Shhh! O futuro do control do ruído está a retorcerse a través de labirintos impresos en 3D

Táboa de ligazóns

Resumo e 1 Introdución

2 Deseño e análise de células unitarias

3 Caracterización experimental e numérica de células unitarias

4 Panel labiríntico Rainbow AM

4.1 Deseño e fabricación de paneis

4.2 Modelo FE do panel AM

4.3 Caracterización do panel AM

Resultados da absorción de son do panel 4.4 AM

5 Avaliación numérica de diferentes solucións de paneis de absorción sonora labirínticas

5.1 Macrocélula con cavidade de respaldo

5.2 Resultados

Conclusións, agradecementos e referencias

Apéndice I

Resumo

Neste traballo, demostramos nun experimento de proba de concepto a eficiente absorción de ruído dun panel impreso en 3D deseñado con células elementais acústicas labirínticas de varios tamaños dispostas adecuadamente. As células unitarias labirínticas analízanse analítica e numéricamente para determinar as súas características de absorción e despois fábricas e probadas experimentalmente nun tubo de impedancia para verificar a dependencia das características de absorción do grosor da célula e do tamaño lateral. Vese que a frecuencia de resonancia da cela unitaria escala aproximadamente de forma lineal con respecto tanto ao grosor como ao tamaño lateral no rango considerado, o que permite unha fácil sintonización da frecuencia de traballo. Usando estes datos, deséñase e fabrícase un panel plano dispoñendo células de diferentes dimensións nunha rede case periódica, aproveitando o efecto "arco da vella" acústico, é dicir, superpoñendo a resposta en frecuencia das diferentes celas para xerar un espectro de absorción máis amplo, cubrindo o rango de frecuencias obxectivo, elixido entre 800 e 1400 Hz , para ser aplicable a diferentes xeometrías. O rendemento do panel é validado experimentalmente nunha sala de reverberación a pequena escala e demóstrase unha absorción próxima aos valores ideais nas frecuencias de operación desexadas. Deste xeito, este traballo suxire un procedemento de deseño para solucións de paneis de mitigación de ruído e ofrece unha proba experimental da versatilidade e eficacia dos metamateriais labirínticos para a atenuación de son sintonizable de media a baixa frecuencia.

1 Introdución

Nos últimos anos, os metamateriais acústicos (AM) gañaron unha atención ampla debido ás súas propiedades excepcionais, que non se atopan habitualmente nos materiais naturais [1-3]. Os AM poderían allanar o camiño para o desenvolvemento dunha nova xeración de absorbedores e difusores acústicos con espesores de lonxitude de subonda profunda, que se poden adaptar ao espectro de frecuencias desexado [4]. O seu uso aporta novas posibilidades ao problema tradicional de conseguir a absorción de baixa frecuencia [5]. Ademais, os AM ofrecen a posibilidade de acadar un alto rendemento en termos de redución de ruído, e simultáneamente reducir o tamaño e o peso das estruturas [6], superando as limitacións das tecnoloxías convencionais baseadas na lei de masa dunha soa capa, a sintonía de frecuencia de resonancia de dobre capa e a optimización do espesor do absorbente poroso [7]. En particular, estes novos materiais parecen ser prometedores e responder ás restricións de grosor e peso impostas polos requisitos de deseño/tecnolóxicos do mercado, por exemplo no deseño de cabinas de avións en aeronáutica [8]. Os AM pódense combinar con solucións convencionais como materiais porosos [9], resonadores Helmholtz [10] ou membranas tensadas [11,12] para un rendemento optimizado ou sintonizado. É ben sabido que se pode obter unha absorción perfecta cando se produce unha condición crítica de acoplamento, onde as perdas termoviscosas son exactamente equilibradas pola fuga de enerxía [13]. Tal absorción perfecta nun réxime de sublongitudes de onda demostrouse, por exemplo, que se pode conseguir con matrices periódicas de resonadores verticais de Helmholtz [14], así como con estruturas placa-resonador/guía de onda pechada [15]. Non obstante, as frecuencias operativas destes AM adoitan ser bastante estreitas ou as estruturas deben ser voluminosas para permitir o funcionamento de banda ancha. Para abordar este problema, ata agora adoptouse o concepto de "trampa arco da vella" en resonadores acústicos con parámetros variables e, polo tanto, frecuencias de traballo [16,17] ou sistemas con absorbedores porosos asimétricos [18].

Un tipo de AM especialmente interesante que xurdiu nos últimos anos son as estruturas "labirínticas" ou "enroladas" [19]. Estes baséanse en explotar a propagación de ondas acústicas en canles curvas de sección transversal sub-longitude de onda, dando lugar a un índice de refracción efectivo extremadamente alto (e, polo tanto, a unha diminución da velocidade efectiva da onda) e a posibilidade de acadar a “dobre negatividade”, é dicir, densidade efectiva negativa e módulo de masa ou dispersión cónica [20]. Tamén se demostrou que os deseños labirínticos 2D cónicos logran unha adaptación óptima da impedancia de banda ancha, que é fundamental para unha absorción eficiente [21]. O concepto tamén se estendeu de estruturas labirínticas enroladas espaciais 2D a 3D [22]. Conseguíronse demostracións experimentais do índice de refracción negativo de banda ancha teoricamente previsto mediante medicións de reflexión ou transmisión e medicións baseadas en prismas bidimensionais en mostras labirínticas termoplásticas impresas en 3D [23]. Tamén se deseñaron metamateriais acústicos fractais tipo Hilbert, fabricados mediante impresión 3D e caracterizados experimentalmente para conseguir unha atenuación eficiente de ondas acústicas de baixa frecuencia [24,25]. Tamén se propuxeron estruturas labirínticas 3-D "dun porto" para acadar altos niveis de absorción de son en grandes intervalos de frecuencia (e para varios ángulos de incidencia), aproveitando diferentes lonxitudes de canle para sintonizar as bandas operativas [26]. Outro exemplo de AM labiríntica que proporciona unha gran sintonía son as estruturas inspiradas en teas de araña, nas que a adición de cavidades de bordo pode mellorar aínda máis as posibilidades de manipular as propiedades de dispersión, controlar a aparición de bandas lacunas ou velocidades de grupo negativas e adaptar as características de transmisión/reflexión [27]. Varios estudos demostraron que o uso de estruturas de recheo de espazo, como as curvas de Wunderlich, pode controlar de forma eficiente a transmisión, a reflexión e a absorción variando a tortuosidade da canle, de xeito que se pode conseguir a reflexión/absorción total de banda ancha, por exemplo, axustando a lonxitude da canle [28,29].

Así, os AM labirínticos e de recheo de espazo proporcionaron un xeito moi cómodo e eficiente de conseguir o control do son en grandes intervalos de frecuencia, especialmente no réxime de sublongitudes de onda, axustando os parámetros xeométricos do deseño (por exemplo, a tortuosidade ou alongamento da canle e o tamaño da cavidade). Este tipo de adaptabilidade podería beneficiar en gran medida ás aplicacións de absorción de ruído a pequena e mediana escala, onde as restricións no tamaño estrutural dos absorbedores impoñen compensacións entre eficiencia e carga. Os materiais absorbentes acústicos convencionais suficientemente grosos, como a la de vidro ou as espumas dentro de paneis sándwich cunha densidade media de 75 kg/m3 [30] poden absorber enerxía das ondas acústicas en amplos intervalos de frecuencia, pero as súas características voluminosas limitan a súa ampla aplicación para a absorción de baixa frecuencia. Ademais, as características lixeiras vólvense cruciais cando se trata de dispositivos na industria aeroespacial e da automoción ou noutros dominios tecnolóxicos [8]. Na actualidade, poucos estudos [31] na literatura presentaron estudos detallados de caracterización acústica de grandes estruturas como paneis baseados en metamateriais, e ningún sobre os labirínticos, polo que sabemos. Ademais, xorde a necesidade de investigar o rendemento da AM labiríntica en estruturas que están máis próximas ás condicións potenciais de operación, é dicir, en condicións de campo difuso.

Tendo isto en conta, o presente estudo investiga o deseño de resonadores acústicos labirínticos enrolados, a súa combinación adecuada nun panel "arco da vella" impreso en 3D e presenta un experimento de proba de concepto para demostrar a absorción eficiente de ruído de banda ancha. O documento describe o seguinte fluxo de traballo. O deseño de células unitarias labirínticas (UC) e o modelo analítico dos seus espectros de absorción descríbese na sección 2. A caracterización experimental e numérica e a comparación co modelo analítico para a UC deseñada ofrécese na sección 3. Deseño e impresión en 3-D dun panel a escala real con dimensións variables e de UC constituíntes elixidas adecuadamente, descríbese nunha sala de investigación numérica nun modelo numérico de reverberación do acoplamento do panel con material absorbente convencional descríbese na sección 5.