Design of acoustic meta-material sound absorbers by finite element method

Abstract

Acoustic meta-materials are widely known with their extra-ordinary sound properties like transmission, absorption and orientation which are not available in natural materials. These features are provided by their repeating constructions and various configurations. Sound absorbers are used in a wide variety of applications such as sound treatment in buildings, vehicles, concert halls and any place noise control and/or desirable acoustic properties are required. Traditional sound absorbers are long-known to be inefficient in the low frequency ranges. In this study, to overcome the absorption problem in low frequencies, absorption characteristics of foam based porous structures are analyzed with the addition of locally resonant blocks. Elements embedded in the absorber material with various shapes and properties are investigated by finite elements method to improve sound absorption, especially in the low frequency range. The results showed that embedding air cavities enclosed by thin solid shells to the absorber improves sound absorption in the low frequencies without significant deterioration in the high frequencies.

Akustik meta-malzemeler, ses yutum, iletim ve yönelim gibi sıra dışı akustik özellikleri ile yaygın olarak bilinmektedir. Bu özellikler, çok çeşitli konfigürasyonlara sahip periyodik olarak tekrarlayan yapılar olmaları ile ortaya çıkmaktadır. Ses yutucu yapılar ise başta evlerdeki ve arabalardaki ses yalıtımı olmak üzere gürültü kontrolunun ve arzu edilen akustik özellikleri elde etmenin gerekli olduğu bir çok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Geleneksel ses yutucu yapıların düşük frekans değerlerinde oldukça etkisiz kaldıkları bilinmektedir. Bu çalışmada, bahsi geçen problemi ortadan kaldırabilmek için, köpük içerikli ve poroziteye sahip ses yutucu malzemelerin içerisine lokal rezonansa sahip periyodik bloklar eklenerek elde edilen yapıların ses yutum özellikleri analiz edilmiştir. Farklı şekillerde ve değişik özelliklere sahip periyodik yapıların gömülü olduğu köpük temelli yapılar sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak özellikle düşük frekans değerlerinde ses yutumunu iyileştirmek amacıyla incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar köpük temelli malzemelerin içerisine içi hava dolu silindir yapıların periyodik olarak eklenmesinin düşük frekanslardaki ses yutum özelliklerini, yüksek frekans değerlerini çok fazla düşürümeden geliştirdiğini göstermektedir.