wpływ podciśnienia na właściwości akustyczne semiinteligentnych

wpływ podciśnienia na właściwości akustyczne semiinteligentnych

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 48, ISSN 1896-771X
WPŁYW PODCIŚNIENIA NA WŁAŚCIWOŚCI
AKUSTYCZNE SEMIINTELIGENTNYCH
STRUKTUR GRANULOWANYCH
Michał Rutkowski1, Robert Zalewski2
1
Instytut Lotnictwa, Centrum Nowych Technologii; IPBM, Politechnika Warszawska
e-mail: [email protected]
2
Instytut Podstaw Budowy Maszym, Politechnika Warszawska
e-mail: [email protected]
Streszczenie
Praca ta jest kolejnym etapem rozpoczętych kilka lat temu badań właściwości specjalnych struktur granulowanych. Poznane do tej pory cechy wspomnianych materiałów, m.in. wiedza o zmieniającej się wraz z podciśnieniem strukturze szczelnie zamkniętego granulatu, skłoniły autorów do sprawdzenia właściwości akustycznych tych materiałów, jak i możliwości ich sterowania. Przeprowadzone badania wpływu podciśnienia wytworzonego w próbce na współczynnik pochłaniania dźwięku przez próbki granulatów pokazują kolejne możliwości
ich aplikacji w zastosowaniach inżynierskich.
Słowa kluczowe: współczynnik pochłaniania, redukcja hałasu, struktury granulowane
THE INFLUENCE OF UNDERPRESSURE ON ACOUSTIC
PROPERTIES OF SEMI-INTELLIGENT GRANULAR
STRUCTURES
Summary
This research is the next step of study started few years ago, regarding the properties of Special Granular
Structures. Some properties of granular structures, e.g. the changing of structure of the material, once it is
submitted to internal under pressure in a sealed container, led the authors to believe that the acoustic properties may also change with pressure. Performed research regarding material sound absorption of investigated
granular structures shows new potential possibilities of their application and confirms, that one can control
acoustic properties of such structures.
Keywords: absorption coefficient, noise reduction, granular structures
1. WSTĘP
Akustyka staje się obecnie coraz ważniejszym zagadnieniem w procesie projektowania. Mimo intensywnych działań mających na celu ograniczenie ilości
energii akustycznej emitowanej przez urządzenia
problem nadmiernego poziomu hałasu pojawia się
w różnych dziedzinach życia, począwszy od lotnictwa,
a kończąc na urządzeniach codziennego użytku. Obserwuje się ogólny wzrost poziomów hałasu oraz powstawanie całkiem nowych jego źródeł, na które
narażony jest człowiek i środowisko. Fakty te związane
są niewątpliwie z rozwojem cywilizacyjnym naszej
planety. Równolegle zauważalny jest także wzrost
124
Michał Rutkowski, Robert Zalewski
społecznej świadomości dotyczącej zagrożenia hałasem
i prób przeciwdziałania jego szkodliwemu i uciążliwemu działaniu. Równocześnie z narastającymi problemami powstają kolejne uregulowania i przepisy określające dopuszczalne poziomy hałasu dla ludzi
i środowiska (np. normy, dyrektywy europejskie).
Odpowiedzią na coraz ostrzejsze wymagania dotyczące
akustyki są bardziej efektywne materiały (najczęściej
warstwowe), które znajdują zastosowanie jako ekrany
lub przegrody tłumiące, pochłaniające lub odbijające
(w zależności od miejsca zastosowania i konkretnych
potrzeb związanych z ograniczeniem ilości energii
akustycznej) różnego rodzaju fale akustyczne.
W nawiązaniu do przytoczonych faktów interesujące wydaje się zastosowanie oprócz metod pasywnych
także aktywnych lub półaktywnych strategii tłumienia
hałasu. Systemy typu ANC (Active Noise Control lub
Cancellation) bądź w języku polskim ARH (Aktywna
Redukcja Hałasu) są obecnie dostępne jedynie
w wybranych zastosowaniach inżynierskich trafiających do wąskiego grona użytkowników (np. w słuchawkach). Zauważa się jednak ciągłe prace zmierzające w kierunku zarówno dopracowania istniejących
rozwiązań jak również ich szerszej komercjalizacji.
Biorąc pod uwagę multidyscyplinarność omawianej
tematyki, a także koszty, związane głównie z potrzebą
zastosowania złożonej aparatury dodatkowej, perspektywa wprowadzenia strategii kontrolowanego tłumienia
hałasu w codziennych aplikacjach inżynierskich wydaje
się wciąż odległa.
Materiały granulowane, występujące w formie różnych rodzajów tworzyw sztucznych, dość powszechnie
stosowane są do tłumienia energii fal akustycznych,
np. w budownictwie m.in. do wypełniania przestrzeni
w stropach lub do budowy mat akustycznych. Dotychczas prowadzone akustyczne badania eksperymentalne
ośrodków sypkich nie uwzględniały jednak wpływu
podciśnienia na właściwości absorpcyjne tych materiałów.
W niniejszej pracy do badań akustycznych wykorzystano Specjalne Struktury Granulowane (SSG).
Nazwa ta dotyczy granulatów tworzyw sztucznych
zamkniętych w szczelnej osnowie, w których wytwarza
się częściową próżnię. Właściwości tak utworzonej
struktury kontrolowane są za pomocą pompy próżniowej wyposażonej w manometr, dzięki której można
wygenerować żądane podciśnienie w testowanej próbce.
Prace badawcze dotyczące analizy możliwości sterowania właściwościami wytrzymałościowymi wspomnianych struktur prowadzone są od ponad dekady
([2], [3]). Podjęto także próby modelowania ich zachowań pod wpływem zadanego obciążenia zewnętrznego
w zależności od wartości podciśnienia panującego we
wnętrzu materiału ([4], [5]). Zasadniczym mechani-
zmem powodującym zmiany właściwości fizycznych
SSG jest m.in. zanik porów powietrznych i powstawanie znacznych sił na powierzchniach kontaktu poszczególnych ziaren granulatu. W wyniku omówionych
mechanizmów następuje szeroko pojęta zmiana struktury materiału. Możliwość kontroli cech fizycznych
granulowanych konglomeratów za pomocą wygodnego
parametru podciśnienia zainspirował autorów do
zbadania zmian właściwości akustycznych wspomnianych materiałów w zależności od wartości parametru
podciśnienia.
2. CEL I ZAKRES PRACY
Zakres niniejszej pracy, ze względu na oczywiste
ograniczenia edytorskie, obejmuje zaledwie część
zrealizowanych badań eksperymentalnych związanych
z wpływem parametrów technologicznych na właściwości akustyczne SSG. Zrealizowany dotychczas plan
badawczy obejmował, oprócz analizy wpływu podciśnienia na właściwości akustyczne specjalnych struktur
granulowanych, także badania wpływu rodzaju przegrody czołowej próbki (analizowano różne rodzaje jej
materiałów oraz trzy grubości). Eksperymenty badawcze obejmowały także analizę wpływu rodzaju granulatu (badano 5 jego rodzajów, oprócz tworzywa akrylonitryl/butadien/styren (ABS) także polipropylen (PP),
polipropylen talkowy (PP-t), polistyren (PS) oraz
poli(metakrylan metylu) (POL). Kolejnym badanym
czynnikiem była objętość próbki badawczej (grubość
przegrody akustycznej). Rozpatrywano dwie długości
próbek materiałowych, odpowiednio 130 i 200 mm.
Należy zaznaczyć, że wciąż trwają prace badawcze
zmierzające do pełniejszego poznania złożonych zjawisk występujących w Specjalnych Strukturach Granulowanych, towarzyszących propagacji fal akustycznych
w rozpatrywanych strukturach.
Podstawowym celem niniejszej pracy jest doświadczalna analiza wpływu parametru podciśnienia na
współczynnik pochłaniania dźwięku Specjalnych
Struktur Granulowanych, zbudowanych z ziaren
tworzywa sztucznego ABS. Kolejnym, bardziej ogólnym zamierzeniem autorów, jest zbadanie możliwości
zastosowania SSG w konstrukcji przegród akustycznych o zmiennych (sterowalnych) właściwościach.
3. BADANIA EKSPERYMENTALNE
Badania wykonano w Laboratorium Wibroakustyki
na Wydziale Samochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej. Stanowisko badawcze (rys. 1)
składało się z zestawu do pomiaru współczynnika
pochłaniania dźwięku (zbudowanego zgodnie z zaleceniami odpowiednich norm [6]) firmy Brüel&Kjær, tj.
125
WPŁYW PODCIŚNIENIA NA WŁAŚCIWOŚCI AKUSTYCZNE SEMIINTELIGENTNYCH…
tuby impedancyjnej 4206, dwóch mikrofonów ¼ cala
B&K 2670, generatora 3160-A-04/2 B&K, wzmacniacza 2716C B&K i komputera z dedykowanym oprogramowaniem PULSE LAB SHOP (acousticmaterialtesting). Dodatkowo wykorzystano pompę próżniową
Aga Labor PL 2 z wbudowanym manometrem (klasa
2,5) oraz dodatkowy manometr na przewodzie podciśnieniowym (klasa 1,6).
Wyznaczany współczynnik pochłaniania dźwięku
definiowany jest jako stosunek ilości energii akustycznej pochłoniętej przez materiał (przeniesionej w inny
obszar lub zamienionej w ciepło) do całkowitej ilości
energii nań padającej [7]:
dedykowane oprogramowanie z uwzględnieniem kluczowych przekształceń:
- funkcji kalibracji:
|
|
(2)
1/2
(3)
gdzie:
H - funkcja przejścia
ϴ - kąt fazowy
A,B – oznaczenia odwrotnych konfiguracji mikrofonów.
- kalibracji otrzymanych charakterystyk FRF:
| |
|
|/|
|
(4)
(5)
(1)
- określenia zespolonego współczynnika odbicia:
gdzie:
- współczynnik pochłaniania
- energia pochłonięta
- energia całkowita (padająca)
!"
#
$% & '
(/ #
% & '
) #
*% & +,'
(6)
gdzie:
k – liczba falowa (k=2* Π*f/c)
L – odległość od próbki do najbliższego jej mikrofonu
s – odległość między mikrofonami
Wyróżnić można dwa sposoby wyznaczania wartości wspomnianego współczynnika: fizyczny i pogłosowy. W praktyce inżynierskiej (jak i w niniejszej pracy)
częściej stosowany jest pierwszy wariant, m.in. ze
względu na mniejszy rozmiar wykorzystywanych
w doświadczeniach próbek materiałowych.
Zakres badanych częstotliwości zawierał się w
przedziale 500 Hz - 6.4 kHz. Stanowisko badawcze
umieszczono w pomieszczeniu klimatyzowanym zapewniającym stałą temperaturę i wilgotność powietrza
w trakcie prowadzonych prac badawczych.
- określenia właściwej impedancji akustycznej:
-
. 1
/ 0 1
/ 1
(7)
gdzie:
ρ– gęstość powietrza
c – prędkość dźwięku
- określenia współczynnika pochłaniania dźwięku:
1
| |*
(8)
Rys.2. Schemat ideowy stanowiska pomiarowego
W celu zapewnienia dokładnego wypełnienia cylindrycznej przestrzeni badawczej materiałem sypkim
(bez dodatkowych przestrzeni powietrznych) wykonano specjalną walcową próbkę struktury (rys. 3). Jej
budowa stanowiła zamkniętą szczelnie osnowę
z cienkiego tworzywa wypełnianą na czas doświadczeń
wybranym granulatem. Zapewnienie ściśle określonego
kształtu i wymiarów zewnętrznej powierzchni walcowej
próbki zrealizowano za pomocą specjalnie przygotowanych wzmocnień w formie cienkich teflonowych pierścieni z jednej strony oraz stalowego krążka o grubości
15 mm z drugiej. Średnica zewnętrzna rozpatrywanej
próbki eksperymentalnej wynosiła 28,8 mm, a jej
długość 200 mm. Masa próbki bez granulatu wynosiła
Rys.1. Elementy stanowiska pomiarowego
Schemat ideowy stanowiska przedstawiono na
rys. 2. Dokładność procedury badań i obróbki sygnałów spełnia niepewność 1%, w myśl [6]. Bezpośrednie
sygnały pomiarowe wygenerowane przez mikrofony
podlegały procesowi automatycznej obróbki przez
126
Michał Rutkowski, Robert Zalewski
73,40 g. Masa granulatu ABS, którym wypełniono
próbkę, równała się 78,30 g.
0,09 MPa z krokiem 0,01 MPa. Przykładowe wyniki
eksperymentalne zilustrowano na rys. 4 i 5.
W prezentacji wyników na wykresach (rys. 4-6)
oraz w tabeli 1 użyto umownych skrótów przy oznaczaniu wyników pomiarów. Ich znaczenie jest następujące, np. a20abs1:
•
"a" – oznaczenie serii pomiarowej (wykonywano
trzy serie pomiarowe) a, b oraz c;
•
"20" – oznaczenie długości próbki (cm);
•
"abs" – oznaczenie rodzaju materiału wypełniającego próbkę (PP, ABS, PP-t, PP, POL)
•
"1" – oznaczenie wielkości podciśnienia wytworzonego w próbce (1 = 0,01 MPa, 2 = 0,02 MPa,
itd.)
Rys.3. Próbka badawcza
Konieczność umieszczenia granulatu w hermetycznej osnowie wymuszała na eksperymentatorach zastosowanie cienkiej powłoki z tworzywa sztucznego służącej do uszczelnienia czołowej powierzchni próbki.
Rozwiązanie takie wprowadzało oczywiste ograniczenie
możliwości dyssypacyjnych znajdujących się we wnętrzu próbki materiałów sypkich.
Założono pomijalny wpływ płaszcza plastomerowego występującego w części walcowej próbki. Widoczny
na rys. 2 krążek stalowy wykonano jako zamiennik
tłoka o tej samej grubości, będącego częścią wykorzystanej do pomiarów rury impedancyjnej. Element ten
spełnia zadanie przegrody akustycznie twardej, cechującej się współczynnikiem odbicia dźwięku bliskim
jedności (warunek poprawności przeprowadzenia
pomiarów). Element ten wyposażony był dodatkowo
w zawór umożliwiający podłączenie pompy próżniowej
i wygenerowanie odpowiedniej wartości częściowej
próżni.
Dla każdej rozpatrywanej w eksperymencie wartości podciśnienia wykonano trzy serie pomiarowe.
Na rys. 6 oraz w tab. 1 zilustrowano i zestawiono
wpływ wartości parametru podciśnienia na współczynnik pochłaniania dźwięku przez SSG.
Współczynnik pochłaniania dźwięku dla luźnego
granulatu wzrasta dynamicznie od wartości około 0,1
dla niskich częstotliwości do poziomu powyżej 0,4 na
końcu rozpatrywanego eksperymentalnie zakresu
pomiarowego. Wygenerowanie niewielkiej wartości
częściowej
próżni
w granulowanej
strukturze
(0,01 MPa) powoduje znaczną zmianę jej właściwości
akustycznych.
4. WYNIKI EKSPERYMENTU
współczynnik pochłaniania [-]
Na potrzeby niniejszej pracy zrealizowano plan badawczy obejmujący granulat ABS o średnicy pojedynczego ziarna około 2-3 mm i długości 3-5 mm.
Generowano dziesięć poziomów podciśnienia, od 0 do
0,08
0,07
0,06
0,05
0,04
a20abs2
b20abs2
0,03
0,02
0,01
c20abs2
Średnia
0
0
2000
4000
6000
8000
częstotliwość [Hz]
Rys.4. ABS, podciśnienie 0,02 MPa, współczynnik pochłaniania dźwięku
w funkcji częstotliwości
127
współczynnik pochłaniania [-]
WPŁYW PODCIŚNIENIA NA WŁAŚCIWOŚCI AKUSTYCZNE SEMIINTELIGENTNYCH…
0,08
0,07
0,06
0,05
a20abs6
0,04
0,03
0,02
0,01
b20abs6
c20abs6
Średnia
0
0
2000
4000
6000
8000
częstotliwość [Hz]
współczynnik pochłaniania [-]
Rys.5. ABS, podciśnienie 0,06 MPa, współczynnik pochłaniania dźwięku
w funkcji częstotliwości
0,5
0,45
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
Abs 0
Abs 1
Abs 2
Abs 3
Abs 4
Abs 5
Abs 6
0
2000
4000
6000
8000
Abs 7
Abs 8
częstotliwość [Hz]
Rys.6. ABS, podciśnienia 0-0,09 MPa, uśrednione wartości współczynnika
pochłaniania dźwięku w funkcji częstotliwości
Otrzymane doświadczalnie wartości współczynnika
pochłaniania dźwięku wynoszą od 0,025 dla częstotliwości 500 Hz do 0,14 dla częstotliwości 6400 Hz.
Wytworzenie
kolejnego
poziomu
podciśnienia
(0,02 MPa) w próbce badawczej wprowadza dalsze
zmiany rozpatrywanych właściwości akustycznych.
Zmiany te, choć zauważalne, są jednak wyraźnie
mniejsze niż dla początkowego zakresu generowanych
podciśnień. Warto podkreślić, że oprócz ewidentnych
zmian wartości rejestrowanego parametru akustycznego następuje także modyfikacja kształtu jego charakterystyki w funkcji częstotliwości.
Tabela 1. ABS, podciśnienia 0-0,09 MPa, współczynnik pochłaniania dźwięku
dla charakterystycznych częstotliwości
Częstotliwość [Hz]
Podciśnienie [MPa]
500
1000
2000
4000
6400
0
0,080
0,166
0,296
0,385
0,429
0,01
0,027
0,033
0,043
0,072
0,138
0,02
0,024
0,028
0,027
0,049
0,074
0,03
0,024
0,027
0,025
0,051
0,064
0,04
0,024
0,027
0,024
0,048
0,063
0,05
0,024
0,027
0,023
0,051
0,063
0,06
0,024
0,026
0,023
0,049
0,063
0,07
0,024
0,027
0,023
0,049
0,063
0,08
0,025
0,027
0,023
0,052
0,064
0,09
0,024
0,028
128
0,023
0,056
0,063
Michał Rutkowski, Robert Zalewski
i wielkość porów powietrznych w materiale. Jak już
wspomniano, zakres badań niniejszej pracy obejmował
jedynie eksperymenty uwzględniające jeden typ ziaren
(wałeczki). Przewiduje się także duże różnice w uzyskiwanych rezultatach badawczych w przypadku
granulatów o innym kształcie, np. w formie kulek.
Kolejnymi parametrami wpływającym na wielkość
szczelin powietrznych w strukturze granulowanej i tym
samym na jej globalne właściwości akustyczne są
parametry wytrzymałościowe materiału tworzącego
granulat (moduł Younga, granica plastyczności, itp.)
W zrealizowanych pracach badawczych zauważono, że
stopień odkształcalności badanych granulatów był
praktycznie pomijalny. W przypadku zastosowania
granulek gumowych do tworzenia SSG otrzymywane
wyniki mogłyby znacząco różnić się od dotychczasowych.
Niniejsza praca jest kontynuacją badań nad możliwościami sterowania właściwościami Specjalnych
Struktur Granulowanych. Do tej pory główną uwagę
poświęcano badaniom właściwości mechanicznych
wspomnianych struktur. Zakres niniejszej pracy jest
więc innowacyjnym podejściem normatywnym do
badań właściwości akustycznych SSG.
Przyszłościowe kierunki badań akustycznych SSG
będą obejmowały przede wszystkim ograniczony zakres
wartości podciśnień wewnętrznych. Jak już wspomniano, zasadnicze zmiany właściwości akustycznych
struktur granulowanych obserwuje się w przedziale
niskich wartości podciśnienia. Zjawisko to jest szczególnie interesujące przy wzięciu pod uwagę analizy
wcześniejszych prac autorów (np. 3, 9, 10), gdzie
intensyfikacja zmian właściwości mechanicznych
specjalnych struktur granulowanych zauważalna była
dla zdecydowanie wyższych wartości częściowej próżni.
5. PODSUMOWANIE
Przedstawione wyniki pokazują wyraźny wpływ
podciśnienia na właściwości akustyczne specjalnych
struktur granulowanych. Zaobserwowane zmiany
wartości współczynnika pochłaniania dźwięku w
funkcji podciśnienia wydają się być spowodowane
wspomnianą wcześniej transformacją struktury granulowanej, w trakcie generowania podciśnienia. W czasie
tego procesu zmniejsza się objętość porów powietrznych w materiale sypkim, a na granicach ziaren pojawiają się znaczne siły kontaktowe (zależne od wartości
parametru sterującego), które powodują solidyfikację
struktury. Zmniejszanie możliwości drgań i wibracji
pojedyńczych ziaren a także zmniejszenie objętości
międzyziarnowych szczelin powietrznych zmienia
przebieg procesów wiskotyczno termicznych w materiale, także jego właściwości akustyczne.
Wpływ podciśnienia na obserwowany eksperymentalnie w badanym zakresie współczynnik pochłaniania
dźwięku przez SSG jest silnie nieliniowy. Szczególnie
interesujące zjawiska obserwuje się w przedziale podciśnień od 0 do 0,01 MPa, gdzie zauważono największe
zmiany zarówno ilościowe jak i jakościowe w wartościach rozważanego parametru.
Problemem otwartym pozostaje zbadanie wpływu
stopnia upakowania próbki granulatem, który
w przypadku omawianych badań był stały. Na podstawie informacji zawartych we wcześniejszych pracach
autorów ([9], [10] lub [11]) można przypuszczać, że
gęstość upakowania ma zasadniczy wpływ na wyniki
prowadzonych badań akustycznych SSG. Istotnym
parametrem wpływającym zasadniczo na właściwości
fizyczne SSG jest także kształt pojedynczych ziaren
granulatu. Ma on bezpośredni wpływ na ilość, kształt
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Sikora J, Turkiewicz J.: Experimental determination of sound absorbing coefficient for selected granular
materials. “Mechanics” 2009, Vol. 28 No. 1, p. 26 - 30.
Zalewski R, Rutkowski M.: Wpływ objętości próbki badawczej na wyniki prób jednoosiowego rozciągania
specjalnych struktur granulowanych. „Mechanik” 2011, nr 12, suplement do „Mechanika” 12/2011.
Zalewski R.: Analiza właściwości mechanicznych struktur utworzonych z granulatów umieszczonych w przestrzeni z podciśnieniem. Rozprawa doktorska. Warszawa: Pol. Warsz., 2005.
Bajkowski J., Zalewski R.: Linear behaviour of granular systems under special conditions – preliminary
attempt to Chaboche’s law adaptation. In: XIV Colloque Vibrations Chocs Et Bruit, EcoleCentrale de Lyon
69131 Ecully, 16,17,18 Juin 2004. Materiały w wersjimultimedialnej.
Zalewski R.: Constitutive model for special granular structures. “Int. J. Non-Linear Mech.” 2010, 45,3, p. 279
- 285.
PN-EN ISO 10534-2.
Weyna S.: Rozpływenergiiakustycznychźródełrzeczywistych. Warszawa: WNT, 2005.
Wilson D.K. Simple, relaxationalmodelsfortheacousticalpropertiesofporousmedia. Applied Acoustics Vol. 50,
No. 3, 1997, pp. 171 - 188.
129
WPŁYW PODCIŚNIENIA NA WŁAŚCIWOŚCI AKUSTYCZNE SEMIINTELIGENTNYCH…
9.
Pyrz M., Zalewski R.: Modeling of granular media submitted to internal underpressure. “Mech. Res. Commun.” 2010, 37, 2, p. 141 - 144.
10. Zalewski R, Pyrz M.: Modeling and parameter identification of granular plastomer conglomerate submitted to
internal underpressure. “Engineering Structures” 2010, 32, p. 2424 - 2431.
11. Zalewski R., Pyrz M.: Experimental study and modeling of polymer granular structures submitted to internal
underpressure. “Mechanics of Materials” 2013, 57, p. 75 - 85.
130