Simulation and experimental validation of acoustic properties of hollow sphere structures

Customers nowadays regard the noise and vibration behavior as an essential product property. Cellular character materials, in particular hollow sphere structures, are predestined to absorb sound in a very efficient manner due to their cellular character. Depending on the constituent material, the geometric parameters like the diameter of the spheres, the thickness of the walls and the assembling schema of single spheres, the absorption coefficient can be reduced to very low levels. In contrast to other cellular materials, the frequency and bandwidth can actively be influenced by the variation of the above mentioned parameters. In order to predict the acoustic behavior of a structure, FE or CFD analyses are used as standard tools. In addition, there exist some parameter based models, e.g. the BIOT theory, which characterizes the absorption, transmission and reflection coefficients using a few macroscopic parameters. Within this contribution, the acoustic properties of hollow sphere structures are investigated by a so-called virtual material laboratory GeoDict (by Math2Market GmbH, originally by the Fraunhofer Institute for Industrial Mathematics). The results for the absorption and reflection coefficients are compared to those gained by classical analysis methods and experiments based on Kundt's tube. Das Gerausch- und Schwingungsverhalten ruckt heutzutage mehr und mehr als ein entscheidendes Kaufkriterium fur die Konsumenten in den Mittelpunkt. Aufgrund ihres makroskopischen Aufbaus eignen sich zellulare Werkstoffe, im Besonderen Hohlkugelstrukturen, hervorragend als hocheffiziente Schallabsorber. Abhangig vom Ausgangswerkstoff, dem Herstellungsverfahren sowie den geometrischen Parametern, wie beispielsweise dem Kugeldurchmesser und der Wanddicke, lassen sich die Absorptionskoeffizienten nahezu beliebig variieren. Vergleicht man Hohlkugelstrukturen mit anderen zellularen Werkstoffen, so lasst sich bei diesen sowohl die Frequenz wie auch der Frequenzbereich, in welchem sie herausragende akustische Eigenschaften besitzen, aktiv durch eine Variation der Parameter anpassen. Zur Vorhersage des akustischen Verhaltens von Werkstoffen finden ublicherweise FE- oder CFD-Simulationen Verwendung. Des Weiteren besteht die Moglichkeit, mit Hilfe von parametrischen Modellen, wie beispielsweise der Biot-Theorie, die Schallabsorption, Transmission und Reflexion mit einigen wenigen makroskopischen Parametern zu beschreiben. Im Rahmen dieses Beitrages werden die akustischen Eigenschaften von Hohlkugelstrukturen mit dem sogenannten virtuellen Materiallabor GeoDict (jetzt Math2Market GmbH, ursprunglich Fraunhofer ITWM) berechnet. Die aus diesen Daten berechneten Ergebnisse des Absorptions- und Reflexionskoeffizienten werden mit denen der experimentellen Untersuchungen, die mit dem Kundt'schen Rohr bestimmt wurden, verglichen.