Adaptronische Helmholtz-Resonatoren für Isolierglasfenster

(8.4.2014) Mit zunehmendem Verkehrsaufkommen steigt auch der Lärmpegel in unse­ren Städten. Die Adaptronik (Kunstwort aus „adaptiv“ und „Elektronik“) bietet interes­sante Ansatzpunkte, um den Krach in Wohnungen und Büros mindern. Zur Reduktion schmalbandiger Lärmquellen bieten sich u.a. adaptive Helmholtz-Resonatoren an. Wis­senschaftler des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF stellten die Technik bei der diesjährigen Hannover-Messe vom 7. bis 11. April auf dem Fraunhofer-Adaptronikstand (Halle 2, Stand D13) vor.

„Akustikaquarium“, bei dem zwei Helmholtz-Resonatoren die Schalltransmission eines Lautsprechers durch ein Doppelglasfenster mindern; Foto: Fraunhofer LBF, Ursula Raapke. 

Helmholtz-Resonatoren sind passive Maßnahmen zur Reduktion von Schallfeldern in Räumen und durch Doppelglasfenster; sie verbrauchen weniger Energie als aktive Maßnahmen: Die meisten Störquellen weisen eine zeitveränderliche Frequenzcharak­teristik auf. Das neuartige Konzept ermöglicht es, Resonatoren effizient auf das herr­schende Signal adaptiv zu regeln. Hierbei wird lediglich Energie benötigt, um das semi-passive System auf die vorherrschende Situation anzupassen. Grundsätzlich können Helmholtz-Resonatoren analog zu mechanischen Tilgern betrachtet werden. Ihre Til­gungsfrequenz wird durch die Änderung geometrischer Eigenschaften variiert.

Helmholtz-Resonatoren bestehen aus einem Hals und einem Bauch, die sich wie die Masse, Steifigkeit und Dämpfung des mechanischen Systems verhalten. Die Anpas­sung des Resonators auf die gewünschte Tilgungsfrequenz kann sowohl durch eine Variation der Hals- als auch der Körpergeometrie geschehen. Da die Anpassung über die Halsgeometrie negative Nebeneffekte nach sich ziehen kann, wurde die Resonanz­frequenz durch die Variation des Resonatorbauches bzw. der Steifigkeit mittels eines axial wirkenden Kolbens eingestellt.

Zur Untersuchung der Reduktionswirkung wurde der Akustikdemonstrator des LOEWE-Zentrums AdRIA verwendet. Der Demonstrator ist ein quaderförmiger Hohlraum, des­sen Wände eine schallharte Charakteristik aufweisen. Hierbei ließ sich eine Reduktion der Hohlraum- Resonanzen um bis zu 19 Dezibel erzielen. Die Schalltransmission durch ein symmetrisches Doppelglasfenster konnte um bis zu fünf Dezibel verringert werden. Dazu wurde ein Helmholtz-Resonator an einem Doppelglasfenster angebracht, der auf den Hohlraum zwischen den Scheiben wirkte.

Was bei Doppelglas funktioniert, sollte sich auch für andere doppelwandige Strukturen eignen. Flugzeugbauer wollen mit der Technologie beispielsweise den Geräuscheintrag in die Kabinen reduzieren. Ebenfalls ist es möglich, Geräusche in Kanälen, wie etwa in Lüftungsrohren in Gebäuden oder in Abgasanlagen von Autos zu mindern.