Shhh! Framtiden för bruskontroll vrider sig genom 3D-printade labyrinter

Tabell över länkar

Abstrakt och 1 inledning

2 Enhetscelldesign och analys

3 Enhetscell experimentell och numerisk karakterisering

4 Rainbow AM labyrintpanel

4.1 Paneldesign och tillverkning

4.2 FE-modell av AM-panelen

4.3 AM panelkarakterisering

4,4 AM panelljudabsorption resultat

5 Numerisk utvärdering av olika labyrintiska ljudabsorberande panellösningar

5.1 Makrocell med stödhålighet

5.2 Resultat

Slutsatser, erkännanden och referenser

Bilaga I

Abstrakt

I detta arbete demonstrerar vi i ett proof-of-concept-experiment den effektiva brusabsorptionen hos en 3-D-tryckt panel designad med lämpligt arrangerade rymdrullande labyrintiska akustiska elementära celler av olika storlekar. De labyrintiska enhetscellerna analyseras analytiskt och numeriskt för att bestämma deras absorptionsegenskaper och tillverkas sedan och testas experimentellt i ett impedansrör för att verifiera absorptionsegenskapernas beroende av celltjocklek och lateral storlek. Resonansfrekvensen för enhetscellen ses skala ungefär linjärt med avseende på både tjocklek och lateral storlek i det betraktade området, vilket möjliggör enkel avstämning av arbetsfrekvensen. Med hjälp av dessa data designas och tillverkas en platt panel genom att arrangera celler av olika dimensioner i ett kvasi-periodiskt gitter, utnyttja den akustiska "regnbågs"-effekten, d.v.s. lägga över frekvenssvaret för de olika cellerna för att generera ett bredare absorptionsspektrum, som täcker målfrekvensområdet, vald mellan 1400 H och 800 H ljusabsorberande lösning och designad i modulär form, för att kunna tillämpas på olika geometrier. Panelens prestanda valideras experimentellt i ett småskaligt efterklangsrum, och en absorption nära idealvärden demonstreras vid önskade driftfrekvenser. Sålunda föreslår detta arbete en designprocedur för brusreducerande panellösningar och ger experimentella bevis på mångsidigheten och effektiviteten hos labyrintiska metamaterial för avstämbar mellan- till lågfrekvent ljuddämpning.

1 Introduktion

Under de senaste åren har akustiska metamaterial (AM) fått stor uppmärksamhet på grund av deras exceptionella egenskaper, som inte är vanliga i naturligt förekommande material [1–3]. AM:er kan potentiellt bana väg för utvecklingen av en ny generation av akustiska absorbatorer och diffusorer med djup-subvåglängdstjocklek, som kan skräddarsys för ett önskat frekvensspektrum [4]. Deras användning ger nya möjligheter till det traditionella problemet med att uppnå lågfrekvent absorption [5]. Dessutom erbjuder AM:er möjligheten att uppnå hög prestanda när det gäller brusreducering, och samtidigt minskad storlek och vikt på strukturer [6], vilket går utöver begränsningarna för konventionella teknologier baserade på enskiktsmassalag, dubbelskiktsresonansfrekvensjustering och optimering av porös absorbatortjocklek [7]. I synnerhet verkar dessa nya material vara lovande och svara på de tjockleks- och viktbegränsningar som ställs av marknadens design/tekniska krav, t.ex. inom flygplanskabindesign inom flygteknik [8]. AM kan kombineras med konventionella lösningar som porösa material [9], Helmholtz-resonatorer [10] eller spända membran [11,12] för avstämd eller optimerad prestanda. Det är välkänt att perfekt absorption kan erhållas när ett kritiskt kopplingstillstånd inträffar, där genom termoviskösa förluster exakt balanseras av energiläckaget [13]. Sådan perfekt absorption i en subvåglängdsregim har till exempel visat sig kunna uppnås med periodiska arrayer av vertikala Helmholtz-resonatorer [14], såväl som med platt-resonator/slutna vågledarstrukturer [15]. Driftsfrekvenserna för dessa AM:er är dock ofta ganska smala, eller så måste strukturerna vara skrymmande för att möjliggöra bredbandsdrift. För att ta itu med detta problem har konceptet "regnbågsfångning" i akustiska resonatorer med varierande parametrar, och därmed arbetsfrekvenser, [16,17] eller system med asymmetriska porösa absorbatorer [18] antagits hittills.

En särskilt intressant typ av AM som har dykt upp de senaste åren är "labyrintiska" eller "spolade" strukturer [19]. Dessa är baserade på att utnyttja akustisk vågutbredning i krökta kanaler med subvåglängdstvärsnitt, vilket ger upphov till ett extremt högt effektivt brytningsindex (och därmed till en minskning av den effektiva våghastigheten) och möjligheten att uppnå "dubbel negativitet", det vill säga samtidigt negativ effektiv densitet och bulkmodul, eller konisk dispersion. Avsmalnande 2-D labyrintiska konstruktioner har också visat sig uppnå optimal bredbandsimpedansmatchning, vilket är grundläggande för effektiv absorption [21]. Konceptet har också utökats från 2-D till 3-D space coiling labyrintiska strukturer [22]. Experimentella demonstrationer av det teoretiskt förutspådda negativa brytningsindexet för bredband har uppnåtts genom reflektions- eller transmissionsmätningar och tvådimensionella prismabaserade mätningar på 3-D-tryckta termoplastiska labyrintprov [23]. Hilbert-liknande fraktala akustiska metamaterial har också designats, tillverkats via 3-D-utskrift och experimentellt karakteriserats för att uppnå effektiv lågfrekvent akustisk vågdämpning [24,25]. 3-D "enports" labyrintiska strukturer har också föreslagits för att uppnå höga nivåer av ljudabsorption över stora frekvensområden (och för olika infallsvinklar), genom att utnyttja olika kanallängder för att ställa in driftsbanden [26]. Ett annat exempel på labyrintisk AM som ger stor avstämningsförmåga är spindelnätsinspirerade strukturer, där tillägget av kanthåligheter ytterligare kan förbättra möjligheterna att manipulera spridningsegenskaper, kontrollera utseendet på bandgap eller negativa grupphastigheter och skräddarsy transmissions-/reflektionsegenskaper [27]. Flera studier har visat att användningen av rymdfyllningsstrukturer, såsom Wunderlich-kurvor, effektivt kan styra transmission, reflektion och absorption genom att variera kanaltortuositet, så att total bredbandsreflektion/absorption kan uppnås t.ex. genom att justera kanallängden [28,29].

Sålunda har labyrintiska och rymdfyllande AM:er tillhandahållit ett mycket bekvämt och effektivt sätt att uppnå ljudkontroll i stora frekvensområden, speciellt i subvåglängdsregimen, genom att ställa in geometriska designparametrar (t.ex. kanaltortuositet eller förlängning och kavitetsstorlek). Denna typ av anpassningsförmåga kan till stor del gynna bullerabsorberande tillämpningar i liten till medelstor skala, där begränsningar av strukturell storlek på absorbatorerna innebär avvägningar mellan effektivitet och belastning. Tillräckligt tjocka konventionella akustiskt absorberande material, såsom glasull eller skum i sandwichpaneler med en medeldensitet på 75 kg/m3 [30] kan absorbera akustisk vågenergi i breda frekvensområden, men deras skrymmande egenskaper begränsar deras breda tillämpning för lågfrekvent absorption. Dessutom blir lättviktsegenskaper avgörande vid hantering av enheter inom flyg- och bilindustrin eller andra tekniska områden [8]. För närvarande har få studier [31] i litteraturen presenterat detaljerade akustiska karakteriseringsstudier på stora strukturer såsom metamaterialbaserade paneler, och ingen på labyrintiska sådana, så vitt vi vet. Vidare framkommer behovet av att undersöka labyrintiska AM-prestanda på strukturer som är närmare potentiella driftsförhållanden, d.v.s. i diffusa fältförhållanden.

Med detta i åtanke undersöker den här studien designen av lindade labyrintiska akustiska resonatorer, deras lämpliga kombination i en 3D-tryckt "regnbåge"-panel och presenterar ett proof-of-concept-experiment för att demonstrera effektiv bredbandsbrusabsorption. Uppsatsen beskriver följande arbetsflöde. Design av labyrintiska enhetsceller (UC) och analytisk modell av deras absorptionsspektra beskrivs i avsnitt 2. Experimentell och numerisk karaktärisering och jämförelse med den analytiska modellen för den designade UC ges i avsnitt 3. Design och 3-D-utskrift av en fullskalig panel med variabla, lämpligt valda beståndsdelar av UC4-modellen, och dess ingående UC4-dimension beskrivs i UC4-modellen. Slutligen beskrivs en numerisk undersökning av en koppling av panelen med konventionellt absorberande material i avsnitt 5.