Caracterización acústica experimental de superficies microperforadas y sinterizadas

Abstract

[ES] Desde hace unos años, la industria automotriz reclama alternativas eficientes y ecológicas que sustituyan a los materiales absorbentes fibrosos en los dispositivos de control de ruido y emisiones acústicas (fundamentalmente silenciadores de escape). Recientemente se han llevado a cabo investigaciones relacionadas con la utilización de superficies microperforadas. Éstas se caracterizan por una impedancia acústica sintonizable cuya parte real es relativamente grande (sobre todo en presencia de flujo medio) y poco dependiente de la frecuencia. La justificación física del mecanismo de atenuación se ha vinculado a la relación existente entre el tamaño del orificio y la capa límite acústica. Como extensión de la filosofía anterior, el grupo de investigación del CITV ha planteado en proyectos de investigación recientes la exploración de las características acústicas de superficies metálicas fabricadas por sinterización. Debido al reducido tamaño de poro, la parte real de la impedancia aumenta considerablemente, superando incluso el valor de la parte imaginaria, y mantiene su independencia respecto a la frecuencia. En este Trabajo Fin de Máster se desarrolla e implementa un sistema de caracterización acústica experimental de superficies microperforadas y sinterizadas. Se persigue la obtención de propiedades acústicas relevantes de dichas superficies, dependientes de un amplio conjunto de parámetros, como el tipo de material, tamaño de partículas, porosidad y espesor de la muestra. La metodología empleada y el banco de ensayos acústicos permiten extender el abanico de muestras que se pueden estudiar. Como complemento a las medidas realizadas en superficies perforadas, se aborda también la caracterización experimental de muestras volumétricas de diversos materiales novedosos, como espumas metálicas de aluminio y muestras compactadas de vermiculita. La caracterización se realiza en ausencia de flujo medio aplicando el método de la matriz de transferencia para muestras volumétricas y el denominado método de Selamet para las muestras superficiales de espesor delgado (que no es más que una simplificación del primer método indicado). Se analizan placas microperforadas con porosidades del 0.5%, 1% y 2% y, como se ha mencionado inicialmente, se observa una parte real de la impedancia acústica relativamente constante y una parte imaginaria creciente con la frecuencia. Con vistas a aumentar la parte resistiva de la impedancia, y por ende la disipación energética asociada, se han obtenido diversas placas sinterizadas de bronce, fabricadas en tres espesores diferentes, con cuatro tamaños de microesfera y con porosidades entre el 30\% y el 50\%. Estas muestras presentan una parte real de la impedancia acústica prácticamente constante y una parte imaginaria que depende, débilmente, de la frecuencia. Se observa que el espesor de la placa y el tamaño de las microesferas influyen de forma decisiva en el valor de la impedancia, si bien el efecto es inverso.

[EN] In recent years, the automotive industry demands efficient and environmentally friendly alternatives to replace the fibrous absorbent materials in noise control and acoustic emission devices (primarily silencers). Research has been recently conducted regarding use of micro-perforated surfaces. These surfaces are characterized by tunable acoustic impedance whose real part is relatively large (especially in the presence of mean flow) and nearly constant. Physical justification of the attenuation mechanism has been linked to the relationship between orifice size and acoustic boundary layer. As an extension of the previous philosophy, the research group of CITV has been exploring, in recent research projects, the acoustic properties of metallic surfaces fabricated by sintering. Due to the small pore size, the real part of the impedance increases considerably, even exceeding the value of the imaginary part, and maintains its independence on the frequency. In this Master's Thesis, an experimental set-up is developed and implemented for the acoustic characterization of micro-perforated and sintered surfaces. We pursued relevant acoustic properties of these surfaces, dependent on a wide range of parameters such as material type, particle size, porosity and thickness of the sample. The methodology used and the acoustic set-up extend the range of samples that can be studied. In addition to the measurements carried out with perforated surfaces, it was also possible to characterize bulk samples of various novel materials, such as aluminum metal foams and compacted vermiculite samples. The characterization is performed in the absence of mean flow by applying the transfer matrix approach for bulk samples and the so-called Selamet technique for thin surface samples (which is a simplification of the first method indicated). Microperforated plates with porosities 0.5\%, 1\% and 2\% are analyzed and, as mentioned initially, the real part of the acoustic impedance is relatively constant while the imaginary part increases with frequency. In order to increase the resistive part of the impedance, and hence the associated energy dissipation, various bronze sintered plates are obtained, manufactured in three different thicknesses, with four microsphere sizes and porosities between 30\% and 50\%. The real part of the acoustic impedance corresponding to this samples is substantially constant and the imaginary part depends weakly on frequency. It is observed that the thickness of the plate and the size of the microspheres have a decisive influence on the impedance value, although the effect is reversed

[CA] Des de fa uns anys, la indústria automotriu reclama alternatives eficients i ecològiques que substitueixin els materials absorbents fibrosos en els dispositius de control de soroll i emissions acústiques (fonamentalment silenciadors d'escapament). Recentment s'han dut a terme investigacions relacionades amb la utilització de superfícies microperforades. Aquestes es caracteritzen per una impedància acústica sintonitzable en la qual la part real és relativament gran (sobretot en presència de flux mig) i poc dependent de la freqüència. La justificació física del mecanisme d'atenuació s'ha vinculat a la relació existent entre la mida de l'orifici i la capa límit acústica. Com a extensió de la filosofia anterior, el grup de recerca del CITV ha plantejat en projectes d'investigació recents l'exploració de les característiques acústiques de superfícies metàl·liques fabricades per sinterització. A causa de la reduïda grandària de porus, la part real de la impedància augmenta considerablement, superant fins i tot el valor de la part imaginària, i manté la seva independència respecte a la freqüència. En aquest Treball Fi de Màster es desenvolupa i implementa un sistema de caracterització acústica experimental de superfícies microperforades i sinteritzades. Es persegueix l'obtenció de propietats acústiques rellevants d'aquestes superfícies, dependents d'un ampli conjunt de paràmetres, com el tipus de material, mida de partícules, porositat i gruix de la mostra. La metodologia emprada i el banc d'assajos acústics permeten estendre el ventall de mostres que es poden estudiar. Com a complement a les mesures realitzades en superfícies perforades, s'aborda també la caracterització experimental de mostres volumètriques de diversos materials nous, com escumes metàl·liques d'alumini i mostres compactades de vermiculita.

La caracterització es realitza en absència de flux mig aplicant el mètode de la matriu de transferència per a mostres volumètriques i l'anomenat mètode de Selamet per a les mostres superficials de gruix reduït (que no és més que una simplificació del primer mètode indicat). S'analitzen plaques microperforades amb porositats del 0.5\%, 1\% i 2\% i, com s'ha esmentat inicialment, s'observa una part real de la impedància acústica relativament constant i una part imaginària creixent amb la freqüència. Amb el fi d'augmentar la part resistiva de la impedància, i per tant la dissipació energètica associada, s'han obtingut diverses plaques sinteritzades de bronze, fabricades en tres gruixos diferents, amb quatre mides de microesfera i amb porositats entre el 30\% i el 50\%. Aquestes mostres presenten una part real de la impedància acústica pràcticament constant i una part imaginària que depèn, dèbilment, de la freqüència. S'observa que el gruix de la placa i la mida de les microesferes influeixen de manera decisiva en el valor de la impedància, si bé l'efecte és invers.