un bajo | Difusor de ventilación Wenzhou Co., Ltd

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 19034 (2022) Citar este artículo

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Detalles de métricas

Es un desafío aislar la transmisión de sonido en bandas de baja frecuencia sin bloquear el flujo de aire en una tubería. En este trabajo, se crea un aislador de sonido cúbico pequeño y liviano basado en una membrana para bloquear las ondas acústicas en múltiples bandas de baja frecuencia de 200 a 800 Hz en tuberías. Debido a los distintos modos de vibración de las caras tipo membrana del aislador y la acción conjunta de las ondas acústicas que se transmiten a lo largo de diferentes caminos, se logra una gran atenuación del sonido en múltiples bandas de frecuencia y la pérdida máxima de transmisión alcanza los 25 dB. Además, debido a que el aislante de sonido con un tamaño profundo de sublongitud de onda es más pequeño que el área de la sección transversal de la tubería, no bloquea la ventilación a lo largo de la tubería.

El bloqueo de la transmisión de sonido a baja frecuencia sigue siendo un desafío en acústica porque un aislante de sonido disponible a bajas frecuencias requiere un gran tamaño y/o una gran masa de acuerdo con la ley de masa bien establecida1. Aunque en la industria se han aplicado aisladores acústicos de gran tamaño2, se requiere miniaturizar los aisladores que trabajan a bajas frecuencias para ampliar los campos de aplicación. Un método alternativo se basa en el control activo del ruido3, que no necesita un aislante de sonido grande o pesado, mientras que los dispositivos complejos y costosos son inevitables. En estos años se presentaron diversas estructuras artificiales4,5,6,7,8,9,10,11 para el aislamiento acústico y exhibieron un desempeño extraordinario que no se puede obtener con materiales naturales o dispositivos acústicos tradicionales. Así, se presentaron distintos métodos para el aislamiento acústico en base a estas estructuras.

La dispersión de Bragg5 y la resonancia local7 se consideran los mecanismos de atenuación del sonido en estructuras artificiales, en las que los aislantes acústicos basados en la resonancia local son los más estudiados debido a sus pequeños bultos y estructuras variadas. Las membranas y/o placas a menudo se adoptaron en aisladores de sonido basados en resonancia porque la frecuencia de resonancia de una membrana o placa podía disminuirse fácilmente al disminuir la elasticidad y, por lo tanto, la atenuación del sonido a bajas frecuencias se lograba mediante el uso de un aislador con un volumen pequeño. y peso6,8,9.

Se presentó que una membrana o placa proporciona densidad dinámica negativa en la vecindad de la frecuencia resonante, que podría ser utilizada para bloquear la transmisión de ondas acústicas10,12,13. Además, colocar una masa adicional en una membrana cambió las frecuencias de resonancia y los modos de vibración, lo que mejoró la atenuación del sonido14,15,16,17. Así, estructuras tipo membrana y tipo placa fueron utilizadas para bloquear el sonido en espacios abiertos14,16 y en tuberías18,19,20,21,22,23,24, y exhibieron potencialidades de aplicación en HVAC (Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado). acondicionado).

Aunque se logró una gran atenuación del sonido, los aisladores de sonido con estructuras selladas no estaban disponibles en un sistema HVAC práctico porque bloquean completamente el flujo de aire a lo largo de la tubería. Así, se estudiaron aisladores con estructuras abiertas, que obstruyen las ondas acústicas y no bloquean la ventilación. Las estructuras laterales se utilizaron primero para aislar la transmisión del sonido a lo largo de una tubería para ventilación, mientras que la pared de la tubería debe abrirse cuando se establecen los aisladores de sonido25,26. Además, se instalaron múltiples resonadores Fabry-Perot plegados en la pared interior de una tubería para producir atenuación del sonido en la frecuencia resonante27. Luego, para reducir la mayor parte del aislante acústico, se adoptaron estructuras espirales28,29 y helicoidales30,31. Estos aislantes de sonido producen atenuación dentro de una banda de frecuencia estrecha ubicada en la frecuencia de resonancia de la estructura. Mientras tanto, también se desarrollaron estructuras de tipo membrana para realizar simultáneamente la atenuación del sonido y la ventilación del aire. Se utilizó una membrana con tiras adheridas para reemplazar una parte de la pared de una tubería, que produce aislamiento acústico en las frecuencias de resonancia de distintos modos32. Sobre la base de la interacción del campo resonante de cuatro membranas decoradas con el campo sonoro continuo que pasa a través de un gran orificio, se creó un filtro acústico de baja frecuencia y banda estrecha33. Luego, se obtuvo una absorción perfecta a una frecuencia inferior a 500 Hz utilizando resonancia acoplada de un resonador tipo membrana y una membrana decorada23.

Aunque el aislamiento acústico a bajas frecuencias se realizó utilizando estructuras artificiales basadas en la resonancia local, el ancho de banda de trabajo del aislante acústico era estrecho debido a la propiedad de la resonancia. La simulación numérica demostró que una caja cuboide con cara de membrana (MFCB) podría producir una gran atenuación del sonido en múltiples bandas de frecuencia en un rango de baja frecuencia34. Por lo tanto, en este trabajo, creamos un MFCB pequeño y liviano mediante impresión 3D y establecemos un aparato experimental para medir el rendimiento del aislamiento acústico del MFCB. Se muestra que el MFCB produce una gran atenuación del sonido en múltiples bandas de baja frecuencia de 200 a 800 Hz, en las que se obtienen grandes pérdidas de más de 21 dB a 211 Hz y 763 Hz. Se estudian distintos mecanismos para explicar el aislamiento acústico en la vecindad de cuatro frecuencias. El MFCB establecido en la tubería es más pequeño que el área transversal de la tubería, y diseñamos un experimento para estudiar la influencia del MFCB en el flujo de aire a lo largo de la tubería, lo que demuestra que el MFCB no bloqueará completamente la ventilación a lo largo de la tubería. tubo. Además, adoptamos una serie de MFCB para mejorar la atenuación del sonido, lo que aumenta aún más las pérdidas de transmisión y amplía las bandas de frecuencia de la atenuación del sonido.

La Figura 1a muestra el modelo y la foto de un MFCB y la Fig. 1b muestra el aparato experimental establecido para medir la atenuación del sonido producido por el MFCB. El marco del MFCB está hecho por impresión 3D y el grosor del marco es \(0.5\;{\text{cm}}\). Se considera que el marco es rígido a las ondas sonoras transportadas por el aire. Las membranas elásticas se estiran y cubren el marco, formando seis caras cuadradas de la caja y, por lo tanto, se crea un MFCB (los detalles de la fabricación de MFCB se muestran en "Métodos": "Fabricación de un MFCB"). El peso del MFCB es simplemente \({30}\;{\text{g}}\). El MFCB está sostenido en el medio de la tubería por cuatro soportes pequeños. Las longitudes de los lados del MFCB y la tubería son \({7}\;{\text{cm}}\) y \({9}\;{\text{cm}}\), respectivamente. Entonces, el MFCB no bloquea completamente la tubería.

Aparato experimental. (a) El modelo (izquierda) y la foto (derecha) de un MFCB. (b) Aparato experimental para medir la pérdida de transmisión inducida por el MFCB. La distancia entre los micrófonos adyacentes en el extremo de entrada (o extremo de salida) es \({15}\;{\text{cm}}\) \({s}_{1}={s}_{2}= 15\;\text{cm}\) y la distancia entre el micrófono 2 (o 3) al MFCB es de 45 cm \({l}_{1}={l}_{2}=45\;\text {cm}\) (la figura se crea con SOLIDWORKS 2016).

En los experimentos se adoptan dos tipos de membranas, membranas de plástico y látex, y las pérdidas de transmisión medidas utilizando el método de cuatro micrófonos35 (ver "Métodos": "Aparato experimental para medir la pérdida de transmisión") se comparan en la Fig. 2a. Se observa que los MFCB que utilizan membranas plásticas inducen una gran atenuación sonora de 20 dB a 214 Hz, mientras que se obtienen pérdidas de transmisión aproximadas de 5 dB a frecuencias de 574 Hz, 724 Hz y 949 Hz. Para el MFCB que adopta membranas de látex, se obtienen grandes pérdidas de transmisión de 21 y 25 dB a 211 Hz y 763 Hz, respectivamente, y surgen dos picos de atenuación más bajos a 502 Hz y 879 Hz. Se observa que las longitudes de onda correspondientes a la frecuencia más baja de 211 Hz de atenuación del sonido son 1,58 m, que es 22 veces la longitud lateral de la MFCB. Por lo tanto, el MFCB con el tamaño de una sublongitud de onda profunda produce un aislamiento acústico considerablemente grande a bajas frecuencias.

Pérdidas de transmisión inducidas por el MFCB y el mecanismo. ( a ) Pérdidas de transmisión medidas inducidas por los MFCB creados con dos tipos de membranas, plástico y látex. (b) Comparación entre las pérdidas de transmisión simuladas y medidas inducidas por un MFCB basado en membranas de látex. ( c ) Modos de vibración de las caras del MFCB e intensidades acústicas (flechas rojas) alrededor del MFCB obtenidas en cuatro picos de atenuación del sonido. (d) Comparación de las intensidades acústicas entre el rendimiento de un MFCB (las flechas azules y rojas indican las intensidades acústicas en y alrededor del MFCB, respectivamente) y el de una tubería HQ (la figura se crea utilizando MATLAB 2016 y COMSOL 5.5).

Los resultados experimentales demuestran que el MFCB con membranas de látex presenta un mejor desempeño en el aislamiento acústico. Por lo tanto, adoptamos las membranas de látex para crear nuestro MFCB, y los parámetros de las membranas son un módulo de Young original de \(E = 1.2 \times 10^{6} \;{\text{Pa}}\), \( {E}_{m}=2\times {10}^{10} \; \mathrm{Pa}\), una relación de Poisson de \(v = 0,40\) \({v}_{m}=0,40 \), una densidad de \(\rho = 970\;\; \text{kg}/\text{m}^{3}\) \({\rho }_{m}=970 \; \text{ kg}/\text{m}^{3}\) y un espesor de \(h = 0,08\;{\text{mm}}\) \({h}_{m}=0,08 \; \text{ mm}\). Estos parámetros se miden con un marco de prueba electromecánico de doble columna de la serie AG–X Plus.

Cuando la membrana se estira y pega en el marco de la MFCB, es un desafío obtener tensiones previas totalmente idénticas e incluso en toda la membrana y en diferentes direcciones (la membrana se ubica en el plano X-Y y Z es la dirección normal) y las tensiones previas en distintas direcciones no se pueden medir con precisión. Por lo tanto, la pérdida de transmisión simulada inducida por el MFCB sobre la base de las tensiones previas en una membrana estirada se desvía del resultado medido (consulte la parte 3 de los Materiales complementarios para obtener más detalles). Por lo tanto, para evaluar con precisión el rendimiento del MFCB, medimos directamente el módulo de Young equivalente36 \(E_{eff}\) de la cara usando un método alternativo (ver "Métodos": "Medición del módulo de Young equivalente de la cara del MFCB "). Así, en el cálculo teórico y la simulación, adoptamos el módulo de Young equivalente medido de \(E_{eff} = 4,9 \times 10^{10} \;{\text{Pa}}\). Además, la pérdida mecánica en la membrana está indicada por la relación \(\eta_{s}\) de la parte imaginaria a la parte real del módulo de Young, que se mide como \(\eta_{s} = 0,011\ ).

Para estudiar los mecanismos del aislamiento acústico en múltiples bandas de frecuencia, simulamos el rendimiento del MFCB basado en membranas de látex utilizando el software COMSOL. Como se muestra en la Fig. 2b, la pérdida de transmisión simulada presenta cuatro picos a 210 Hz (A), 488 Hz (B), 756 Hz (C) y 936 Hz (D). Además, la Fig. 2c muestra los modos de vibración de las seis caras del MFCB y las intensidades acústicas (flechas rojas) alrededor del MFCB, lo que demuestra que las pérdidas de transmisión en múltiples bandas de frecuencia son inducidas por distintos modos de vibración del MFCB. Se observa que las vibraciones de las seis caras están determinadas por la simetría del MFCB. Cuando el MFCB se establece en una tubería, exhibe simetría rotacional a lo largo de la dirección de propagación del sonido (eje x). Rotar el MFCB por \({\pi/{2}}\) no cambia el rendimiento y los campos acústicos en la tubería. Así, los modos de vibración de las cuatro caras laterales paralelas a la dirección de transmisión (eje x) de las ondas acústicas son idénticos. Mientras tanto, los modos de vibración de las caras delantera y trasera (caras normales) perpendiculares al eje x deben satisfacer la simetría rotacional \({\pi/{2}}\). Por lo tanto, la vibración de las caras normales se parece al monopolo, mientras que un modo bipolar no se puede excitar.

Como se muestra en la Fig. 2c, en el primer pico A de atenuación del sonido, ambas caras normales vibran en el modo fundamental de una membrana cuadrada, mientras que las cuatro caras laterales vibran marginalmente. Además, las intensidades acústicas dentro y alrededor del MFCB forman un bucle cerrado y, por lo tanto, la mayor parte de la energía del sonido queda atrapada dentro o alrededor del MFCB y no puede transmitirse a lo largo de la tubería. Este mecanismo se parece al de una tubería Herschel-Quicke (HQ), en la que la atenuación del sonido es inducida por la acción conjunta de las ondas acústicas que se transmiten a lo largo de dos caminos. La analogía del MFCB con una tubería HQ se muestra en la Fig. 2d, en la que se demuestran campos similares de intensidades acústicas en ambas estructuras.

Estaba bien establecido que una tubería HQ produce grandes pérdidas de transmisión en dos series de frecuencias determinadas por37:

donde \(k\) es el número de onda, \(L_{M}\) y \(L_{S}\) son las longitudes de la tubería principal y el bucle lateral, respectivamente. \(S_{M}\) y \(S_{S}\) son las áreas transversales de la tubería principal y el bucle lateral, respectivamente. Luego, las frecuencias de atenuación del sonido se expresan como \(k(L_{M} - L_{S} ) = \left( {2n - 1} \right)\pi\) y \(k(L_{M} + L_ {S} ) = 2n\pi\), donde \(n\) es un número entero. De acuerdo con la analogía en la Fig. 2d, una caja con una longitud lateral de \(a = 7\;{\text{cm}}\) se considera aproximadamente como una tubería HQ con \(L_{M} = 7\ ;{\text{cm}}\) y \(L_{S} = 14\;{\text{cm}}\). Sin embargo, de acuerdo con el mecanismo de una tubería HQ tradicional, el MFCB no puede crear atenuación a una frecuencia baja de 210 Hz. Se estableció que la atenuación del sonido inducida por un tubo HQ tradicional se origina de la interacción de dos ondas acústicas con diferentes fases luego de que se transmiten a lo largo de dos caminos. Mientras está en el MFCB, ambas caras normales inducen cambios de fase adicionales en las ondas acústicas que viajan a través de la caja y, por lo tanto, la ecuación que determina las frecuencias de atenuación del sonido se reescribe para ser:

donde \(Z_{n} = {{S_{S} Z_{MA} }/{\rho_{0} }}c_{0}\) es la impedancia acústica normalizada de la membrana, con \(\rho_{ 0}\) y \(c_{0}\) como la densidad y la velocidad acústica del aire (consulte la parte 1 de los Materiales complementarios para una derivación detallada). La impedancia \(Z_{MA}\) de la membrana se puede calcular mediante \(Z_{MA} = j\omega M_{MA} + {1/{j\omega C_{MA} }}\), en la que \(M_{MA} = 2,06{{\rho h}/{a^{2} }}\) y \(C_{MA} = 3,73 \times 10^{ - 4} {{a^{6} } /D}\), con \(D = {{E_{eff} h^{3} }/{12(1 - \nu^{2} )}}\)10,38. Entonces, de la Ec. (2), podemos obtener dos soluciones de 204 Hz y 219 Hz. Se observa que ambas frecuencias se ubican cerca una de la otra y dan como resultado el pico A con una gran atenuación del sonido a 210 Hz. Por lo tanto, debido a los cambios de fase adicionales inducidos por \(Z_{n}\), el pequeño MFCB con la longitud lateral \(a = 7\;{\text{cm}}\) puede producir una gran atenuación de sonido dentro de un rango bajo. banda de frecuencia. Para una tubería HQ tradicional, la atenuación del sonido a una frecuencia baja de 210 Hz no se puede lograr con el mismo tamaño. Además, la frecuencia de resonancia fundamental de la membrana se calcula en 211 Hz, que se ubica cerca de las soluciones de la ecuación. (2), 204 Hz y 219 Hz. Así, se demuestra que las membranas dominan en la atenuación sonora del pico A.

En la Fig. 2c, se observa que el segundo pico B de atenuación del sonido está relacionado con la resonancia de las cuatro caras laterales del MFCB y, por lo tanto, se obtiene un pico B bajo debido a las débiles influencias de las caras laterales en la transmisión del sonido. Las frecuencias de resonancia de las caras cuadradas se pueden expresar mediante \(\omega a^{2} \sqrt {{\rho/D}} = \lambda\)39, donde \(\omega\) es la frecuencia circular y \ (\lambda\) es una constante. Se puede calcular que la frecuencia del segundo modo resonante es de 429 Hz con \(\lambda = 73,42\)39, que está cerca de la frecuencia de 488 Hz del pico B. Como se muestra en la Fig. 2c, el pico de atenuación del sonido C situada a 756 Hz está relacionada con la resonancia del mismo modo en las seis caras del MFCB, mientras que la vibración en las caras normales es mucho más intensa que en las caras laterales. La frecuencia de resonancia de este modo se calcula en 777 Hz con \(\lambda = 132,18\)39. Para los picos A y C, surge una resonancia intensa en las caras normales, lo que da como resultado una gran atenuación del sonido. Para el pico D, el modo de vibración de ambas caras normales difiere del de las cuatro caras laterales y, por lo tanto, el pico D es inducido por hibridación de diferentes modos resonantes.

Las diferencias entre las pérdidas de transmisión simuladas y medidas en la Fig. 2b se relacionan principalmente con tres factores. Primero, en el experimento, el MFCB está sostenido por cuatro pequeños soportes, que influyen en la simetría en las cuatro caras laterales. En segundo lugar, la tensión en toda la membrana ni siquiera está en las direcciones X e Y cuando se estira con las manos. Finalmente, las seis caras de un MFCB no son totalmente idénticas porque es un desafío ejercer tensiones de manera uniforme e idéntica en las seis caras de un MFCB. Como se muestra en la Fig. 2b, los picos B y D medidos se derivan de los simulados. Se puede observar en la Fig. 2c, para los picos B y D, las cuatro caras laterales exhiben un modo de vibración similar y, por lo tanto, las caras laterales asimétricas dan como resultado una desviación de los picos de atenuación del sonido.

Aunque un MFCB puede producir atenuación del sonido en varias bandas de frecuencia, estas bandas de frecuencia son estrechas porque están relacionadas con la resonancia de las caras del MFCB. Luego, usamos múltiples MFCB para mejorar el aislamiento acústico y expandir las bandas de frecuencia.

Como se muestra en la Fig. 3a, se establecen múltiples MFCB a lo largo de una tubería. Siempre que los parámetros de estos MFCB sean idénticos, la cadena de MFCB se considera un cristal fonónico. La figura 3b muestra la dispersión de la estructura periódica con una constante de red de \(d = 15\;{\text{cm}}\), en la que los parámetros de cada MFCB son los mismos que los utilizados en los experimentos. En la Fig. 3b se observa una banda prohibida de 820 a 920 Hz, que es inducida por la dispersión de Bragg. Adicionalmente, se puede observar que surgen cuatro bandas planas por debajo de 1 kHz, las cuales están de acuerdo con los cuatro picos de atenuación del sonido. Se demostró que estas bandas planas están relacionadas con la resonancia local40, lo que es consistente con los mecanismos de los picos de aislamiento acústico. La pérdida de transmisión inducida por los cinco MFCB establecidos periódicamente se muestra en la Fig. 3c, que muestra que las frecuencias de atenuación del sonido son las mismas que las obtenidas con un solo MFCB. Debido a la superposición del rendimiento de múltiples MFCB, los picos son mucho más altos que los que se muestran en la Fig. 2b. Sin embargo, los anchos de estos picos no se amplían excepto por una banda prohibida inducida por la dispersión de Bragg.

Rendimiento de múltiples MFCB. (a) Una cadena de MFCB establecida en una tubería. (b) La dispersión de una estructura periódica que consta de una cadena de MFCB. La constante de red es \(d = 15\;{\text{cm}}\) y los modii de Young equivalentes de los MFCB son idénticos, que son \(E = 4,9 \times 10^{10} \;{\text {Pensilvania}}\). ( c ) Pérdidas de transmisión simuladas inducidas por una cadena de cinco MFCB con parámetros idénticos. ( d ) Pérdidas de transmisión simuladas inducidas por tres MFCB con diferentes módulos de Young. (e) Comparación entre pérdidas de transmisión simuladas y medidas inducidas por tres MFCB con diferentes modii de Young de \(E_{1} = 6.1 \times 10^{10} \;{\text{Pa}}\), \(E_{ 2} = 7,1 \times 10^{10} \;{\text{Pa}}\) y \(E_{3} = 8,9 \times 10^{10} \;{\text{Pa}}\) ( la figura se crea usando MATLAB 2016 y COMSOL 5.5).

Para expandir las bandas de frecuencia de atenuación del sonido, ajustamos los parámetros de cada MFCB en la cuerda. Las bandas de frecuencia de atenuación del sonido se pueden cambiar ajustando los parámetros de las membranas en un MFCB (consulte la parte 2 de los Materiales complementarios). La pérdida de transmisión obtenida con tres MFCB se muestra en la Fig. 3d, en la que los modii de Young de las caras en cada MFCB se cambian para ser \(E_{1} = 4 \times 10^{10} \;{\text{Pa }}\), \(E_{2} = 5 \times 10^{10} \;{\text{Pa}}\) y \(E_{3} = 6 \times 10^{10} \;{ \text{Pa}}\). En este caso, la cadena de MFCB no puede considerarse una estructura periódica. En la Fig. 3d, se observa que la pérdida de transmisión es una superposición de la atenuación del sonido inducida por cada MFCB en la cadena. De este modo, se amplían los picos con altas pérdidas de transmisión y, además, aumentan las pérdidas de transmisión dentro de estas bandas. Para evaluar el rendimiento de múltiples MFCB, medimos la pérdida de transmisión obtenida con tres MFCB y la comparamos con el resultado simulado en la Fig. 3e. Se muestra que los picos de atenuación del sonido medidos en el rango de baja frecuencia entre 210 y 290 Hz concuerdan bien con los simulados. Si bien los picos a altas frecuencias difieren de los resultados simulados porque es un desafío ejercer de manera precisa y uniforme tensiones previas idénticas en las caras de los tres MFCB utilizados en los experimentos. En comparación con el rendimiento de un MFCB, la atenuación del sonido mejora considerablemente gracias a la acción conjunta de varios MFCB, y se logra un aislamiento acústico de banda ancha con mayores pérdidas de transmisión.

Finalmente, estudiamos el desempeño de nuestro MFCB en un flujo de aire. Primero, establecemos un aparato experimental que se muestra en la Fig. 4a para evaluar la influencia del MFCB en la ventilación a lo largo de una tubería. Se usa un compresor de aire para generar un flujo de aire constante en la entrada de la tubería y la caída de presión \(\Delta P\) inducida por el MFCB se mide con un barómetro. Los resultados se muestran en la Fig. 4b. Se observa que la caída de presión \(\Delta P\) aumenta con la velocidad del flujo de aire de entrada \(u_{0}\), lo cual está en buen acuerdo con el resultado simulado obtenido usando el módulo de flujo turbulento en COMSOL. Además, se estableció que la caída de presión que ejerce la discontinuidad en una tubería se puede expresar mediante la siguiente ecuación41:

Influencias de un flujo de aire. (a) Aparato experimental para evaluar la influencia del MFCB en la ventilación a lo largo de una tubería. (b) Comparación de los resultados medidos y simulados de la caída de presión inducida por un MFCB con diferentes velocidades de flujo de aire de entrada. (c) Aparato experimental para medir la pérdida de transmisión inducida por un MFCB bajo un flujo de aire. (d) Pérdidas de transmisión medidas con y sin flujo de aire (la cifra se crea utilizando SOLIDWORKS 2016, MATLAB 2016 y COMSOL 5.5).

donde \(K_{e}\) es un coeficiente adimensional. Se observa en la Fig. 4b que \(\Delta P\) está relacionado cuadráticamente con \(u_{0}\), lo cual es consistente con la Eq. (3). Entonces, en nuestro experimento, podemos obtener el coeficiente \(K_{e} = 2.02\) ajustando la curva simulada que se muestra en la Fig. 4b.

Además, estudiamos la influencia de un flujo de aire en el aislamiento acústico inducido por el MFCB. La figura 4c muestra el aparato experimental y la figura 4d indica las pérdidas de transmisión obtenidas con y sin flujo de aire. Se puede observar que las frecuencias de los picos de atenuación del sonido no se desplazan por el flujo de aire, mientras que bajo un flujo de aire surgen valles en la pérdida de transmisión, lo que demuestra que el MFCB induce un ruido adicional. El ruido se produce por la vibración de la luz MFCB excitada por el flujo de aire. Se muestra que bajo una velocidad de flujo de \(4.8\;{\text{m/s}}\) medida en la entrada de la tubería, el MFCB induce ruido adicional, que es de 6.86 dB a 263 Hz y 1.91 dB a 562 Hz. En comparación con el aislamiento acústico, el ruido inducido es mucho menor y aceptable en un sistema HVAC para residencia.

En resumen, presentamos una estructura de MFCB para bloquear la transmisión de sonido a lo largo de una tubería. Debido a la interacción de dos ondas acústicas que se transmiten a lo largo de dos caminos y los distintos modos de vibración de las caras tipo membrana del MFCB, se logra una gran atenuación del sonido en múltiples bandas de frecuencia entre 200 y 800 Hz. En comparación con la longitud de onda de la onda acústica, el MFCB posee un tamaño de sublongitud de onda profunda. Además, el MFCB es más pequeño que el área de la sección transversal de la tubería, lo que no bloquea completamente el flujo de aire a lo largo de la tubería. Además, al colocar una cadena de MFCB en la tubería, las bandas de frecuencia de atenuación del sonido se expanden y las pérdidas de transmisión aumentan aún más. Por lo tanto, el MFCB exhibe una aplicación potencial en el aislamiento acústico en tuberías como sistemas HVAC.

El marco del MFCB está hecho por impresión 3D y el grosor del marco es \({0}{\text{.5}}\;{\text{cm}}\). El marco se considera rígido a las ondas de sonido en el aire. Se utilizan membranas cuadradas con una longitud lateral de 8 cm para fabricar las caras de nuestros MFCB. Primero, aplicamos pegamento al marco de un MFCB para fijar la membrana. Luego ejercemos una tensión de \(N = {2}0\;{\text{N/m}}\) en las direcciones X e Y de la membrana (la dirección Z es la dirección normal) y la pegamos en el marco de la MFCB. Finalmente, cortamos el margen de la membrana. Al repetir el proceso, establecemos las membranas en seis caras del marco y creamos un MFCB.

Se aplica el método de cuatro micrófonos35 para medir la atenuación del sonido inducida por el MFCB. En este trabajo estudiamos la atenuación del sonido inducida por el MFCB en un rango de baja frecuencia por debajo de 1 kHz. La distancia entre ambos micrófonos (1, 2) en el extremo de entrada [o extremo de salida (3,4)] se establece en 15 cm, lo que da como resultado una frecuencia crítica de 1,1 kHz. En este caso, la frecuencia crítica del método de los cuatro micrófonos no está cubierta en el rango de frecuencias de los experimentos, de 100 Hz a 1 kHz. Además, los datos registrados de 50 s se dividen en 50 grupos y los datos se promedian para reducir la influencia del ruido aleatorio.

Rociamos uniformemente polvo con una masa de \(M{ = }20\;{\text{g}}\) sobre la membrana y medimos la deformación promedio \(\Delta x_{avg} \approx 1.44 \times 10^{ - 4} \;{\text{m}}\) de la membrana con un telémetro láser. Luego, podemos calcular la rigidez de la membrana como \(K \approx 1.36 \times 10^{3} \;{\text{N/m}}\). De acuerdo con las relaciones de la siguiente manera: \(C_{a} = {{S_{M}^{2} } / K}\), \(C_{a} = 3.73 \times 10^{ - 4} {{a ^{6} } /D}\) y \(D = {{E_{eff} h^{3} } /{12(1 - \nu^{2} )}}\)10,38, donde \ (a\) y \(S_{M}\) son la longitud lateral y el área de la cara de un MFCB, podemos calcular el módulo de Young equivalente \(E_{eff} = 4.9 \times 10^{10} \; {\text{Pa}}\) de la cara MFCB, que se adopta en el cálculo teórico y la simulación. Además, la pérdida mecánica de la membrana se indica mediante la relación \(\eta_{s}\) de la parte imaginaria a la parte real del módulo de Young, que se mide como \(\eta_{s} = 0,011\) sobre la base de la norma nacional china GB/T 18258-2000 "Materiales de amortiguación: método de prueba para las propiedades de amortiguación". Luego, el módulo de interacción Acoustic-Shell en COMSOL se usa para simular el rendimiento del MFCB.

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Este trabajo cuenta con el apoyo del Proyecto Nacional de Investigación y Desarrollo Clave de China, No. 2020YFA0211400, Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, No. 12274218 y 11774169; Fundación de Ciencias Naturales de la Provincia de Anhui, No. 1908085QA39.

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Jin-yu Zhao

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hui zhang

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ZZ realizó los experimentos y creó las figuras. ZZ y LF contribuyeron a la redacción. LF contribuido al modelo teórico y el análisis. ZZ y WA contribuyeron a la simulación numérica. LF concibió y dirigió el proyecto. ZZ, LF, SZ, LC, XX, JZ y HZ contribuyeron a la revisión.

Correspondencia a Li Fan o Shu-yi Zhang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Recibido: 18 Agosto 2021

Aceptado: 29 de septiembre de 2022

Publicado: 08 noviembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-21673-8

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