Finite-Elemente-Methoden, Lösungsalgorithmen und Werkzeuge für die akustische Simulationstechnik

Franck, Andreas; Vorländer, Michael (Thesis advisor)

Berlin / Logos (2009) [Doktorarbeit]

Seite(n): VI, 155 S. : Ill., graph. Darst.

Kurzfassung

Im Rahmen der hier vorgestellten Arbeit wurden Finite-Elemente-Methoden, effiziente Lösungsverfahren und Anwendungswerkzeuge für die akustische Simulation entwickelt. Ziel der Entwicklungen war es dabei, eine vielseitig einsetzbare, offene und an spezielle Fragestellungen anpassbare Sammlung von Simulationswerkzeugen zu schaffen, um typische akustische Problemstellungen mit geringem Modellierungsaufwand und hoher Genauigkeit berechnen zu können. Mit einer Implementierung der FEM für fluide Medien und einem äquivalenten Fluidansatz für poröse Absorber wurde die Schallausbreitung im Luftschallfeld nachgebildet. Zur Behandlung von Schalldurchgangsproblemen sowie Fragestellungen im Bereich Körperschall wurden Finite-Elemente-Methoden für Festkörper und schubweiche Platten implementiert, sowie ein Kopplungsmodell für die Einkopplung von Schall in die Struktur und die Schallabstrahlung schwingender Strukturoberflächen. Es ermöglicht dadurch auch die korrekte Behandlung nicht-lokal reagierender Wände und die Simulation des Schalldurchgangs durch komplexe Wandkonstruktionen. Die entwickelten Methoden wurden anhand einer Auswahl von Musterproblemen im Hinblick auf ihre Genauigkeit und ihre Anwendungsgrenzen verifiziert. Die Berechnung komplexer akustischer Systeme führt zu sehr großen Gleichungssystemen, die mit geeigneten Methoden gelöst werden müssen. Zur effizienten Lösung sind besonders vorkonditionierte iterative Lösungsalgorithmen geeignet, die ohne Zerlegung der Systemmatrizen arbeiten. Zur Anwendung der FEM auf unterschiedliche akustische Problemstellungen wurden eine Reihe spezieller Simulationswerkzeuge entwickelt. Es wurde eine Methode zur Berechnung der Fernfeld-Schallabstrahlung über ein erweitertes Postprocessing der FEM-Lösungen realisiert, sowie Untersuchungen zur Nutzung akustischer Ersatzimpedanzmodelle für komplexe Wandstrukturen durchgeführt. Ein weiteres Modell erlaubt die gekoppelte Simulation unter Einbeziehung elektromechanischer Netzwerkmodelle. Schließlich wurde anhand von zwei Anwendungsbeispielen die Nutzung der FEM für typische praktische Problemstellungen der Raum- und Bauakustik verifiziert. Die Simulation der niederfrequenten Raumakustik eines Tonstudios im Vergleich mit Messungen im realen Studio demonstriert eindrucksvoll die Möglichkeiten der numerischen Akustiksimulation in komplexen Umgebungen. Ein bauakustisches Trennwand-Testmodell veranschaulicht in der Simulation typische Effekte wie das Koinzidenzverhalten und die Unterschiede zwischen biegesteifen und biegeweichen Trennwänden.

Identifikationsnummern

  • ISBN: 978-3-8325-2313-8
  • URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-29931
  • REPORT NUMBER: RWTH-CONV-113865