¡Shhh! El futuro del control del ruido se mueve a través de laberintos impresos en 3D

Tabla de enlaces

Resumen y 1 Introducción

2 Diseño y análisis de celdas unitarias

3 Caracterización experimental y numérica de celdas unitarias

4 Panel laberíntico Rainbow AM

4.1 Diseño y fabricación de paneles

4.2 Modelo EF del panel AM

Caracterización del panel AM 4.3

Resultados de absorción acústica del panel AM 4.4

5 Evaluación numérica de diferentes soluciones de paneles de absorción acústica laberínticos

5.1 Macrocelda con cavidad de respaldo

5.2 Resultados

Conclusiones, agradecimientos y referencias

Apéndice I

Abstracto

En este trabajo, demostramos en un experimento de prueba de concepto la eficiente absorción de ruido de un panel impreso en 3D diseñado con celdas acústicas elementales laberínticas de bobinado espacial dispuestas adecuadamente de varios tamaños. Las celdas unitarias laberínticas se analizan analítica y numéricamente para determinar sus características de absorción y luego se fabrican y prueban experimentalmente en un tubo de impedancia para verificar la dependencia de las características de absorción del espesor de la celda y el tamaño lateral. Se observa que la frecuencia de resonancia de la celda unitaria se escala aproximadamente linealmente con respecto al espesor y al tamaño lateral en el rango considerado, lo que permite un fácil ajuste de la frecuencia de trabajo. A partir de estos datos se diseña y fabrica un panel plano disponiendo celdas de diferentes dimensiones en una red cuasi periódica, aprovechando el efecto “arcoíris” acústico, es decir, superponiendo la respuesta en frecuencia de las diferentes celdas para generar un espectro de absorción más amplio, cubriendo el rango de frecuencia objetivo, elegido entre 800 y 1400 Hz. El panel es más delgado y liviano en comparación con las soluciones de absorción acústica tradicionales y está diseñado de forma modular, para poder aplicarse a diferentes geometrías. El rendimiento del panel se valida experimentalmente en una sala de reverberación a pequeña escala, y se demuestra una absorción cercana a los valores ideales en las frecuencias de operación deseadas. Así, este trabajo sugiere un procedimiento de diseño para soluciones de paneles de mitigación de ruido y proporciona una prueba experimental de la versatilidad y eficacia de los metamateriales laberínticos para la atenuación del sonido de frecuencia media a baja ajustable.

1 Introducción

En los últimos años, los metamateriales acústicos (AM) han ganado una atención generalizada debido a sus propiedades excepcionales, que no se encuentran comúnmente en materiales naturales [1–3]. Los AM podrían potencialmente allanar el camino para el desarrollo de una nueva generación de absorbentes y difusores acústicos con un espesor de sublongitud de onda profunda, que pueden adaptarse para un espectro de frecuencia deseado [4]. Su uso aporta nuevas posibilidades al problema tradicional de lograr la absorción de baja frecuencia [5]. Además, los AM ofrecen la posibilidad de lograr un alto rendimiento en términos de reducción de ruido y, simultáneamente, una reducción del tamaño y el peso de las estructuras [6], yendo más allá de las limitaciones de las tecnologías convencionales basadas en la ley de masa de una sola capa, el ajuste de la frecuencia de resonancia de doble capa y la optimización del espesor del absorbente poroso [7]. En particular, estos nuevos materiales parecen ser prometedores y responder a las restricciones de espesor y peso impuestas por los requisitos de diseño/tecnológicos del mercado, por ejemplo en el diseño de cabinas de aviones en aeronáutica [8]. Los AM se pueden combinar con soluciones convencionales como materiales porosos [9], resonadores de Helmholtz [10] o membranas tensadas [11,12] para lograr un rendimiento ajustado u optimizado. Es bien sabido que se puede obtener una absorción perfecta cuando se produce una condición de acoplamiento crítica, donde las pérdidas termoviscosas se equilibran exactamente con la fuga de energía [13]. Se ha demostrado, por ejemplo, que se puede lograr una absorción tan perfecta en un régimen de sublongitud de onda con conjuntos periódicos de resonadores de Helmholtz verticales [14], así como con estructuras de resonador de placa/guía de onda cerrada [15]. Sin embargo, las frecuencias operativas de estos AM suelen ser bastante estrechas o las estructuras deben ser voluminosas para permitir el funcionamiento en banda ancha. Para abordar este problema, hasta ahora se ha adoptado el concepto de “trampa arco iris” en resonadores acústicos con parámetros variables y, por lo tanto, frecuencias de trabajo, [16,17] o sistemas con absorbedores porosos asimétricos [18].

Un tipo de AM particularmente interesante que ha surgido en los últimos años son las estructuras “laberínticas” o “enrolladas” [19]. Estos se basan en la explotación de la propagación de ondas acústicas en canales curvos de sección transversal inferior a la longitud de onda, dando lugar a un índice de refracción efectivo extremadamente alto (y, por tanto, a una disminución de la velocidad de onda efectiva) y a la posibilidad de lograr una “doble negatividad”, es decir, una densidad efectiva y un módulo volumétrico simultáneamente negativos, o una dispersión cónica [20]. También se ha demostrado que los diseños laberínticos cónicos 2-D logran una adaptación óptima de la impedancia de banda ancha, lo cual es fundamental para una absorción eficiente [21]. El concepto también se ha ampliado desde estructuras laberínticas enrolladas en el espacio 2-D a 3-D [22]. Se han logrado demostraciones experimentales del índice de refracción negativo de banda ancha previsto teóricamente mediante mediciones de reflexión o transmisión y mediciones basadas en prismas bidimensionales en muestras laberínticas termoplásticas impresas en 3D [23]. También se han diseñado metamateriales acústicos fractales tipo Hilbert, fabricados mediante impresión 3D y caracterizado experimentalmente para lograr una atenuación eficiente de las ondas acústicas de baja frecuencia [24,25]. También se han propuesto estructuras laberínticas tridimensionales de “un puerto” para lograr altos niveles de absorción de sonido en amplios rangos de frecuencia (y para varios ángulos de incidencia), aprovechando diferentes longitudes de canal para sintonizar las bandas operativas [26]. Otro ejemplo de AM laberíntica que proporciona una gran capacidad de ajuste son las estructuras inspiradas en telarañas, en las que la adición de cavidades en los bordes puede mejorar aún más las posibilidades de manipular las propiedades de dispersión, controlar la aparición de brechas de banda o velocidades de grupo negativas y adaptar las características de transmisión/reflexión [27]. Varios estudios han demostrado que el uso de estructuras que llenan el espacio, como las curvas de Wunderlich, pueden controlar de manera eficiente la transmisión, la reflexión y la absorción al variar la tortuosidad del canal, de modo que se puede lograr una reflexión/absorción de banda ancha total, por ejemplo, ajustando la longitud del canal [28,29].

De este modo, los AM laberínticos y que llenan el espacio han proporcionado una forma muy conveniente y eficiente de lograr el control del sonido en amplios rangos de frecuencia, especialmente en el régimen de sublongitud de onda, mediante el ajuste de parámetros de diseño geométrico (por ejemplo, tortuosidad o elongación del canal y tamaño de la cavidad). Este tipo de adaptabilidad podría beneficiar en gran medida a las aplicaciones de absorción de ruido a pequeña y mediana escala, donde las restricciones en el tamaño estructural de los absorbedores imponen compensaciones entre eficiencia y volumen. Los materiales absorbentes acústicos convencionales suficientemente gruesos, como la lana de vidrio o las espumas dentro de paneles sándwich con una densidad promedio de 75 kg/m3 [30], pueden absorber la energía de las ondas acústicas en amplios rangos de frecuencia, pero sus características voluminosas limitan su amplia aplicación para la absorción de baja frecuencia. Además, las características ligeras se vuelven cruciales cuando se trata de dispositivos en la industria aeroespacial y automotriz u otros dominios tecnológicos [8]. En la actualidad, pocos estudios [31] en la literatura han presentado estudios detallados de caracterización acústica sobre estructuras grandes como paneles basados en metamateriales, y ninguno sobre estructuras laberínticas, hasta donde sabemos. Además, surge la necesidad de investigar el rendimiento de la AM laberíntica en estructuras que estén más cerca de las condiciones operativas potenciales, es decir, en condiciones de campo difuso.

Con esto en mente, el presente estudio investiga el diseño de resonadores acústicos laberínticos en espiral, su combinación apropiada en un panel “arcoíris” impreso en 3D y presenta un experimento de prueba de concepto para demostrar una absorción eficiente del ruido de banda ancha. El artículo describe el siguiente flujo de trabajo. En la Sección 2 se describe el diseño de celdas unitarias laberínticas (UC) y el modelo analítico de sus espectros de absorción. En la Sección 3 se proporciona la caracterización experimental y numérica y la comparación con el modelo analítico para las UC diseñadas. En la Sección 4 se describe el diseño y la impresión 3D de un panel a escala real con dimensiones variables y apropiadamente elegidas de UC constituyentes, su modelo numérico y prueba experimental en una sala de reverberación. Finalmente, en la Sección 5 se describe una investigación numérica de un acoplamiento del panel con material absorbente convencional.