Caracterización numérica y experimental del comportamiento acústico de dispositivos de control de ruido con material granular

Abstract

El trabajo de Fin de Máster, por un lado, se centra en la caracterización de las propiedades acústicas equivalentes de la densidad y velocidad del material granular para un silenciador de escape de tipo disipativo. Para ello, en primer lugar, se realizan medidas experimentales en el banco de ensayos acústicos disponible en el Centro de Investigación en Ingeniería Mecánica (CIMM) del Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales, cuyo funcionamiento se basa en el método de la matriz de transferencia a partir de los registros de cuatro micrófonos. En segundo lugar se emplean las expresiones de modelos semiempíricos disponibles en la literatura científica, que consideran propiedades acústicas equivalentes de densidad y velocidad del material granular, ambas complejas y dependientes de la frecuencia. Por otro lado, empleando los datos anteriores de las características del material y el programa comercial Comsol Multiphysics®, se realiza en elementos finitos (EF) un estudio de la atenuación acústica de silenciadores que incorporan este tipo de material en su interior y se compara con un TL medido experimentalmente para complementar el análisis. El empleo del material granular se realiza con la finalidad de buscar alternativas a la utilización de las fibras fonoabsorbentes tradicionales para reducir la contaminación a causa de la degradación de las propiedades de éstas y su arrastre hacia el exterior, provocados por los gases de escape.

Para ello, se realiza una revisión de los modelos acústicos unidimensionales y la representación matricial correspondiente, incluyendo métodos de caracterización de materiales absorbentes. Las limitaciones de onda plana a rangos de frecuencia reducidos de un silenciador permiten justificar el empleo de un análisis en elementos finitos para la resolución de la ecuación de ondas, mediante una formulación en presión, en el interior de silenciadores con material granular que permita el estudio de la atenuación sonora en el campo acústico multidimensional en el rango de altas frecuencias. Se aplican condiciones de acoplamiento en la interfase con la continuidad de presión y velocidad normal y se comparan con las medidas experimentales.

La versatilidad del MEF permite abordar modelos en 3D de sección transversal arbitraria y realizar el cálculo del campo acústico tridimensional en el silenciador completo. Para evitar costes computacionales excesivos al utilizar un elevado número de grados de libertad, las mallas de EF se llevan a cabo con un número suficiente de elementos por longitud de onda para el rango de frecuencias hasta 3200 Hz, llegando a comprobar que elementos de menor tamaño no presentan cambios apreciables en la forma del TL.

Se analiza exhaustivamente el efecto de algunos parámetros significativos, tales como la longitud de la cámara, tamaño de partícula, nivel de llenado y topología de la sección transversal en la influencia de la atenuación sonora de un silenciador disipativo, donde el conducto central tiene una elevada porosidad y se considera despreciable su impedancia.

In this Master's Thesis the characterization of the equivalent properties of density and velocity of granular material for a dissipative exhaust muffler has been made. A methodology in Comsol for the simulation of acoustic behavior by means of the finite element method has been developed. In the first place, experimental measurements have been made in the experimental acoustic setup test available in the Department of Mechanical and Materials Engineering of the Polytechnic University of Valencia, whose function is based on the transfer matrix method from the records of four microphones. In the second place, theoretical models available in the scientific literature are used, that consider equivalent acoustic properties of density and velocity for the granular material, both complex and frequency-dependent. Finally, the data of the material characteristics are used in the commercial program Comsol Multiphysics® to carriy out FE studies of the acoustic attenuation of silencers that incorporate this type of material. In addition, the analysis is completed by comparing computations with the TL measured experimentally. The use, in this case, of the granular material is intented to search alternatives to the traditional sound absorbing fibres, to reduce pollution caused by degradation of the fibre properties and their outward drag, caused by exhaust gases.

For this purpose, a revision of the one-dimensional acoustic models and the corresponding matrix representation is performed, including methods of characterization of absorbent materials. Plane wave limitations at reduced frequency ranges for a muffler allow justification for the use of finite element analysis to solve wave equation, by means of a pressure formulation. This is considered inside mufflers with granular material, enabling the study of sound attenuation due to multidimensional acoustic field in the high frequency range. Coupling conditions are applied in the interface air/granular material with the continuity of pressure and normal velocity and are compared with the experimental measurements.

The versatility of the finite element method allows to approach 3D models of arbitrary cross-section, leading to the complete calculation of the three-dimensional acoustic field in a dissipative muffler. In order to avoid excessive computational costs when using a high number of degrees of freedom, the FE meshes are carried out with a sufficient number of elements per wavelength for the frequency range up to 3200 Hz, checking that elements of smaller size do not show appreciable changes in the shape of the TL.

The effect of some significant parameters, such as the length of the chamber, particle size, level of filling and typology of the cross section, on the sound attenuation of a dissipative muffler, is analyzed exhaustively. The central duct has a high porosity and its impedance is considered negligible.