Die numerische Simulation von Schallfeldern hilft dabei, die Ausbreitung von Schall und Lärm besser zu verstehen und unterstützt die Planung wirksamer Maßnahmen zur Lärmreduktion. Deshalb entwickeln und nutzen wir computergestützte Modelle und Methoden, um die physikalische Wechselwirkung zwischen Schall und Objekten präzise zu beschreiben.
Unsere Forschung umfasst Modelle zu Strukturdynamik, Schallfeldern und Vibrationen. Anwendungen finden sich unter anderem in der Lärmbekämpfung, im Fahrzeug-Audio, in der Schallwahrnehmung und in der Sprachproduktion. Zu unseren Forschungsschwerpunkten gehören:
die Entwicklung und Anwendung effizienter Randelementmethoden (BEM) zur Simulation von Schallausbreitung in 2D, 2.5D und 3D
die Entwicklung effizienter Methoden zur Modellierung von Systemen mit hysteretischem Verhalten
die Modellierung und psychoakustische Bewertung von Lärmminderungsmaßnahmen
die Entwicklung von Modellen und Methoden zur Simulation des menschlichen Vokaltrakts
Zwar steigt die Rechenleistung moderner Computer kontinuierlich, gleichzeitig wachsen jedoch auch die Anforderungen realer Anwendungen – etwa der Bedarf an detailreicheren Modellen, der Simulation größerer und geometrisch komplexer Strukturen oder der Einsatz in Echtzeit. Daher ist es notwendig, fortlaufend neue robuste und effiziente numerische Methoden zu entwickeln und innovative Ideen und Konzepte in die numerische und angewandte Mathematik einzubringen.
Durch die enge Zusammenarbeit mit externen Partnern und mit allen Arbeitsgruppen des Instituts können neue mathematische Konzepte (z. B. aus der Frame- und Wavelettheorie) direkt in Lösungen für konkrete Anwendungsprobleme umgesetzt werden – etwa für die Berechnung von HRTFs im virtuellen 3D-Audio oder zur Bewertung von Lärmminderungsmaßnahmen. Im Rahmen unserer langfristigen Forschungsstrategie trägt der Fachbereich Numerik zum Lighthouse-Projekt Von der Erkennung und Simulation von Lärm bis zur Entwicklung wirksamer Gegenmaßnahmen bei.
Lärm beeinflusst unseren Alltag auf vielfältige Weise. Um wirksame Maßnahmen zu entwickeln, braucht es ein präzises Verständnis dafür, wie Geräusche entstehen, sich ausbreiten und vom Menschen wahrgenommen werden. Das Lighthouse-Projekt des Numerik-Clusters vereint dafür mathematische, akustische, signalverarbeitungstechnische und psychoakustische Perspektiven. Ziel ist es, numerische Methoden weiterzuentwickeln, die realistische Simulationen akustischer Szenarien ermöglichen und damit die Grundlage für zukünftige Strategien der Lärmminderung schaffen.
Verstehen und Modellieren von Lärm
Um Gegenmaßnahmen bewerten und entwickeln zu können, untersucht das Projekt die gesamte Kette akustischer Prozesse – von der Lärmentstehung über die Ausbreitung bis hin zur Wahrnehmung. Numerische Simulationen spielen dabei eine zentrale Rolle, da sie komplexe Situationen realitätsnah abbilden, in denen Messungen allein nicht ausreichen.
Herausforderungen gängiger Modellierungsverfahren
Viele etablierte Modellierungsansätze, wie etwa Raytracing, bilden reale akustische Situationen nur unvollständig ab oder sind für bestimmte Anwendungen nicht ausreichend präzise. Daher arbeitet das Projekt an neuen numerischen Methoden und Modellen, die eine bessere Genauigkeit und Anwendungstauglichkeit ermöglichen.
Lokalisierung von Lärmquellen
Um wirksame Maßnahmen zur Lärmminderung zu entwickeln, ist es oft entscheidend, die genaue Position von Geräuschquellen zu bestimmen. Mikrofonarrays kommen hier häufig zum Einsatz, stoßen jedoch aufgrund von Grenzen in Verfahren wie Beamforming, akustischer Holografie oder inverser BEM an technische Herausforderungen. Im Projekt werden mathematische Ansätze wie komprimiertes Abtasten und Spärlichkeit mit technischen Verfahren kombiniert, um diese Methoden schneller, genauer und stabiler zu machen.
Simulation der Schallausbreitung
Ein Schwerpunkt liegt auf der Weiterentwicklung von Verfahren zur Simulation der Schallausbreitung, insbesondere mithilfe der Randelementmethode (BEM). In realen Anwendungen geraten Standardmethoden oft an ihre Grenzen – sei es durch hohe Rechenleistung, großen Speicherbedarf oder lange Berechnungszeiten. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an realitätsnahe Simulationen, etwa durch hohe Frequenzen oder komplexe Geometrien wie Fahrzeuginnenräume.
Theoretische Grundlagen und mathematische Innovation
Effiziente und stabile Lösungen für komplexe akustische Probleme setzen eine fundierte mathematische Basis voraus. Deshalb untersucht das Projekt theoretische Aspekte der akustischen BEM, darunter die Kombination von Frames mit adaptiven BEM-Verfahren sowie Ansätze zur ebenen Wellenzerlegung im Zeitbereich. Diese Arbeiten schaffen die Grundlage für robuste Methoden, die auch in anspruchsvollen Anwendungsszenarien zuverlässig funktionieren.
Reproduzierbare Forschung
Reproduzierbare Forschung ist ein zentrales Anliegen des Instituts. Wo sinnvoll, werden Methoden und Werkzeuge offen zugänglich gemacht. Ein Beispiel ist das Open-Source-Paket Mesh2HRTF, das akustische Berechnungen personenbezogener räumlicher Filter (HRTFs) ermöglicht und der Fachwelt frei zur Verfügung steht.
Frühere Projekte zur Lärmforschung
In den vergangenen Jahren hat das ARI mehrere Forschungsprojekte zur Entstehung, Ausbreitung und Minderung von Lärm durchgeführt, teils in Zusammenarbeit mit wissenschaftlichen und industriellen Partnern. Dazu zählen unter anderem PAAB, Wiabahn, LARS, RELSKG und SysBahnLärm. Ihre Ergebnisse tragen zum langfristigen Know-how des Instituts bei und bilden eine Grundlage für das aktuelle Lighthouse-Projekt.
