Mechanik und Mechatronik
> Zum Inhalt

Arbeitsgruppe Technische Akustik

Die Arbeitsgruppe Technische Akustik des Institutes für Mechanik und Mechatronik beschäftigt sich in Forschung und Lehre mit der physikalischen Modellierung, der numerischen Simulation und Optimierung von komplexen mechatronischen Systemen (Finite-Elemente-Verfahren für Mehrfeldprobleme), Sound-Design und Lärmreduktion (Vibro- und Strömungsakustik), modernen Messverfahren für mechanische Schwingungs- sowie akustischer Schallanalyse und Parameterbestimmung für die Materialmodellierung mechanischer, elektromagnetischer und akustischer Eigenschaften.

Modellierung und Simulation

Bei der Entwicklung von mechatronischen Systemen setzen Berechnungsingenieure zunehmend numerische Verfahren ein, welche die präzise Computersimulation dieser Komponenten und Systeme ermöglicht. Dies begründet sich einerseits in der Komplexität der Systeme, deren Wirkungsprinzipien auf der Kopplung verschiedener physikalischer Felder (mechanisches, elektromagnetisches, akustisches, etc.) beruhen, und andererseits in dem Problem, dass viele interessante physikalische Größen messtechnisch nicht zugänglich sind, wie etwa mechanische Spannungen oder magnetische Felder im Inneren von Strukturen. Um diesen Umständen Rechnung zu tragen, entwickelt die Forschungsgruppe seit vielen Jahren das Simulationsprogramm CFS++ (Coupled Field Simulation), welches die den physikalischen Feldern zugrunde liegenden partiellen Differentialgleichungen (pDGLs) sowie deren Kopplungen effizient mit Hilfe der Finiten-Elemente-Methode (FEM) löst. Die entwickelten und implementierten Materialmodelle, nichtkonformen Gitter-Techniken, Finiten Elemente höherer Ordnung und äußerst effizienten Koppelstrategien sind wesentliche Bausteine, welche in kommerziellen Simulationsprogrammen nicht vorhanden sind. Zusätzlich ermöglicht CFS++ sowohl die Form- als auch Topologieoptimierung komplexer Systeme basierend auf der SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization) Methode.

Messtechnik

Die Forschungsgruppe ist bestens mit modernen Messsystemen im Bereich der Schwingungs- und Schallfeldanalyse ausgerüstet (Laser-Scanning-Vibrometer, Laser-Speckle-Interferometrie, digitale Bildkorrelation, akustische Kamera, akustisches Impedanz- und Transmissionsmesssystem, Schallintensitätssonden, 3D Magnetfeldmesssysteme, etc.). Zusätzlich stehen ein Elektroniklabor sowie eine moderne mechanische Werkstätte mit CNC-Maschine zur Verfügung, um erste Prototypen selbst fertigen und aufbauen zu können.

Ausgewählte Forschungsprojekte:

  • MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems) Lautsprecher mit digitaler Schallerzeugung
  • Schallquellenlokalisation mit speziellen Beamforming-Algorithmen basierend auf experimentellen und simulationstechnischen Methoden
  • Strömungsakustik von Klimaanlagen
  • Piezoelektrische Oberflächenwellensensoren
  • Signalverarbeitung für Maschinenüberwachung und Diagnose

Ausgewählte Publikationen

M. Kaltenbacher, A. Hüppe, A. Reppenhagen, M. Tautz, S. Becker, W. Kuehnel
Computational aeroacoustics for HVAC systems utilizing a hybrid approach, SAE International, 2016


M. Kaltenbacher, A. Volk, M. Ertl
Anisotropic model for the numerical computation of magnetostriction in grain-oriented electrical steel sheets, COMPEL, 2013

F. Wein, M. Kaltenbacher, M. Stingl
Topology optimization of a cantilevered piezoelectric energy harvester using stress norm constraints, Structural and Multidisciplinary Optimization, 2013