Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4215
Main Title: Near-field structure-borne sound holography
Subtitle: Extrapolation of bending wave fields in homogenous plates
Translated Title: Körperschall-Nahfeldholographie
Translated Subtitle: Extrapolation von Biegewellenfeldern in homogenen Plattenstrukturen
Author(s): Greussing, Dietmar
Advisor(s): Möser, Michael
Referee(s): Möser, Michael
Ochmann, Martin
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Extrapolation von Biegewellenfeldern in homogenen Platten. Ohne Kenntnis der mechanischen Randbedingungen oder der anregenden Kräfte werden sowohl das kontinuierliche räumliche Wellenfeld als auch die Spektren der Strukturantwort anhand von Strukturantwort-Messungen rekonstruiert. Es wird aufgezeigt, inwiefern die bewusste Einbeziehung von Körperschall-Nahfeldern im unmittelbaren Bereich der Quellen und der Ränder der Struktur von Vorteil sein kann. Hierfür werden zwei Verfahren vorgestellt. Das erste Verfahren stellt eine Anwendung des Prinzips der akustischen Nahfeldholographie im Körperschallbereich dar. Die Wahl eines Polarkoordinatensystems ermöglicht eine Extrapolation des Feldes durch Faltung und Entfaltung von analytischen Ausbreitungsfunktionen mit Randbedingungen, die im strukturdynamischen Nahfeld gemessen werden. Da dieses Vorgehen der Lösung eines inversen Problems entspricht, kommt zudem numerische Stabilisierung in Form von Wellenzahlfilterung und Regularisierung zur Anwendung. Das zweite Verfahren verwendet die Theorie des Kirchhoff-Helmholtz Integrals und setzt Fernfeldbedingungen an den Messpositionen voraus. Dies stellt eine direkte Lösung des Ausbreitungsproblems dar und erfordert im Gegensatz zur Nahfeld-Methode kein spezifisches Koordinatensystem für die Messungen. Beide Verfahren werden in einer Reihe an Simulationen und Experimenten anhand von drei distinktiven Fallbeispielen evaluiert: eine unendlich ausgedehnte Platte sowie eine vollständig freie und eine einfach aufgestützte Platte, jeweils angeregt durch Punktkräfte normal zur Plattenoberfläche. Im Hinblick auf die oftmals vernachlässigten Nahfelder stellen die beiden letzteren Beispiele Extremfälle für die große Bandbreite an unterschiedlichen Randbedingungen in der Realität dar. Die Untersuchungen zeigen, dass der zu erwartende mittlere Rekonstruktionsfehler des holographischen Verfahrens zwischen 1 dB und 3 dB liegt, abhängig von der Randbedingung. Das Verfahren ist nicht zur Beurteilung von sehr schmalbandigen Spektren geeignet und der extrapolierbare Bereich der Platte ist geometrisch eingeschränkt. Das Verfahren auf Basis des Kirchhoff-Helmholtz Integrals führt im Mittel zu Rekonstruktionsfehlern zwischen 2 dB und 3 dB. Wie bei der Nahfeld-Methode können für einzelne Feldpunkte und Frequenzen auch deutlich größere Abweichungen beobachtet werden. Im Fall von signifikant auftretenden Nahfeldern sollte dabei ein Messabstand von mindestens einem Sechstel der betrachteten Biegewellenlänge zu den Diskontinuitäten in der Struktur eingehalten werden.
This thesis investigates the extrapolation of bending wave fields in homogenous plates. Using a number of structural response measurements, the continuous spatial field and the spectra of the response are reconstructed without knowledge of the mechanical boundaries or the excitation forces. It is clarified whether the deliberate inclusion of the structural near-fields close to sources and boundaries can be beneficial in the process. Two methods are therefore presented. The first one represents an application of Fourier transform-based Near-Field Acoustic Holography in a structure-borne sound setting. The use of a polar coordinate system allows analytical propagation functions to be convolved and deconvolved with boundary values measured in the structural near-field of the plate. Because this constitutes an inverse problem, numerical stabilization in the form of wavenumber filtering and regularization is applied. The second method utilizes the Kirchhoff-Helmholtz integral and requires far-field conditions at the measurement positions. It constitutes the solution of a direct problem in comparison and is not restricted to a specific coordinate system for measurement. The methods are evaluated through a series of simulations and experiments, considering three distinct cases: the infinite plate, the fully free and the simply supported plate, excited by normal point forces, respectively. In terms of the usually neglected influence of the near-field, the latter two can be seen as worst and best case scenarios for the wide range of possible boundary conditions in engineering practice. It is found that the average reconstruction error to be expected from holography ranges from 1 dB to 3 dB, depending on the boundary condition. The method is not very well suited to analyze very narrow frequencies in a spectrum, and the extrapolatable plate area is inherently limited. The Kirchhoff-Helmholtz integral-based method leads to an average reconstruction error between 2 dB and 3 dB. As with the holographic method, the observed deviations at individual field positions and frequencies can be significantly larger, however. The presence of near-fields requires a distance of at least a sixth of the considered bending wavelength between measurement positions and structural discontinuities.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-57587
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4512
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4215
Exam Date: 6-Oct-2014
Issue Date: 14-Oct-2014
Date Available: 14-Oct-2014
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Nahfeld
Holographie
Biegewelle
Extrapolation
Platte
Kirchhoff
Integral
Near-field
nearfield
holography
bending wave
extrapolation
plate
Kirchhoff
integral
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