Estudo de absorvedor acústico híbrido: metamaterial com material poroso

Abstract

Na procura das melhores alternativas para o tratamento acústico têm sido desenvolvidos os materiais conhecidos como metamateriais, os quais são capazes de substituir os absorvedores tradicionais quanto utilizados para baixa frequência, com a faixa de utilização podendo variar de 100 a 600 Hz e ainda com grande possibilidade de customização. Buscando aumentar ainda mais a capacidade desses absorvedores sonoros, este trabalho propõe a substituição de parte do espaço enrolado dos metamateriais labiríntico por materiais absorvedores porosos (melanima e lã de pet) para melhorar o controle da energia sonora tanto em baixas como em médias frequências. As amostras desses metamateriais utilizaram peças de MDF cortadas a laser e montadas por camadas, permitindo sua modificação posterior para instalar e alterar o posicionamento do material poroso no interior da cavidade labiríntica. Três posições foram propostas para instalar o material poroso acoplado ao metamaterial acústico ajustável, sendo avaliado o desempenho da absorção sonora por meio de modelo analítico, simulação computacional e ensaios em tubo de impedância para incidência sonora normal. Os resultados experimentais da absorção sonora de 92 testes foram confrontados com os resultados do modelo teórico e numérico para compreender os efeitos acústicos gerados pela adição do material poroso no interior do metamaterial. Em geral, os resultados apresentam uma diminuição da absorção sonora máxima do metamaterial híbrido desenvolvido, porém foi obtido um aumento da largura da banda de frequências para as faixas de absorção de 50% da energia sonora. Com este design de metamaterial acústico de cavidades enroladas e a aplicação interna de materiais porosos é possível obter o controle da largura da banda de frequências e da absorção sonora máxima para aplicações possíveis para a redução do ruído em baixas frequências.

Abstract: In the search for the best alternatives for acoustic treatment, materials known as metamaterials have been developed. These materials are capable of replacing traditional absorbers when used for low frequencies, with a usage range that can be vary from 100 to 600 Hz and significant customization possibilities. To further enhance the performance of these sound absorbers, this study proposes replacing part of the coiled space in the labyrinthine metamaterial with porous absorbing materials (such as melamine and PET wool) to improve control over sound energy in both low and medium frequencies. Laser-cut MDF pieces were used to create samples of these metamaterials, assembled in layers, allowing for subsequent modification to install and adjust the positioning of the porous material inside the labyrinth cavity. Three positions were proposed to installing the porous material coupled to the adjustable acoustic metamaterial. The sound absorption performance was evaluated through analytical modeling, computational simulation, and impedance tube tests for normal sound incidence. Experimental results from 92 tests were compared with theoretical and numerical model results to understand the acoustic effects generated by adding the porous material inside the metamaterial. Overall, the results show a decrease in the maximum sound absorption of the developed hybrid metamaterial, but an increase in the frequency bandwidth for absorption of 50% of sound energy. With this design of coiled cavity acoustic metamaterial and the internal application of porous materials, it is possible to control the frequency bandwidth and maximum sound absorption for for noise reduction applications at low frequencies.