Otimização de um metamaterial acústico labiríntico para absorção sonora na faixa de frequências de 100–300 Hz
Almeida, G. N.; Vergara, E. F.; Barbosa, L. R.; Farias, L. C. B.
Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, Laboratório de Vibrações e Acústica (LVA), Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Florianópolis, SC.
Resumo
O controle da energia sonora em ambientes fechados ao longo de todo espectro de frequência é um fator importantíssimo, especialmente quando o conforto acústico é uma necessidade do projeto arquitetônico do ambiente. Este controle é realizado pelo tratamento acústico, sendo o coeficiente de absorção sonora um parâmetro físico do material acústico utilizado. Todavia, os materiais acústicos absorvedores convencionais (e.g. espumas e fibras) apresentam limitações geométricas e operacionais no controle da energia sonora relativa a região das baixas frequências (100–600 Hz).
Recentemente este controle ganhou notabilidade com o advento dos metamateriais acústicos (MMA). Neste artigo apresentamos uma avaliação teórica, numérica e experimental de um instituído metamaterial absorvedor de baixas frequências. O metamaterial acústico fundamenta-se na teoria dos painéis micro perfurados (MPP) e no conceito de espaços enrolados, os quais se assemelham a um labirinto. Os efeitos de atrito viscoso e difusão térmica, importantes na descrição analítica do modelo são corroborados por meio de uma análise numérica utilizando o método dos elementos finitos (MEF).
O coeficiente de absorção sonora do metamaterial é maximizado por um método heurístico para a região de frequência entre (100–300 Hz). Uma amostra do metamaterial foi fabricada pela tecnologia de impressão 3D e avaliada em um aparato de tubo de impedância. Os resultados obtidos revelam uma absorção sonora de 0,97% em 216 Hz com uma largura de banda relativa de 49,0%. É demonstrado que o metamaterial acústico apresenta uma escala de sub comprimento de onda, uma vez que sua espessura total é de 0,026λ.
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INTRODUÇÃO
A busca pelo conforto acústico, bem como pelo controle de ruídos e vibrações em diversas situações do cotidiano, motivaram nas últimas décadas pesquisas e desenvolvimento de materiais ou dispositivos acústicos inovadores [1, 2]. Comumente, para tais finalidades faz-se uso de materiais porosos do tipo celular ou fibroso [3, 4],assim como dispositivos ressonantes do tipo painel micro perfurado (MPP). Todavia, para que os materiais porosos [5–7] e os MPP [8–14] sejam eficazes no controle da energia sonora nas baixas frequências (100−600Hz), são necessárias espessuras demasiadamente grandes. No entanto, esta condição nem sempre é possível na prática [7]. Neste contexto, surgiu a necessidade de estudos e desenvolvimento de novos materiais que possam sanar esta lacuna, ou seja,que permitam o controle da energia sonora relativa às baixas frequências, mas que apresentem dimensões geométricas menores que os dispositivos ressonantes tradicionais ou similares.
Para remediar tal problemática, uma nova classe de material surgiu com potencial de aplicação e apresentam espessuras de sub-quadro de onda, são eles os metamateriais acústicos(MMA) ou meta superfícies [15–22]. MMA são estruturas periódicas que possuem propriedades e comportamentos únicos para grandes comprimentos de onda [23]. Este comportamento único ocorre quando os MMA apresentam: 1)eficiente capacidade de converter energia sonora em energia térmica ou em outras formas de energia, 2) uma impedância de superfície total correspondente à do ar, permitindo assim que a onda sonora ingresse de maneira eficiente em seu interior sem haver reflexão sonora [18].Duas considerações têm-se mostrado bastante úteis quando se deseja projetar eficientemente o MMA, os efeitos visco térmicos, quer dizer,os efeitos de atrito viscoso e difusão térmica que afetam a propagação sonora em pequenos espaços [24–28] e o conceito de espaços enro-lados [29–34]. Destaque para a segunda consideração, pois tem sido frequentemente utilizada em absorvedores baseados em canais do tipo Fabry-Pérot (FP). Os canais do tipo FP por possibilitarem a otimização do espaço interno da célula unitária do metamaterial, ganharam notabilidade proporcionando a redução do volume físico do MMA para uma escala de sub -quadro de onda profunda [31].
Deste modo, motivado por um modelo de MMA existente na literatura [35], o qual baseia-se no conceito de espaços enrolados e no projeto de painéis micro perfurado, o presente trabalho tem como objetivo estudar, avaliar e otimizar mediante um método heurístico o comportamento do metamaterial, cujo intuito é obter uma ótima absorção sonora na faixa de frequência entre 100 e 300 Hz. Utilizando os métodos analítico e numérico (método dos elementos finitos – MEF)demonstramos que o MMA apresenta absorção sonora máxima na região de interesse com uma estrutura notavelmente fina. Além disso, uma validação experimental em um tubo de impedância aplicando o método de funções de transferência para obtenção do coeficiente de absorção sonora por incidência normal de uma amostra proposta, é utilizado para corroborar a ótima absorção sonora do MMA otimizado.
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