New devices for noise control and acoustic cloaking

Abstract

[EN] The aim of this work is to design new acoustic devices based on arrangements of scattering units. First, the use of sonic crystals as noise barriers for traffic noise control is comprehensively analyzed. Due to the limitations of the conventional structures based on rigid scatterers, the inclusion of absorbing elements is proposed. Two different types of absorbers are here considered: porous materials and microperforated plates. In the first case, the attenuation characteristics of barriers made with cylinders containing rubber crumb is analyzed. The second proposal is based on the construction of cylindrical microperforated shells. Analytical approaches modelling the behavior of the barriers have been developed in both cases. These models show a satisfactory agreement with the corresponding experimental realizations. Finally, it is performed an optimization process in order to obtain efficient sound barriers intended to attenuate traffic noise.

Another application considered in this work is the construction of cloaks to render objects acoustically invisible. In particular, cloaks made with rigid inclusions are designed to operate with airborne sound. The first proposal consists of a cloak that utilizes the temperature of the background to control the properties of the effective medium. In addition, two and three-dimensional cloaks have been developed through the scattering cancellation technique. These devices have been designed by means of an optimization procedure and their performance has been experimentally demonstrated.

[ES] El objetivo de este trabajo es el diseño de nuevos dispositivos acústicos basados en disposiciones de centros de dispersión. En primer lugar, el uso de cristales sónicos como barreras acústicas para el control de ruido de tráfico es analizado en detalle. Debido a las limitaciones que presentan las estructuras convencionales basadas en centros de dispersión rígidos, se propone la inclusión de elementos absorbentes en los mismos. Se han considerado dos tipos distintos de absorbente: materiales porosos y placas microperforadas. En el primer caso se analizan las propiedades atenuadoras de barreras formadas por cilindros que contienen granza de caucho. La segunda solución se basa en la construcción de coronas microperforadas. En ambos casos se han desarrollado modelos analíticos que permiten determinar el comportamiento de las barreras. Dichos modelos muestran un acuerdo satisfactorio con las correspondientes realizaciones experimentales. Finalmente se ha realizado un proceso de optimización con objeto de obtener barreras eficientes para la atenuación de ruido de tráfico.

Otra aplicación considerada en este trabajo es el desarrollo de dispositivos de invisibilidad acústica. Concretamente se pretenden diseñar mantos constituidos con elementos rígidos para ondas acústicas en aire. La primera propuesta consiste en un manto que utiliza la temperatura del medio externo para controlar sus propiedades efectivas. Además se han desarrollado mantos en dos y tres dimensiones a través de la técnica de cancelación de la dispersión. Los diseños han sido realizados por medio de un proceso de optimización y su funcionamiento ha sido demostrado experimentalmente.

[CA] L'objectiu d'aquest treball és el disseny de nous dispositius acústics basats en disposicions de centres de dispersió. En primer lloc, l'ús de vidres sònics com barreres acústiques per al control de soroll de trànsit és analitzat en detall. A causa de les limitacions que presenten les estructures convencionals basades en centres de dispersió rígids, es proposa la inclusió d'elements absorbents en els mateixos. S'han considerat dos tipus diferents de absorbent: materials porosos i plaques microperforades. En el primer cas s'analitzen les propietats atenuadores de barreres formades per cilindres que contenen gransa de cautxú. La segona solució es basa en la construcció de corones microperforades. En tots dos casos s'han desenvolupat models analítics que permeten determinar el comportament de les barreres. Aquests models mostren un acord satisfactori amb les corresponents realitzacions experimentals. Finalment s'ha realitzat un procés d'optimització per tal d'obtenir barreres eficients per l'atenuació de soroll de trànsit.

Una altra aplicació considerada en aquest treball és el desenvolupament de dispositius d'invisibilitat acústica. Concretament es pretenen dissenyar mantells constituïts amb elements rígids per ones acústiques en aire. La primera proposta consisteix en un mantell que utilitza la temperatura del medi extern per controlar les seves propietats efectives. A més s'han desenvolupat mantells en dues i tres dimensions a través de la tècnica de cancel·lació de la dispersió. Els dissenys han estat realitzats per mitjà d'un procés d'optimització i el seu funcionament ha estat demostrat experimentalment.