تحلیل فرکانسی فراماده آکوستیکی بر مبنای تشدیدگر هلمهولتز کوپلشده با غشا به منظور کاهش نویز در جاروبرقی
پذیرفته شده برای ارائه شفاهی
کد مقاله : 1058-ISAV2025 (R2)
نویسندگان
1دانشجوی دانشگاه صنعتی اصفهان
2استاد
3دانشگاه صنعتی اصفهان
چکیده
در این پژوهش یک ساختار تشدیدگر هلمهولتز دوگانه کوپل شده با غشا درنظر گرفته شده و تحلیل فرکانسی برای یافتن قلههای نمودار افت انتقال صوت آن انجام میشود و نحوه انتقال این فرکانسهای طبیعی به بازه فرکانسی هدف بررسی میشود. در ادامه نیاز است برای افزایش مقدار افت انتقال صوت در بازهی فرکانسی هدف بهینهسازی انجام شود. شبیهسازیها در نرمافزار COMSOL انجام شده است. با توجه به پیچیدگی موجود در ساختار مذکور ابتدا یک مدل ساده شامل یک لوله که یک تشدیدگر هلمهولتز کوپلشده با غشا در وسط آن قرار دارد را درنظر گرفته و تحلیل فرکانسی برای آن انجام میگیرد. در این بخش بازهی فرکانسی صفر تا 2000 هرتز مدنظر میباشد. در ادامه یک لایه از ساختار موردنظر که در دو سمت آن غشا میباشد درنظر گرفته شده و روند مرحله قبل تا فرکانس 2600 هرتز برای این ساختار نیز تکرار شده است. نتیجه تحلیل فرکانسی هر دو مرحله کاملاً یکسان میباشد. همانگونه که از رابطه فرکانس طبیعی تشدیدگر هلمهولتز میتوان دید حجم محفظه، یکی از پارامترهای تاثیرگذار بر این فرکانس میباشد. یافتههای این پژوهش نشان دادند که فرکانس طبیعی تشدیدگر هلمهولتز پس از کوپل شدن با غشا نیز کماکان تابع حجم هلمهولتز است. به عبارت دیگر هنگامیکه شکل مود غشا بهگونهای باشد که حجم محفظه هلمهولتز را تغییر دهد، در این مود در نمودار STL قله بوجود میآید. در بررسی مدل ساده مشاهده شد که هر سه مودی که در آنها حجم محفظه تشدیدگر هلمهولتز تغییر میکند در نمودار STL قله ایجاد میکنند. بعلاوه استفاده از تحلیل فرکانسی در مقایسه با تحلیل بر روی کل بازه فرکانسی هزینه محاسباتی کمتری در پی دارد. بررسی تجربی عملکرد جذب صوت این فراماده مربوط به گامهای بعدی میباشد که در آینده انجام خواهد شد.
کلیدواژه ها
Title
Frequency Analysis of Acoustic Metamaterial Based on Membrane-Coupled Helmholtz Resonators for Noise Reduction in Vacuum Cleaners
Authors
Reza Zolfaghari Nezhad, Saeed Ziaei-Rad, Ali Loghmani, Mohammad Hadi Fasihi Harandi
Abstract
In this research, a double Helmholtz resonator structure coupled with a membrane is considered, and frequency analysis is performed to find the peaks in its Sound Transmission Loss (STL) plot. The method of shifting these natural frequencies to the target frequency range is investigated. Subsequently, optimization is required to increase the Sound Transmission Loss (STL) value within the target frequency range. Simulations are carried out in COMSOL software.
Considering the complexity of the structure, first, a simplified model consisting of a pipe with a membrane-coupled Helmholtz resonator placed in the middle is analyzed, and a frequency analysis is performed for it. In this section, the frequency range of 0 to 2000 Hz is considered. Next, a single layer of the proposed structure, which has membranes on both sides, is considered, and the process from the previous step is repeated for this structure up to a frequency of 2600 Hz. The results of the frequency analysis for both steps are identical.
As can be seen from the natural frequency relationship of the Helmholtz resonator, the cavity volume is one of the influential parameters on this frequency. The findings of this research showed that the natural frequency of the Helmholtz resonator still follows the Helmholtz volume after coupling with the membrane. In other words, when the membrane mode shape is such that it changes the Helmholtz cavity volume, a peak appears in the STL plot at this mode.
In the simple model analysis, it was observed that all three modes in which the Helmholtz resonator cavity volume changes create a peak in the STL plot. Furthermore, using frequency analysis incurs lower computational costs compared to analysis over the entire frequency range. The experimental investigation of the sound absorption performance of this metamaterial belongs to future steps and will be conducted later.
Considering the complexity of the structure, first, a simplified model consisting of a pipe with a membrane-coupled Helmholtz resonator placed in the middle is analyzed, and a frequency analysis is performed for it. In this section, the frequency range of 0 to 2000 Hz is considered. Next, a single layer of the proposed structure, which has membranes on both sides, is considered, and the process from the previous step is repeated for this structure up to a frequency of 2600 Hz. The results of the frequency analysis for both steps are identical.
As can be seen from the natural frequency relationship of the Helmholtz resonator, the cavity volume is one of the influential parameters on this frequency. The findings of this research showed that the natural frequency of the Helmholtz resonator still follows the Helmholtz volume after coupling with the membrane. In other words, when the membrane mode shape is such that it changes the Helmholtz cavity volume, a peak appears in the STL plot at this mode.
In the simple model analysis, it was observed that all three modes in which the Helmholtz resonator cavity volume changes create a peak in the STL plot. Furthermore, using frequency analysis incurs lower computational costs compared to analysis over the entire frequency range. The experimental investigation of the sound absorption performance of this metamaterial belongs to future steps and will be conducted later.
Keywords
Helmholtz Resonator, membrane, mode shape, Cavity Volume