Noise and vibration reduction with vibroacoustic metamaterials on a cover for power electronics of an electric powertrain

Abstract

Vibroacoustic metamaterials are a promising technology for broadband noise and vibration reduction, that can induce a stop band for vibrations in the frequency domain. Within the stop band no elastic wave propagation is possible. Individually designed for the target structure, vibroacoustic metamaterials can be integrated neutrally in terms of weight and package. Therefore, they are especially suited for the use in the automotive industry where light weight structures are employed, which are more prone to vibrations. In the presented work the integration of a vibroacoustic metamaterial into a cover of power electronics of an electric powertrain is investigated. Therefore, a cover with integrated vibroacoustic metamaterial is numerically designed and experimentally tested in terms of acoustics and structural dynamics. The vibroacoustic metamaterial is integrated by cutting an array of resonators into the cover. For damping and sealing of the cover, the slots are filled in one configuration with silicone. In another configuration the cover is equipped with a PVC foil. For performance evaluation the developed covers with vibroacoustic metamaterial are benchmarked against an add-on vibroacoustic metamaterial approach commonly used in literature as well as against state-of-theart measures for noise and vibration reduction like alubutyl and bitumen-layers, larger wall thicknesses and sandwiched steel sheets with an integrated damping layer. The developed covers for the power electronics of an electric car with integrated vibroacoustic metamaterial feature amplitude reductions of more than 30 dB for structural vibrations and more than 10 dB for the radiated sound power within the stop band region compared to the reference cover.

Vibroakustische Metamaterialien sind eine vielversprechende Technologie zur breitbandigen Reduktion von Vibrationen und Lärm. Sie sind in der Lage Stoppbänder im Frequenzbereich auszubilden. Innerhalb solcher Stoppbänder ist keine elastische Wellenausbreitung möglich. Genau abgestimmt auf die Zielstruktur, lassen sich vibroakustische Metamaterialien gewichts- und bauraumneutral in Bauteile integrieren und eignen sich daher im Besonderen für den Einsatz in der Automobilindustrie, wo schwingungsanfällige Leichtbaustrukturen eingesetzt werden. In der vorliegenden Arbeit wird die Integration vibroakustischer Metamaterialien an einem Deckel der Leistungselektronik eines elektrischen Antriebsstrangs untersucht. Dazu wird ein Deckel mit integriertem vibroakustischen Metamaterial numerisch ausgelegt und experimentell hinsichtlich Akustik und Strukturdynamik bewertet. Das vibroakustische Metamaterial wird durch das Hineinschneiden eines Arrays verteilter Resonatoren in den Deckel integriert. Um Dämpfung hinzuzufügen und um den Deckel abzudichten, werden in einer Deckel-Konfiguration die bestehenden Schlitze mit Silikon gefüllt. In einer weiteren Konfiguration wird der Deckel mit einer PVC-Folie beklebt. Für die Bewertung der Performance hinsichtlich Schwingungs- und Schallreduktion werden die entwickelten Deckel mit vibroakustischem Metamaterial mit einem in der Literatur üblichen add-on vibroakustischen Metamaterials sowie mit Maßnahmen nach dem aktuellen Stand der Technik zur Geräusch- und Schwingungsreduktion wie Alubutyl- und Bitumenschichten, einer Wandstärkenvergrößerung und Sandwich-Blechen mit integrierter Dämpfungsschicht verglichen. Die entwickelten Deckel für die Leistungselektronik eines Elektrofahrzeugs mit integriertem vibroakustischen Metamaterial weisen im Vergleich zum Referenzdeckel Amplitudenreduktionen für Strukturschwingungen von mehr als 30 dB und für die abgestrahlte Schallleistung von mehr als 10 dB im Stoppbandbereich auf.