Schall in Form von Sprache oder Musik öffnet Türen für menschliches Miteinander. Im Gegensatz hierzu steht der Lärm mit erheblichen negativen Folgen für unsere Gesundheit, unser Wohlempfinden und die Umwelt. Die zunehmende Urbanisierung und Verkehrsbelastung erschweren zusätzlich das Erreichen bislang festgesetzter Schallschutzziele und erfordern die Entwicklung effektiver Lärmschutzmaßnahmen. Einen innovativen und vielversprechenden Ansatz hierfür bieten akustische Metamaterialien. Dabei handelt es sich um lokal resonante Mikrostrukturen, welche im Kollektiv die Ausbreitung vibro-akustischer Wellen durch beispielsweise Motorenlärm verhindern können. Bisherige Modellbildungsverfahren sind jedoch äußerst rechenintensiv oder bedienen sich vereinfachter Annahmen wie perfekter Periodizität und Vernachlässigbarkeit von Grenzschichteffekten. Dies führt zum Teil zu unphysikalischen Simulationsergebnissen sowie suboptimalen Designs mit fertigungstechnischen und funktionellen Nachteilen für den Praxiseinsatz von Metamaterialien.
Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines multiphysikalischen Simulationsverfahrens zur Untersuchung und Auslegung von akustischen Metamaterialien. Hierfür gilt es zum einen die Physik akkurat, demnach mit umfassender Fluid-Struktur-Interaktion und sogenannten thermoviskosen Verlusten, darzustellen. Zum anderen muss das Verfahren ausreichend effizient sein, um großskalige, aperiodische Modelle zu berechnen. Es wird ein neuartiger Ansatz basierend auf der Randelementemethode (BEM) für strömungsfreie Akustik verfolgt. Die Grenzschichtverluste sollen mittels einer thermoviskosen, diskontinuierlichen BEM akkurat berücksichtigt und deren Absorptionspotential erforscht werden. Die Methode soll weiterführend über beidseitige Kopplungsbeziehungen für die Berechnung mit Fluid-Struktur-Interaktion erweitert werden. Abschließend wird durch schnelle Verfahren der BEM, im Speziellen der Fast Multipole Methode, und Parallelisierung die Berechnung großskaliger, aperiodischer Modelle angestrebt.
