingenden Platte mit piezoelektrischer Anregung und Vergleich mit Messungen

2 Inhalt 1. Motivation 2. Platte und Einspannung a) Experimentelle Modalanalyse der freien Platte b) Experimentelle Modalanalyse der eingespannten Platte c) Modellierung der Einspannung 3. Piezoelektrische Flächenwandler a) Messung der Dämpfung b) Modellierung der Platte mit piezoelektrischen Flächenwandlern c) Berechnung der Modalanalyse der eingespannten Platte d) Messung der Geschw. an der Plattenoberfläche und Vergleich mit Simulation

3 Inhalt 4. Akustik a) Messungen i. Druckverteilung in 100mm Abstand zur Plattenoberfläche b) Simulationen i. Simulationsmodell ii. iii. Geschwindigkeitsvorgabe als Anregung der Platte Anregung mit elektr. Piezospannung c) Vergleich Messung und Simulation

akustische Simulation Ergebnisse dienen als Ansatz Verbesserung

4 Motivation Demonstrator für aktive Schwingungsdämpfung Erweiterung der Modellbildung piezoelektrische Simulation akustische Simulation Ergebnisse dienen als Ansatz Verbesserung der Regelung in weiterer Folge Implementierung der Regelung in der Ansys Berechnung

5 Platte und Einspannung

6 Platte und Einspannung Piezobox ALO Piezobox Demonstrator zur aktiven Schwingungsdämpfung Einhausung Einhausung aus MDF Einspannung piezoelektr. Flächenwandler (Piezopatch) Anregung der Patches im oberen Viertel (Bezeichnung: ALO) Einspannung Piezopatch

7 Platte und Einspannung Einspannung der PMMA-Platte Befestigung mit 28 Stockschrauben im MDF Klemmung mit Hilfe von Aluminiumschienen entspricht relativ gut einer elastischen Einspannung

8 Platte und Einspannung Experimentelle Modalanalyse der freien Platte Bestimmung des Elastizitätsmoduls der PMMA- Platte für die Simulation frei schwingende Platte Messung der Eigenfrequenzen

9 Platte und Einspannung Experimentelle Modalanalyse der eingespannten Platte eingespannte Platte Anregung über Piezopatches ALO Messung der Eigenfrequenzen mittels Laservibrometer Mode Eigenfrequenz in Hz

10 Platte und Einspannung Modellierung der Einspannung elastische Lagerung auf den grün markierten Flächen Modalanalyse in Ansys Abgleich der Steifigkeiten der Einspannung bis die Eigenfrequenzen mit den gemessenen übereinstimmten

11 Platte und Einspannung Vernetzung der Platte 3D Volumselemente (Solid186) 4 Elemente über die Dicke quadratische Ansatzfunktionen

12 piezoelektrische Flächenwandler

13 Piezoelektrische Flächenwandler Messung der Dämpfung Anregung ALO Messung der Geschwindigkeit mit dem Laser Vibrometer Mode Lehrsches Dämpfungsmaß % % Half power points Methode

14 Piezoelektrische Flächenwandler Modellierung der Platte mit piezoelektrischen Flächenwandlern Rayleigh Dämpfung für ersten beiden Eigenfrequenzen abgeglichen Dämpfungsmaß α β

15 Piezoelektrische Flächenwandler Modellierung piezoelektrischer Flächenwandler im Simulationsmodell Piezokeramik 50x30mm Vernetzung: 4 Elemente über die Höhe Solid 226: zusätzlicher Freiheitsgrad für das elektrische Potential

Äquipotentialflächen vorgegeben elektrischer Spannungsverlauf APDL

16 Piezoelektrische Flächenwandler Modellierung piezoelektrischer Flächenwandler im Simulationsmodell Spannungen werden auf Äquipotentialflächen vorgegeben elektrischer Spannungsverlauf APDL Befehle für Spannungen sowie Materialparameter positive Elektrode negative Elektrode

17 Piezoelektrische Flächenwandler Modalanalyse der eingespannten Platte Schwingungsformen Mode Hz Mode Hz

18 Piezoelektrische Flächenwandler Vergleich der Plattengeschwindigkeiten - Messung und Simulation Geschwindigkeitsmessung mit Laser-Scanning Vibrometer Messung der Geschwindigkeiten an Netz von Messpunkten Anregung über Piezopatch ALO: Vorgabe der elektr. Spannung

19 Piezoelektrische Flächenwandler Vergleich der Plattengeschwindigkeiten - Messung und Simulation Mode 1 Piezospannung: 75V Abweichung von der Messung: 11%

20 Piezoelektrische Flächenwandler Vergleich der Plattengeschwindigkeiten - Messung und Simulation Mode 2 Piezospannung: 75V Abweichung von der Messung: 17%

21 Piezoelektrische Flächenwandler Vergleich der Plattengeschwindigkeiten - Messung und Simulation Abweichung der Geschwindigkeit ist vermutlich auf Schwankungen der piezoelektrischen Parameter zurückzuführen Erhöhung des d 31 Parameters um ~13%

22 Piezoelektrische Flächenwandler Vergleich der Plattengeschwindigkeiten - Messung und Simulation Mode 2 Berechnung mit angepassten d 31 -Faktor Abweichung von der Messung: 5%

23 Akustik

24 Akustik Messung der Druckverteilung Anregung mittels Piezopatches ALO in den ersten beiden Eigenfrequenzen Messung der Druckverteilung in 100mm Abstand zur Platte Mikrofonarray: 36 Einzelmikrofone

25 Akustik Simulationsmodell in Ansys Einhausung sowie Luftvolumen im Innenraum wird als ideal reflektierend modelliert Platte Luft in 3 Bereiche eingeteilt Akustischer Körper mit akustisch/mechanischer Kopplung Akustischer Körper ohne Kopplung Perfectly matched layer PML

26 Akustik Simulationsmodell in Ansys Vernetzung mehrere Elemente für akustische Kopplung fein vernetzt im Bereich der Schallausbreitung

27 Akustik Vorgabe der Geschwindigkeit Vorgabe der Geschwindigkeit an der Plattenoberfläche Werte aus der Messung

28 Akustik Vorgabe der Geschwindigkeit Druck in 100mm Abstand zur Plattenebene ausgewertet Abweichung von der Messung: 4.35%

29 Akustik Vorgabe der Piezospannung Anregung mit Piezopatches ALO Auswertung des Drucks im Abstand 100mm zur Platte

30 Akustik Vorgabe der Piezospannung Mode 1 Schalldruck in 100mm Abstand zur Platte Abweichung von der Messung: 3%

31 Akustik Piezospannung als Eingang Mode 2 Abweichung von der Messung: 10%

32 Danksagung Institut für Technische Mechanik Johannes Kepler Universität Altenberger Straße 69 A-4040 Linz, Austria

33 Kontakt Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Linz Center of Mechatronics GmbH Altenberger Straße 69, 4040 Linz AUSTRIA Dipl.-Ing. Schatz Gerald Geschäftsführer Tel: +43(0) Alexander Reininger Mechanics & Control Student, Mechatronik JKU

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