Pszt! A zajszabályozás jövője a 3D-nyomtatott labirintusokon keresztül zajlik

Hivatkozások táblázata

Absztrakt és 1 Bevezetés

2 Egységcellák tervezése és elemzése

3 Egységcella kísérleti és numerikus jellemzése

4 Rainbow AM labirintusos panel

4.1 Panel tervezés és gyártás

4.2 Az AM panel FE modellje

4.3 AM panel jellemzése

4,4 AM panel hangelnyelési eredmények

5 Különféle labirintusszerű hangelnyelő panelmegoldások numerikus értékelése

5.1 Macrocell háttérüreggel

5.2 Eredmények

Következtetések, köszönetnyilvánítások és hivatkozások

I. függelék

Absztrakt

Ebben a munkában egy proof of concept kísérletben mutatjuk be egy 3D nyomtatott panel hatékony zajelnyelését, amelyet megfelelően elrendezett, térben tekercselő, különböző méretű labirintusszerű akusztikus elemi cellákkal terveztek. A labirintusos egységcellákat analitikusan és numerikusan elemzik abszorpciós jellemzőik meghatározására, majd impedanciacsőben gyártják és kísérletileg tesztelik, hogy igazolják az abszorpciós jellemzők sejtvastagságtól és oldalmérettől való függését. Az egységcella rezonanciafrekvenciája megközelítőleg lineárisan skálázódik mind a vastagság, mind az oldalméret tekintetében a szóban forgó tartományban, lehetővé téve a munkafrekvencia könnyű hangolhatóságát. Ezen adatok felhasználásával különböző méretű cellák kváziperiodikus rácsba rendezésével síkpanelt tervezünk és készítünk, kihasználva az akusztikus „szivárvány” effektust, azaz a különböző cellák frekvenciaválaszát egymásra helyezve szélesebb abszorpciós spektrumot generálunk, lefedve a célfrekvencia tartományt, összehasonlítva a 800 és 14 vékonyabb moduláris hangzású paneleket formában, hogy alkalmazható legyen különböző geometriákra. A panel teljesítményét egy kis méretű zengető helyiségben kísérletileg validálják, és az ideális értékekhez közeli abszorpciót mutatnak ki a kívánt működési frekvenciákon. Így ez a munka egy tervezési eljárást javasol a zajcsökkentő panelmegoldásokhoz, és kísérleti bizonyítékot szolgáltat a labirintusszerű metaanyagok sokoldalúságára és hatékonyságára a hangolható közepes és alacsony frekvenciájú hangcsillapításhoz.

1 Bevezetés

Az elmúlt években az akusztikus metaanyagok (AM-ek) széles körű figyelmet kaptak kivételes tulajdonságaik miatt, amelyek a természetben előforduló anyagokban általában nem találhatók meg [1–3]. Az AM-k potenciálisan megnyithatják az utat a mély szubhullámhosszúságú akusztikus elnyelők és diffúzorok új generációjának kifejlesztéséhez, amelyek a kívánt frekvenciaspektrumhoz szabhatók [4]. Használatuk új lehetőségeket kínál az alacsony frekvenciájú abszorpció elérésének hagyományos problémájához [5]. Ezen túlmenően, az AM-k lehetőséget kínálnak arra, hogy nagy teljesítményt érjenek el a zajcsökkentés, valamint a szerkezetek méretének és súlyának csökkentése terén [6], túllépve az egyrétegű tömegtörvényen, a kétrétegű rezonancia frekvencia hangolásán és a porózus abszorber vastagságának optimalizálásán alapuló hagyományos technológiák korlátain [7]. Ezek az új anyagok különösen ígéretesnek tűnnek, és megfelelnek a piac tervezési/technológiai követelményei által támasztott vastagság- és súlykorlátoknak, például a repülőgép-utastér-tervezésben a repüléstechnikában [8]. Az AM-ek kombinálhatók hagyományos megoldásokkal, például porózus anyagokkal [9], Helmholtz-rezonátorokkal [10] vagy feszített membránokkal [11,12] a hangolt vagy optimalizált teljesítmény érdekében. Köztudott, hogy tökéletes abszorpció érhető el kritikus kapcsolási állapot esetén, ahol a termoviszkózus veszteségeket pontosan kiegyenlíti az energiaszivárgás [13]. Ilyen tökéletes abszorpciót szubhullámhossz-rendszerben például kimutatták, hogy függőleges Helmholtz-rezonátorok periodikus tömbjeivel [14], valamint lemezrezonátor/zárt hullámvezető szerkezetekkel [15] érhető el. Azonban ezeknek az AM-eknek a működési frekvenciái gyakran meglehetősen szűkek, vagy a struktúráknak terjedelmesnek kell lenniük a szélessávú működéshez. Ennek a problémának a megoldására a „szivárványcsapdás” koncepcióját alkalmazták a változó paraméterekkel, és ezáltal a munkafrekvenciával rendelkező akusztikus rezonátorokban [16, 17] vagy aszimmetrikus porózus abszorberekkel rendelkező rendszerekben [18].

Az utóbbi években megjelent különösen érdekes AM-típusok a „labirintusos” vagy „tekercses” szerkezetek [19]. Ezek azon alapulnak, hogy az akusztikus hullámterjedést szubhullámhossz-keresztmetszetű íves csatornákban kihasználják, ami rendkívül magas effektív törésmutatót (és ezzel az effektív hullámsebesség csökkenését) eredményezi, és lehetővé teszi a „kettős negativitás”, azaz egyidejűleg negatív effektív sűrűség és térfogati modulus [20]-diszperzió elérését. A kúpos, 2-dimenziós labirintus kialakításokról is kimutatták, hogy optimális szélessávú impedanciaillesztést érnek el, ami alapvető a hatékony abszorpcióhoz [21]. A koncepciót a 2-D-ről 3D-s térben tekercselő labirintusos struktúrákra is kiterjesztették [22]. Az elméletileg megjósolt szélessávú negatív törésmutató kísérleti demonstrációját reflexiós vagy transzmissziós mérésekkel és kétdimenziós prizma alapú mérésekkel érték el 3D nyomtatott, hőre lágyuló labirintus mintákon [23]. Hilbert-szerű fraktál akusztikus metaanyagokat is terveztek, 3D nyomtatással gyártottak és kísérletileg jellemeztek, hogy hatékony alacsony frekvenciájú akusztikus hullámcsillapítást érjenek el [24,25]. A háromdimenziós „egyportos” labirintusos struktúrákat is javasolták, hogy magas szintű hangelnyelést érjenek el nagy frekvenciatartományokban (és különböző beesési szögeknél), a különböző csatornahosszak kihasználásával a működési sávok hangolására [26]. A nagy hangolhatóságot biztosító labirintusos AM egy másik példája a pókháló ihlette szerkezetek, amelyekben az élüregek hozzáadása tovább növelheti a diszperziós tulajdonságok manipulálásának, a sávközök vagy a negatív csoportsebességek megjelenésének szabályozását, valamint az átviteli/reflexiós jellemzők testreszabását [27]. Számos tanulmány kimutatta, hogy a térkitöltő szerkezetek, például a Wunderlich-görbék alkalmazása hatékonyan szabályozza az átvitelt, a visszaverődést és az abszorpciót a csatorna kanyargósságának változtatásával, így a teljes szélessávú visszaverődés/elnyelés elérhető például a csatornahossz hangolásával [28,29].

Így a labirintusszerű és teret kitöltő AM-k nagyon kényelmes és hatékony módot nyújtottak a hangszabályozás elérésére nagy frekvenciatartományokban, különösen a szubhullámhossz-rendszerben, a geometriai tervezési paraméterek (például a csatorna kanyargóssága vagy megnyúlása és az üreg mérete) hangolásával. Ez a fajta alkalmazkodóképesség nagymértékben előnyös lehet a kis és közepes méretű zajelnyelő alkalmazásokban, ahol az abszorberek szerkezeti méretére vonatkozó korlátozások kompromisszumot írnak elő a hatékonyság és a terhelés között. A kellően vastag hagyományos hangelnyelő anyagok, mint például az üveggyapot vagy a szendvicspanelekben lévő, átlagosan 75 kg/m3 sűrűségű habok [30], széles frekvenciatartományban képesek elnyelni az akusztikus hullámenergiát, de terjedelmes jellemzőik korlátozzák széleskörű alkalmazásukat alacsony frekvenciaelnyelésben. Ezenkívül a könnyű jellemzők kulcsfontosságúak a repülőgép- és autóiparban vagy más technológiai területeken [8]. Jelenleg a szakirodalomban kevés tanulmány [31] mutatott be részletes akusztikai jellemzési vizsgálatokat nagyméretű szerkezetekről, például metaanyag-alapú panelekről, és legjobb tudásunk szerint egyetlen sem labirintusos. Továbbá felmerül az igény a labirintusszerű AM teljesítmény vizsgálatára olyan szerkezeteken, amelyek közelebb állnak a potenciális működési feltételekhez, azaz diffúz terepi körülmények között.

Ezt szem előtt tartva a jelen tanulmány a tekercses labirintusszerű akusztikus rezonátorok tervezését, azok megfelelő kombinációját egy 3D-s nyomtatott „szivárvány” panelben vizsgálja, és bemutat egy koncepciópróbát a hatékony szélessávú zajelnyelés bemutatására. A cikk a következő munkafolyamatot írja le. A labirintusos egységcellák (UC) tervezését és abszorpciós spektrumaik analitikai modelljét a 2. fejezet ismerteti. A tervezett UC kísérleti és numerikus jellemzését, valamint az analitikai modellel való összehasonlítását a 3. fejezet tartalmazza Végül a panel hagyományos elnyelőanyaggal való összekapcsolásának numerikus vizsgálatát az 5. szakasz ismerteti.