MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 48, ISSN 1896-771X WPŁYW PODCIŚNIENIA NA WŁAŚCIWOŚCI AKUSTYCZNE SEMIINTELIGENTNYCH STRUKTUR GRANULOWANYCH Michał Rutkowski 1, Robert Zalewski 2 1 Instytut Lotnictwa, Centrum Nowych Technologii; IPBM, Politechnika Warszawska e-mail: michal.rutkowski@ilot.edu.pl 2 Instytut Podstaw Budowy Maszym, Politechnika Warszawska e-mail: robertzalewski@wp.pl 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 mechanizmem 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]: (1) - współczynnik pochłaniania - energia pochłonięta - energia całkowita (padająca) 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. dedykowane oprogramowanie z uwzględnieniem kluczowych przekształceń: - funkcji kalibracji: (2) 1/2 (3) H - funkcja przejścia ϴ - kąt fazowy A,B oznaczenia odwrotnych konfiguracji mikrofonów. - kalibracji otrzymanych charakterystyk FRF: / (4) (5) - określenia zespolonego współczynnika odbicia:!"# $%&' (/# %&' )# *%&+,' (6) k liczba falowa (k=2* Π*f/c) L odległość od próbki do najbliższego jej mikrofonu s odległość między mikrofonami - określenia właściwej impedancji akustycznej: ρ gęstość powietrza c prędkość dźwięku -.1 /1 /01 (7) - określenia współczynnika pochłaniania dźwięku: 1 * (8) Rys.2. Schemat ideowy stanowiska pomiarowego 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 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 126
Michał Rutkowski, Robert Zalewski 73,40 g. Masa granulatu ABS, którym wypełniono próbkę, równała się 78,30 g. 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. 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.) 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 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 współczynnik pochłaniania [-] 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 0 2000 4000 6000 8000 częstotliwość [Hz] a20abs2 b20abs2 c20abs2 Średnia Rys.4. ABS, podciśnienie 0,02 MPa, współczynnik pochłaniania dźwięku w funkcji częstotliwości 127
WPŁYW PODCIŚNIENIA NA WŁAŚCIWOŚCI AKUSTYCZNE SEMIINTELIGENTNYCH współczynnik pochłaniania [-] 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 0 2000 4000 6000 8000 częstotliwość [Hz] a20abs6 b20abs6 c20abs6 Średnia Rys.5. ABS, podciśnienie 0,06 MPa, współczynnik pochłaniania dźwięku w funkcji częstotliwości współczynnik pochłaniania [-] 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0 2000 4000 6000 8000 częstotliwość [Hz] Abs 0 Abs 1 Abs 2 Abs 3 Abs 4 Abs 5 Abs 6 Abs 7 Abs 8 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 0,023 0,056 0,063 128
Michał Rutkowski, Robert Zalewski 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 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. Literatura 1. Sikora J, Turkiewicz J.: Experimental determination of sound absorbing coefficient for selected granular materials. Mechanics 2009, Vol. 28 No. 1, p. 26-30. 2. 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. 3. Zalewski R.: Analiza właściwości mechanicznych struktur utworzonych z granulatów umieszczonych w przestrzeni z podciśnieniem. Rozprawa doktorska. Warszawa: Pol. Warsz., 2005. 4. 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. 5. Zalewski R.: Constitutive model for special granular structures. Int. J. Non-Linear Mech. 2010, 45,3, p. 279-285. 6. PN-EN ISO 10534-2. 7. Weyna S.: Rozpływenergiiakustycznychźródełrzeczywistych. Warszawa: WNT, 2005. 8. 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