Shhh! Budućnost kontrole buke se uvija kroz 3D štampane labirinte

Tabela veza

Sažetak i 1 Uvod

2 Dizajn i analiza jedinične ćelije

3 Eksperimentalna i numerička karakterizacija jedinične ćelije

4 Rainbow AM labirintski panel

4.1 Dizajn i izrada panela

4.2 FE model AM panela

4.3 Karakterizacija AM panela

Rezultati apsorpcije zvuka 4.4 AM panela

5 Numerička procjena različitih rješenja panela za apsorpciju labirinta zvuka

5.1 Makroćelija sa pozadinskom šupljinom

5.2 Rezultati

Zaključci, zahvale i reference

Dodatak I

Abstract

U ovom radu demonstriramo u eksperimentu dokaza koncepta efikasnu apsorpciju buke 3-D štampanog panela dizajniranog sa prikladno raspoređenim labirintskim elementarnim akustičnim ćelijama različitih veličina koje su namotane u prostor. Jedinične ćelije labirinta se analitički i numerički analiziraju kako bi se odredile njihove karakteristike apsorpcije, a zatim su proizvedene i eksperimentalno testirane u cijevi impedancije kako bi se potvrdila ovisnost karakteristika apsorpcije o debljini ćelije i bočnoj veličini. Vidi se da frekvencija rezonancije jedinične ćelije skalira približno linearno u odnosu na debljinu i bočnu veličinu u razmatranom opsegu, omogućavajući lako podešavanje radne frekvencije. Koristeći ove podatke, ravna ploča je dizajnirana i proizvedena raspoređivanjem ćelija različitih dimenzija u kvaziperiodičnu rešetku, iskorištavajući akustični „dugini“ efekat, tj. preklapanjem frekvencijskog odziva različitih ćelija kako bi se generirao širi spektar apsorpcije, koji pokriva ciljni frekvencijski raspon, izabran između 800 i više svjetlosnog rješenja u odnosu na tanak zvuk modularni oblik, tako da se može primijeniti na različite geometrije. Performanse panela su eksperimentalno potvrđene u maloj prostoriji za reverberaciju, a apsorpcija blizu idealnih vrijednosti je demonstrirana na željenim frekvencijama rada. Stoga, ovaj rad predlaže proceduru dizajna za panelna rješenja za smanjenje buke i pruža eksperimentalni dokaz svestranosti i djelotvornosti labirintskih metamaterijala za podesivo prigušivanje zvuka srednje i niske frekvencije.

1 Uvod

Posljednjih godina, akustični metamaterijali (AM) su privukli široku pažnju zbog svojih izuzetnih svojstava, koja se obično ne nalaze u prirodnim materijalima [1–3]. AM-ovi bi potencijalno mogli utrti put razvoju nove generacije akustičnih apsorbera i difuzora sa debljinom duboke podvalne dužine, koji se mogu prilagoditi za željeni frekvencijski spektar [4]. Njihova upotreba donosi nove mogućnosti tradicionalnom problemu postizanja niskofrekventne apsorpcije [5]. Osim toga, AM-ovi nude mogućnost postizanja visokih performansi u smislu smanjenja buke, i istovremeno smanjene veličine i težine konstrukcija [6], nadilazeći ograničenja konvencionalnih tehnologija zasnovanih na zakonu mase jednog sloja, podešavanju frekvencije rezonancije dvostrukog sloja i optimizaciji debljine poroznog apsorbera [7]. Čini se da su ovi novi materijali obećavajući i da odgovaraju na ograničenja debljine i težine koja nameću dizajnerski/tehnološki zahtjevi tržišta, na primjer u dizajnu kabine zrakoplova u aeronautici [8]. AM se mogu kombinovati sa konvencionalnim rešenjima kao što su porozni materijali [9], Helmholtz rezonatori [10] ili zategnute membrane [11,12] za podešene ili optimizovane performanse. Dobro je poznato da se savršena apsorpcija može postići kada dođe do kritičnog stanja spajanja, gdje su termoviskozni gubici točno uravnoteženi curenjem energije [13]. Na primjer, pokazalo se da je takva savršena apsorpcija u režimu podvalnih dužina ostvariva s periodičnim nizovima vertikalnih Helmholtz rezonatora [14], kao i sa pločastim rezonatorom/zatvorenim talasovodnim strukturama [15]. Međutim, radne frekvencije ovih AM-a su često prilično uske ili strukture moraju biti glomazne da bi omogućile rad širokopojasnog pristupa. Da bi se riješio ovaj problem, do sada je usvojen koncept „zarobljavanja duge“ u akustičnim rezonatorima s promjenjivim parametrima, a time i radnim frekvencijama, [16,17] ili sistemima sa asimetričnim poroznim apsorberima [18].

Posebno zanimljiv tip AM koji se pojavio posljednjih godina su „labirintske“ ili „smotane“ strukture [19]. One se zasnivaju na iskorišćavanju širenja akustičnog talasa u zakrivljenim kanalima podtalasnog poprečnog preseka, što dovodi do izuzetno visokog efektivnog indeksa prelamanja (a samim tim i do smanjenja efektivne brzine talasa) i mogućnosti postizanja „dvostruke negativnosti“, odnosno istovremeno negativne efektivne gustine i modula zapremine [20] disperzije [20]. Takođe se pokazalo da konusni 2-D labirintski dizajni postižu optimalno podudaranje širokopojasne impedancije, što je fundamentalno za efikasnu apsorpciju [21]. Koncept je također proširen sa 2-D na 3-D svemirske labirintske strukture koje su namotane [22]. Eksperimentalne demonstracije teorijski predviđenog širokopojasnog negativnog indeksa prelamanja postignute su mjerenjima refleksije ili transmisije i dvodimenzionalnim mjerenjima zasnovanim na prizmi na 3-D štampanim termoplastičnim uzorcima lavirinta [23]. Fraktalni akustični metamaterijali slični Hilbertu su također dizajnirani, proizvedeni putem 3-D štampe i eksperimentalno okarakterizirani kako bi se postiglo efikasno slabljenje akustičnog talasa niske frekvencije [24,25]. Predložene su i 3-D labirintske strukture sa „jednom priključkom“ za postizanje visokog nivoa apsorpcije zvuka u velikim frekventnim opsezima (i za različite uglove upada), koristeći različite dužine kanala za podešavanje radnih opsega [26]. Još jedan primjer labirintskog AM koji pruža veliku prilagodljivost su strukture inspirirane paukovom mrežom, u kojima dodavanje rubnih šupljina može dodatno poboljšati mogućnosti manipulacije svojstvima disperzije, kontrolisati pojavu praznina u pojasu ili negativne grupne brzine i prilagoditi karakteristike transmisije/refleksije [27]. Nekoliko studija je pokazalo da korištenje struktura za popunjavanje prostora, kao što su Wunderlichove krivulje, može efikasno kontrolirati prijenos, refleksiju i apsorpciju promjenom zakrivljenosti kanala, tako da se ukupna širokopojasna refleksija/apsorpcija može postići, na primjer, podešavanjem dužine kanala [28,29].

Stoga su labirintni i AM koji ispunjavaju prostor pružili vrlo zgodan i efikasan način za postizanje kontrole zvuka u velikim frekventnim opsezima, posebno u režimu podtalasne dužine, podešavanjem parametara geometrijskog dizajna (npr. zakrivljenost kanala ili elongacija i veličina šupljine). Ova vrsta prilagodljivosti mogla bi u velikoj mjeri koristiti aplikacijama apsorpcije buke na malom do srednjem obimu, gdje ograničenja na strukturnu veličinu apsorbera nameću kompromise između efikasnosti i opterećenja. Dovoljno debeli konvencionalni materijali za apsorpciju zvuka, kao što su staklena vuna ili pjene unutar sendvič panela s prosječnom gustoćom od 75 kg/m3 [30] mogu apsorbirati energiju akustičnih valova u širokom frekventnom opsegu, ali njihove glomazne karakteristike ograničavaju njihovu široku primjenu za apsorpciju niske frekvencije. Štoviše, karakteristike lake težine postaju ključne kada se radi o uređajima u zrakoplovnoj i automobilskoj industriji ili drugim tehnološkim domenama [8]. Trenutno je nekoliko studija [31] u literaturi predstavilo detaljne studije akustičke karakterizacije velikih struktura kao što su ploče na bazi metamaterijala, a nijedna na labirintskim, koliko je nama poznato. Nadalje, javlja se potreba da se istraže performanse labirinta AM na strukturama koje su bliže potencijalnim radnim uvjetima, tj. u uvjetima difuznog polja.

Imajući to na umu, ova studija istražuje dizajn namotanih labirintskih akustičnih rezonatora, njihovu odgovarajuću kombinaciju u 3-D štampanom „duginom“ panelu i predstavlja eksperiment sa dokazom koncepta kako bi se demonstrirala efikasna širokopojasna apsorpcija šuma. Rad opisuje sljedeći tok rada. Dizajn labirintskih jediničnih ćelija (UC) i analitički model njihovih apsorpcionih spektra opisan je u Odjeljku 2. Eksperimentalna i numerička karakterizacija i poređenje sa analitičkim modelom za projektovani UC je dato u Odjeljku 3. Dizajn i 3-D printanje panela u punoj mjeri s promjenjivim, odgovarajuće odabranim konstitutivnim konstitutivnim prostorom, opisanim u konačnom modelu konstitutivnog UC-a. numeričko ispitivanje spajanja panela sa konvencionalnim upijajućim materijalom opisano je u odjeljku 5.