Ontwerp van afstembare lichtgewicht metamaterialen voor breedbandige geluidstransmissie en geluidsabsorptie

In de voorbije decennia hebben strenger wordende ecologische en economische eisen de industrie ertoe aangezet lichtgewichtontwerp te introduceren. Lichtgewichtstructuren combineren doorgaans een lage massa met een hoge stijfheid, wat hun geluids- en trillingsisolatie nadelig beïnvloedt. Dit is in strijd met de toenemende consumentenverwachtingen en strenger wordende geluidsnormen. Klassieke oplossingen om het vibro-akoestische gedrag te verbeteren zijn doorgaans gebaseerd op het toevoegen van massa of volume, wat indruist tegen de vereisten voor lichtgewichtontwerp. In de zoektocht naar nieuwe oplossingen die aan deze tegenstrijdige eisen kunnen voldoen, hebben vibro-akoestische lokaal resonante metamaterialen recent veelbelovend potentieel getoond. Door resonatoren op een sub-golflengteschaal te introduceren in een flexibele hoststructuur, kan een stopband worden gecreëerd, wat een frequentieband is waarin geen vrije golfvoortplanting mogelijk is. Door het creëren van resonantiegebaseerd stopbandgedrag voor de buiggolven in flexibele panelen, kan een gericht frequentiebereik van sterke trillings- en geluidsreductie worden bekomen. De sub-golflengte aard van lokaal resonante metamaterialen kan lichtere en dunnere vibro-akoestische oplossingen mogelijk maken, die ook geschikt zijn voor het doorgaans moeilijk aan te pakken lage frequentiebereik.

Hoewel het potentieel van vibro-akoestische lokaal resonante metamaterialen is aangetoond, vereist de overgang naar ingenieursoplossingen nog nauwkeurigere en robuustere voorspellingen van hun vibro-akoestische performantie. Demping is inherent aanwezig in realiseerbare lokaal resonante metamaterialen en beïnvloedt hun vibro-akoestische performantie. Terwijl demping de tendens vertoont om de piekreductie te verminderen, heeft het ook potentieel getoond om het frequentiebereik van hun trillings- en geluidsreductie te verbreden. Demping wordt echter doorgaans achterwege gelaten bij het modelleren van lokaal resonante metamaterialen, wat nauwkeurige voorspellingen van hun vibro-akoestische performantie belemmert. Bovendien, terwijl hun voornamelijk smalbandige prestaties lokaal resonante metamaterialen in het bijzonder geschikt maken voor vibro-akoestische problemen in gerichte frequentiegebieden, is het bereiken van breedbandige trillings- en geluidsreductie sterk gewenst. Met het oog op het bereiken van breedbandige performantie moet de potentiële rol van demping verder worden opgehelderd.

Het hoofddoel van dit proefschrift is om de impact van demping op de vibro-akoestische performantie van lokaal resonante metamateriaalplaten te bestuderen, om zo fysisch inzicht te verwerven in de effecten van demping, om meer nauwkeurige voorspellingen van hun vibro-akoestische performantie te bekomen en om de verbreding van het frequentiebereik van trillings- en geluidsreductie te onderzoeken.

Na een onderzoek naar de vertaling van stopbandgedrag voor buiggolven naar verbeterde geluidsisolatie, is de impact van demping op de trillingsreductie van lokaal resonante metamateriaalplaaten onderzocht door middel van dispersiecurve-analyse. De trillingsreductie in en rond de stopband wordt voornamelijk bepaald door de demping in de resonator, die de piekreductie in de stopband vermindert, en de trillingsreductie verhoogt in een breder wordend frequentiebereik rond de stopband. Demping in de hoststructuur verhoogt voornamelijk de trillingsreductie buiten de stopband. De door demping beïnvloede voorspellingen van de trillingsreductie zijn experimenteel gevalideerd door middel van dispersiecurvemetingen.

De impact van demping op het geluidstransmissieverlies is vervolgens geanalyseerd voor oneindig periodische en eindige lokaal resonante metamateriaalplaten. Het geluidstransmissieverlies in en rond de stopband wordt voornamelijk bepaald door de demping in de resonator, die de piekreductie vermindert en de mogelijke laagfrequente coincidentiezone na de stopband verbetert. De resonante geluidstransmissie door structurele modes buiten de stopband wordt verminderd in een breder wordend frequentiebereik rond de stopband. Demping in de hoststructuur vermindert hoofdzakelijk de resonante geluidstransmissie buiten de stopband. De door demping beïnvloede voorspellingen van het geluidstransmissieverlies zijn experimenteel gevalideerd door middel van metingen van het insertieverlies en geluidstransmissieverlies.

Uiteindelijk is, met het oog op het verbeteren en verbreden van de geluids-isolatieprestaties, het potentieel van een lokaal resonante metamateriaaldubbelwand geanalyseerd en experimenteel onderzocht.