Sprawdzenie przydatności metamateriału akustycznego do redukowania hałasu średnio- i wysokoczęstotliwościowego - symulacje numeryczne

• Autorzy: Szczepański Grzegorz , Podleśna Marlena , Łada Krzysztof , Włudarczyk Anna

Identyfikatory

DOI

10.54215/BP.2023.04.9.Szczepansk

Warianty tytułu

EN

Suitability study of the acoustic metamaterial for reducing medium- and high-frequency noise - numerical simulations

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Hałas na stanowiskach pracy wciąż jest głównym zagrożeniem dla pracowników zakładów przemysłowych. Zastosowanie obudów i barier dźwiękoizolacyjnych w celu ograniczania tego zagrożenia nie zawsze jest możliwe lub wystarczające. Stosunkowo nowym i obiecującym sposobem redukcji hałasu jest wykorzystanie metamateriałów akustycznych, które przekierowują bądź pochłaniają falę dźwiękową, a najwyższą skuteczność wykazują przy częstotliwości bliskiej częstotliwości rezonansowej. Metamateriały akustyczne służą przede wszystkim do redukcji hałasu wąskopasmowego. W artykule przedstawiono ich modele numeryczne, które posłużyły do wyznaczenia częstotliwości rezonansowych. Symulacje przeprowadzono w dwóch różnych programach przeznaczonych do analizy metodą elementów skończonych (MES). Otrzymane wyniki wskazują, że metamateriał o strukturze tunelowej z umieszczonymi wewnątrz rezonatorami Helmholtza może redukować hałas w kilku pasmach częstotliwości (w zakresie średnio- i wysokoczęstotliwościowym) oraz w większym stopniu niż metamateriał o strukturze tunelowej bez rezonatorów.

EN

Noise in workplace environments is still the main risk factor for workers in industrial plants. The use of sound insulation enclosures and soundproof barriers to reduce this risk is not always possible or sufficient. A relatively new solution used to reduce noise are acoustic metamaterials that redirect or absorb the sound wave, and show the highest efficiency at frequencies close to the resonant frequency. They are primarily used for narrowband noise. The article presents the developed numerical models which were used to determine the resonant frequencies. Simulations were performed in two different programs based on finite element method (FEM). The obtained results indicate that the tunnel structure with Helmholtz resonators placed within can suppress the noise in several frequency bands (mid-frequency and high-frequency range) and to a greater extent than tunnel structures without resonators.

Słowa kluczowe

PL

ograniczanie hałasu; metamateriały akustyczne; częstotliwości rezonansowe; badania numeryczne

EN

noise reduction; acoustic metamaterials; resonant frequencies; numerical study

• Wydawca: Centralny Instytut Ochrony Pracy - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Bezpieczeństwo Pracy : nauka i praktyka
• Rocznik: 2023
• Tom: nr 4
• Strony: 22--27
• Opis fizyczny: Bibliogr. 31 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Szczepański Grzegorz

• Centralny Instytut Ochrony Pracy - Państwowy Instytut Badawczy

• https://orcid.org/0000-0003-0390-1624

autor

Podleśna Marlena

• Centralny Instytut Ochrony Pracy - Państwowy Instytut Badawczy

• https://orcid.org/0000-0002-8401-8106

autor

Łada Krzysztof

• Centralny Instytut Ochrony Pracy - Państwowy Instytut Badawczy

• https://orcid.org/0000-0002-9207-8897

autor

Włudarczyk Anna

• Centralny Instytut Ochrony Pracy - Państwowy Instytut Badawczy

• https://orcid.org/0000-0001-6613-1351

Bibliografia

• [1] POPA B.-I.; ZIGONEANU L., CUMMER S. Experimental acoustic ground cloak in air. Physical Review Letters. American Physical Society. 2011, 106, 253901.
• [2] MILTON G.W., BRIANE M., WILLIS J.R. On cloaking for elasticity and physical equations with a transformation invariant form. New Journal of Physics. 2006, 8: 248-248.
• [3] FENG L. i in. Negative refraction of acoustic waves in two-dimensional sonic crystals. Physical Review B. 2005, 72(3): 033108.
• [4] XIE Y. i in. Measurement of a broadband negative index with space-coiling acoustic metamaterials. Physical Review Letters. 2013, 110: 175501.
• [5] LEE S.H. i in. Acoustic metamaterials with negative modulus. Journal of Physics Condensed Matter. 2009, 21: 175704.
• [6] RYOO H., JEON W. Acoustic metasurface for broadband sound absorption via multiple hybrid resonances, Proceedings of the 49th International Congress and Exposition on Noise Control Engineering, Inter-Noise 2020, Seoul.
• [7] YANG Y., WANG Q. An active acoustic metamaterial based on the principle of local resonance. Proceedings of the 49th International Congress and Exposition on Noise Control Engineering, Inter- -Noise 2020, Seoul.
• [8] KIM E., JANG Y. Design of frequency bandgaps in 3D woodpile metamaterials. Proceedings of the 49th International Congress and Exposition on Noise Control Engineering, Inter-Noise 2020, Seoul.
• [9] YAMAMOTO T. i in. Acoustic metamaterials sound-insulator by Helmholtz resonators embedded in light weight plastic foam. Proceedings of the 25th International Congress on Sound and Vibration, ICSV25, 2018, Hiroshima.
• [10] KALAVSKY E., VENEGAS R. Low frequency sound absorption and transmission loss of a tortuos waveguide-resonator system: theory vs experiment. Proceedings of the 48th International Congress and Exposition on Noise Control Engineering, Inter-Noise 2019, Madrid.
• [11] YANG M., SHENG P. Sound absorption structures: from porous media to acoustic metamaterials. Annual Review of Materials Research. 2017, 47: 83-114.
• [12] CHANG Z., HU J., HU. G. Manipulating physical fi elds by transformation materials. [W:] P.F. Pai, G.G. Huang (red.), Theory and design of acoustic metamaterials. Spie Press, 2015.
• [13] CUMMER S.A., CHRISTENSEN J., ALÙ A. Controlling sound with acoustic metamaterials. Nature Reviews Materials. 2016, 1: 16001.
• [14] DONG H.-W. i in. Systematic design and realization of double-negative acoustic metamaterials by topology optimization. Acta Materialia. 2019, 172: 102-120.
• [15] LIU Z. i in. Locally resonant sonic materials. Science. 2000, 289: 1734-1736.
• [16] MA G., SHENG P. Acoustic metamaterials: from local resonances to broad horizons. Science Advances. 2016, 2, e1501595.
• [17] WANG Z, YANG W., ChOY Y.S. Metasurface by multiple perforated panels in a coiled arrangment. Proceedings of the 49th International Congress and Exposition on Noise Control Engineering, Inter-Noise 2020, Seoul.
• [18] HABERMAN M.R., NORRIS A.N. Acoustic metamaterials. Physics Today. 2016, 12(3): 31-39.
• [19] KUMAR S., LEE H.P. The present and future role of acoustic metamaterials for architectural and urban noise mitigations. Acoustics. 2019, 1: 590-607.
• [20] ZANGENEH-NEJAD F., FLEURY R. Active times for acoustic metamaterials. Reviews in Physics. 2019, 4: 100031.
• [21] WU Y., YANG M., SHENG P. Perspective: acoustic metamaterials in transition. Journal of Applied Physics. 2018, 123: 090901.
• [22] YAMAMOTO T. i in. Acoustic metamaterial sound-insulator by Helmholtz resonators combined with thin membranes. Proceedings of the 26th International Congress on Sound and Vibration. ICSV26, Montreal.
• [23] NAIFY C.J. i in. Membrane-type metamaterials: transmission loss of multi-celled arrays. Journal of Applied Physics. 2011, 109: 104902.
• [24] ZHOU G. i in. Broadband low-frequency membrane-type acoustic metamaterials with multi-state anti-resonances. Applied Acoustics. 2020, 159: 107078.
• [25] RYOO H., JEON W. Perfect sound absorption of ultra-thin metasurface based on hybrid resonance and space-coiling. Applied Physics Letters. 2018, 113: 121903, doi: 10.1063/1.5049696.
• [26] MA X., SU Z. Development of acoustic liner in aero engine: a review. Science China Technological Sciences. 2020, 63: 2491-2504, doi: 10.1007/ s11431-019-1501-3.
• [27] LANGFELDT F., HOPPEN H.I., GLEINE W. Broadband low-frequency sound transmission loss improvement of double walls with Helmholtz resonators. Journal of Sound and Vibration. 2020, 476: 115309.
• [28] WEYNA S. Rozpływ energii akustycznych źródeł rzeczywistych. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 2005.
• [29] MAKAREWICZ R. Dźwięki i fale. Wydawnictwo Naukowe UAM, 2017.
• [30] BÉRIOT H., PRINN A., GABARD G. Efficient implementation of high-order finite elements for Helmholtz problems. International Journal for Numerical Methods in Engineering. 2016, 106: 213-240, doi: 10.1002/nme.5172.
• [31] DOBRUCKI A. Przetworniki elektroakustyczne. Warszawa: WNT, 2007.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).