توصيفگر ها :
افت انتقال صوت , فراماده صوتي غشايي , عايق صوت , بهينهسازي , نويز پمپ , لوله امپدانس
چكيده فارسي :
امروزه كنترل و كاهش نويز در لوازم خانگي يكي از چالشهاي مهم در ارتقاي كيفيت زندگي و افزايش رضايت كاربران به شمار ميرود. فرامواد صوتي غشايي قادرند در ضخامتها و چگاليهاي كم خصوصاً در فركانسهاي پايين عايق صوت خوبي باشند. در اين پژوهش، طراحي، شبيهسازي و ساخت يك فراماده صوتي غشايي بهمنظور استفاده در كاهش نويز لوازم خانگي، بهويژه پمپ ماشين لباسشويي موردبررسي قرار گرفته است. ابتدا با مرور پيشينه تحقيق و بررسي انواع فرامواد غشايي، سازوكار عملكرد آنها تحليل شد. سپس يك فراماده غشايي دولايه مدل شد كه در هر لايه شامل يك غشا و قاب نگهدارنده بود. مدل طراحيشده در نرمافزار اجزاي محدود كامسول شبيهسازي و رفتار آن در بازه فركانسي 100 تا 1750 هرتز بررسي شد. براي صحتسنجي شبيهسازي، نتايج آن با پژوهشهاي قبلي مقايسه شد كه بين نتايج پژوهش و شبيهسازي تطابق خوبي وجود داشت. در گام بعدي تأثير پارامترهاي مختلف هندسي و مكانيكي بر ميزان افت انتقال صوت مطالعه شد. اين پارامترها شامل چگالي، ضخامت و كشش غشا، طول ضلع غشاي لايههاي ريز و درشت و ارتفاع هر لايه ميشد. در ادامه بهمنظور شخصيسازي فراماده غشايي دولايه براي پاسخگويي به هدف پژوهش حاضر، فراماده براي بهينهسازي آماده شد. پس از بحث و بررسي پيرامون تأثير پارامترها در ميزان افت انتقال صوت و به كمك مطالعه پارامتري انجامشده، بعضي از پارامترها از فرايند بهينهسازي كنار گذاشته شده و برخي با مشخص شدن بازه مجاز انتخاب، وارد فرايند بهينهسازي شدند. بازه مجاز انتخاب براي هر پارامتر با توجه به دلايل نظري يا محدوديتهاي ساختي مشخص شد. همچنين يك ساختار جديد كه بر روي غشاي لايه درشتتر آن يك جرم اضافي قرار گرفته بود نيز بهصورت جداگانه مورد بهينهسازي قرار گرفت. پس از مشخص شدن خروجيهاي فرايند بهينهسازي و بهمنظور تأييد صحت مدل عددي، نمونههاي آزمايشگاهي از فراماده طراحيشده، ساخته شد. براي اين منظور از غشاهاي پليمري نازك به همراه قابهاي سبك چاپ سهبعدي استفاده گرديد و ميزان كشش غشا با سازوكار وزنه و گيره تنظيم شد تا بتوان فركانسهاي تشديد دلخواه را به دست آورد. آزمونهاي تجربي با استفاده از لوله امپدانس و تجهيزات جمعآوري داده انجام گرفت و دادهها با نتايج شبيهسازي مقايسه شدند. روند كلي نمودارهاي تجربي از تطابق خوبي با نتايج شبيهسازي برخوردار بود. همچنين مكان درهها و قلههاي نتايج تجربي و شبيهسازي به يكديگر نزديك بود. يافتههاي حاصل نشان داد كه فراماده صوتي غشايي ساختهشده توانست بهطور ميانگين بيشتر از 60 دسيبل كاهش انتقال صوت در بازههاي فركانسي هدف ايجاد كند. علاوه بر اين، ساختار پيشنهادي در تمام بازه مورد مطالعه از قانون جرم بهتر عمل كرده و مانند يك عايق پهنباند رفتار كرد. اين نتيجه بيانگر آن است كه ميتوان با استفاده از اين نوع ساختارها، بدون افزايش وزن و ضخامت عايق، آلودگي صوتي سيستم را تا حد زيادي كاهش داد. از ديگر مزاياي طرح پيشنهادي، امكان تنظيم درهها و قلههاي نمودار ميزان افت انتقال صوت با تغيير كشش غشا و ابعاد قاب است كه انعطافپذيري بالايي را در كاربردهاي صنعتي فراهم ميكند. اين پژوهش نشان داد كه فرامواد صوتي غشايي ميتوانند بهعنوان جايگزيني سبك، كمحجم و كارا براي مواد جاذب سنتي مطرح شوند و افقهاي جديدي را در طراحي آكوستيكي باز كنند.
چكيده انگليسي :
Controlling and reducing noise in household appliances is a major challenge in improving quality of life and user satisfaction. Membrane acoustic metamaterials are capable of providing effective sound insulation in low-frequency ranges while maintaining low thickness and density. In this study, the design, simulation, and fabrication of a double-layer membrane acoustic metamaterial were investigated for application in household noise reduction, with a particular focus on washing machine pumps. After reviewing the literature and analyzing the operating mechanisms of membrane metamaterials, a double-layer structure—each layer consisting of a membrane and a supporting frame—was modeled. The designed model was simulated in the COMSOL finite element environment and its behavior was examined over the 100–1750 Hz frequency range. To validate the numerical model, simulation results were compared with previous studies, showing excellent agreement. Next, the influence of key geometric and mechanical parameters—including membrane density, thickness, tension, side length of coarse and fine layers, and layer height—on sound transmission loss was systematically investigated. Based on a parametric study, optimization was performed by selecting the most effective parameters within their practical and theoretical limits, while less influential variables were excluded. An alternative configuration incorporating an additional mass on the coarse membrane was also optimized separately. Following optimization, experimental samples of the proposed metamaterial were fabricated using thin polymer membranes and lightweight 3D-printed frames. Membrane tension was adjusted with a weight–clamp mechanism to achieve desired resonance frequencies. Experimental transmission-loss tests were conducted using an impedance tube and data acquisition system, and the results showed close agreement with simulations, with matching locations of valleys and peaks in the frequency response. The fabricated metamaterial achieved an average transmission loss exceeding 60 dB within the target frequency bands and consistently outperformed the classical mass-law prediction, exhibiting broadband sound insulation behavior. These findings demonstrate that such lightweight, compact structures can significantly reduce acoustic noise without increasing insulation weight or thickness. Moreover, the ability to tune the positions of peaks and valleys in the transmission-loss spectrum by adjusting membrane tension and frame dimensions provides high flexibility for industrial applications. This study confirms that membrane acoustic metamaterials can serve as efficient, lightweight alternatives to conventional absorptive materials and open new avenues for advanced acoustic design.
