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Mémoire de Maîtrise
DOI
https://doi.org/10.11606/D.18.2022.tde-31102022-115323
Document
Auteur
Nom complet
Pedro de Campos Muradas Cerântola
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
São Carlos, 2022
Directeur
Jury
Oliveira, Leopoldo Pisanelli Rodrigues de (Président)
Gonçalves, Paulo José Paupitz
Rade, Domingos Alves
Titre en portugais
Isolamento acústico de baixa frequência via metapainel de ressonadores de membrana decorada
Mots-clés en portugais
Controle de ruídos
Metamaterial acústico de membrana
Metapainel
Penrose
Ressonador de membrana decorada
Tesselação
Resumé en portugais
Vibrações estruturais são a fonte mais comum dos ruídos aos quais as pessoas estão cotidianamente expostas. Este fenômeno de transmissão frequentemente surge de estruturas que se comportam como placas oscilantes, como as massivamente empregadas em máquinas em geral e aplicações automotivas, aeronáuticas e aeroespaciais. A crescente necessidade desses segmentos terem eficiência energética agrava o problema do ruído, já que dispositivos leves tendem a ser menos silenciosos, especialmente na faixa de baixas frequências. Para atacar esta questão, dispositivos conhecidos como metamateriais acústicos vem sendo desenvolvidos e colocados em uso em contextos de engenharia. Destes, destacam-se os metamateriais acústicos de membrana (MAMs), reconhecidos por sua capacidade de superar a lei das massas e entregar altos níveis de isolamento sonoro com baixa massa e volume adicionados aos sistemas vibroacústicos. O ressonador de membrana decorada (DMR), um conceito específico de MAM, alcança este feito a partir da massa efetiva negativa que apresenta entre seus dois primeiros modos de vibração normais. Várias configurações de DMR já foram investigadas, mas o estado da arte conta ainda com lacunas para aplicações em larga escala. Neste sentido, o presente trabalho de Mestrado tem como objetivo projetar e avaliar um metapainel de DMRs para a atenuação acústica no intervalo entre 178 e 355 Hz a partir de estratégias de modelagem numérica. Para isto, é criada uma metodologia de projeto baseada no modelo de elementos finitos do painel acoplado a um sistema composto de uma cavidade e uma placa radiante, com o nível de potência sonora irradiada para o campo distante sendo obtido a partir de diferentes formulações para estruturas flexíveis. A fim de diminuir o acoplamento vibroacústico com o resto do sistema, um metapainel aperiódico de padrão Penrose é concebido a partir da teoria de tesselação. Para verificar a robustez da solução frente a fontes de incertezas, foram aplicadas variações aleatórias de aspectos construtivos ao metapainel. Dois diferentes empilhamentos também foram simulados. A capacidade de atenuação da estrutura proposta é demonstrada, tendo sido a configuração nominal capaz de produzir perdas por inserção de 12, 26 e 25 dB nos três terços de oitava analisados e um máximo de quase 60 dB no intervalo. A metodologia desenvolvida se mostrou eficiente para o projeto e análise de um atenuador de DMRs.
Titre en anglais
Low frequency acoustic insulation via a decorated membrane resonators metapanel
Mots-clés en anglais
Decorated membrane resonator
Membrane acoustic metamaterial
Metapanel
Noise control
Penrose
Tesselation
Resumé en anglais
Structural vibrations are the most common source of noise that people are exposed to on a daily basis. This transmission phenomenon often arises from plate-like oscillating structures, such as the ones massively employed in machines in general and automotive, aeronautical and aerospace applications. The growing need for these segments to be energy-efficient aggravates the noise problem, as lightweight devices tend to be less quiet, especially in the low-frequency range. To tackle this issue, devices known as acoustic metamaterials have been developed and put to use in engineering contexts. Of these, acoustic membrane metamaterials (MAMs) stand out, recognized for their capacity to overcome the mass-law and deliver high levels of sound insulation with low mass and volume added to vibroacoustic systems. The decorated membrane resonator (DMR), a specific MAM concept, achieves this feat from the negative effective mass it presents between its first two normal vibration modes. Several DMR configurations have already been investigated, but the state of the art still has gaps for large-scale applications. In this sense, the present Masters work aims at designing and evaluating a DMRs metapanel for acoustic attenuation in the range between 178 and 355 Hz with the use of numerical modeling strategies. For this, a design methodology is created based on the finite element model of the panel coupled to a system composed of a cavity and a radiant plate, with the sound power level radiated to the free field being obtained from different formulations for flexible structures. In order to decrease the vibroacoustic coupling, an aperiodic Penrose metapanel is conceived based on the tesselations theory. To verify the robustness of the solution against sources of uncertainty, random variations of constructive aspects were applied to the metapanel. Two different stacking configurations were also simulated. The attenuation capacity of the proposed structure is demonstrated, with the nominal configuration being capable of producing insertion losses of 12, 26 and 25 dB over the three thirds of the octave analyzed, and a maximum of almost 60 dB in the range. The developed methodology proved to be efficient for the design and analysis of a DMRs attenuator.
 
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Date de Publication
2022-11-01
 
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