Математичне моделювання та віртуальне проектування метаматеріалів для зниження шуму та вібрації у побудованих конструкціях
Анотація
Шум і вібрація є поширеними проблемами в побудованих конструкціях, впливаючи на структурну цілісність, ефективність роботи та благополуччя мешканців. Ці проблеми особливо виражені в міських і промислових умовах, де традиційні матеріали часто не можуть забезпечити ефективне пом’якшення в широкому діапазоні відповідних частот. Ця стаття представляє інтегроване математичне моделювання та структуру віртуального проектування для розробки передових метаматеріалів, спрямованих на зменшення шуму та вібрації в таких складних структурах. Цей підхід поєднує аналіз методом скінченних елементів, аналіз динамічної енергії та алгоритми оптимізації для розробки метаматеріалів із частотно-селективними властивостями, які створюють цілеспрямовані бар’єри для акустичних і вібраційних збурень. Дослідження не тільки розробляє систематичну методологію для проектування цих метаматеріалів, але й підтверджує їхню ефективність за допомогою комплексного моделювання та порівняльного аналізу з усталеними рішеннями. Результати підкреслюють переваги запропонованих метаматеріалів з точки зору адаптивності, ефективності та надійності в різних умовах експлуатації. Аналіз чутливості та порівняльні оцінки додатково підкреслюють перевагу структури у вирішенні проблем, що залежать від частоти, пропонуючи значні покращення порівняно зі звичайними матеріалами. Унікальним аспектом цього дослідження є використання природних метаматеріалів (ПМ) як стійкої альтернативи для пом’якшення коливань ґрунту. Дослідження розглядає потенціал ПМ для різноманітних функціональних можливостей, зокрема для послаблення вібрації ґрунту в міських умовах. Ці висновки підкреслюють універсальність та екологічність природних матеріалів, забезпечуючи дорожню карту для їх розробки та застосування для досягнення чистого та тихого середовища. Таким чином, запропонована структура поєднує теоретичні досягнення з практичним застосуванням, прокладаючи шлях до стійких рішень для проблем шуму та вібрації у побудованих конструкціях.Завантаження
Посилання
N. M. Abusag, D. J. Chappell. On sparse reconstructions in near-field acoustic holography using the method of superposition. Journal of Computational Acoustics. - 2016. - Vol. 24. - No. 03. - p.1650009. DOI: https://doi.org/10.1142/S0218396X16500090
Q. Aumann, M. Miksch, G. Muller. Parametric model order reduction for acoustic metamaterials based on local thickness variations. Journal of Physics: Conference Series. - 2019 - No. 1264. - P. 1-11. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1264/1/012014
J. Bajars, D. Chappell, N. Sondergaard, G. Tanner, Computing high-frequency wave energy distributions in two and three dimensions using discrete flow mapping. Proceedings of the 22nd International Congress on Sound and Vibration (ICSV22) - 2015.
J. Bajars, D.J. Chappell, Modelling uncertainties in phase-space boundary integral models of ray propagation, Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation. - 2020. - Vol. 80. - 104973. - P. 1-19. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cnsns.2019.104973
M. Bopp, A. Albers. Vibroacoustic metamaterials as add-on solution for noise reduction in existing housing structures. In INTER-NOISE and NOISE-CON Congress and Conference Proceedings Institute of Noise Control Engineering. - 2023. - Vol. 265. - P. 4420-4430. DOI: https://doi.org/10.3397/IN_2022_0632
F. Cavaliere, S. Zlotnik, R. Sevilla, X. Larrayoz, P. Diez, Nonintrusive parametric nvh study of a vehicle body structure. Mechanics Based Design of Structures and Machines. - 2022. - Vol. 51. - P. 6557-6582. DOI: https://doi.org/10.1080/15397734.2022.2098140
G. Cerniauskas, H. Sadia, P. Alam. Machine intelligence in metamaterials design: a review. Oxford Open Materials Science. - 2024. Vol. 4. No. 1. - P. 1-30. DOI: https://doi.org/10.1093/oxfmat/itae001
W. Chai, M. Feng. Vibration control of super tall buildings subjected to wind loads. International Journal of Non-linear Mechanics. - 1997. - Vol. 32. - P. 657-668.
D. Chappell, M. Abusag. The method of superposition for near-field acoustic holography in a semi-anechoic chamber. Integral Methods in Science and Engineering: Practical Applications. - 2017. - Vol. 2. - P. 21-29. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-59387-6_3
D. Chappell, J.J. Crofts, M. Richter, G. Tanner. A direction preserving discretization for computing phase-space densities. SIAM Journal on Scientific Computing. - 2021. - Vol. 43, No. 4. - P. B884-B906. DOI: https://doi.org/10.1137/20M1352041
D. Chappell, P. Harris, D. Henwood, R. Chakrabarti. A stable boundary element method for modeling transient acoustic radiation. The Journal of the Acoustical Society of America. - 2006. - Vol. 120, No. 1. - P. 74-80. DOI: https://doi.org/10.1121/1.2202909
D.J. Chappell, N. Sondergaard, G. Tanner. Discrete flow mapping for interior acoustic modelling. Chaos: Royal Society of London Proceedings Series. - 2013. - Vol. A, No. 469. - P. 1-14. DOI: https://doi.org/10.1098/rspa.2013.0153
D.J. Chappell, G. Tanner. A boundary integral formalism for stochastic ray tracing in billiards. Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science. - 2014. - Vol. 24, No. 4. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4903064
D.J. Chappell, G. Tanner. Uncertainty quantification for phase-space boundary integral models of ray propagation. Wave Motion. - 2019. - Vol. 87. - P. 151-165. DOI: https://doi.org/10.1016/j.wavemoti.2018.08.010
J. Du, N. Olhoff. Minimization of sound radiation from vibrating bi-material structures using topology optimization. Structural and Multidisciplinary Optimization. - 2007. - Vol. 33. - P. 305-321.DOI: https://doi.org/10.1007/s00158-006-0088-9
T. Dutton, D. Chappell, D. Smith. Wave and finite element modelling of automotive joints including lightweight composites. PROCEEDINGS OF ISMA2020 AND USD2020. -- 2020.
B. Fang, A. Kelkar, S. Joshi, H. Pota. Modelling, system identification, and control of acoustic structure dynamics in 3-d enclosures. Control Engineering Practice. - 2004. - Vol. 12. - P. 989-1004.
Z. Fang, J. Zhan. Deep physical informed neural networks for metamaterial design. IEEE Access. - 2019. - Vol. 8. - P. 24506-24513. DOI: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2963375
U. Gabbert, J. Lefevre, T. Nestorovi, S. Ringwelski. Analysis and design of smart structures to control vibration and noise. International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference. - 2007. - Vol. 48027. - P. 49-56.
T. Hartmann, S. Morita, G. Tanner, D.J. Chappell. High-frequency structure-and air-borne sound transmission for a tractor model using dynamical energy analysis. Wave Motion. - 2019. - Vol. 87. - P. 132-150. DOI: https://doi.org/10.1016/j.wavemoti.2018.09.012
R. Hedayati, S.P. Lakshmanan. Active acoustic metamaterial based on helmholtz resonators to absorb broadband low-frequency noise. Materials. - 2024. - Vol. 17, No. 4. - P. 962. DOI: https://doi.org/10.3390/ma17040962
M. Ichchou, A.A. Kacem. Reduced models for elastoacoustic problems with intelligent interfaces. Journal of the Acoustical Society of America. - 2008. - Vol. 123. - P. 3573-3573. DOI: https://doi.org/10.1121/1.2934653
J. Ji, Q. Luo, K. Ye. Vibration control based metamaterials and origami structures: A state-of-the-art review. Mechanical Systems and Signal Processing. - 2021. - Vol. 161. - P. 107945. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2021.107945
A. Keane. Passive vibration control via unusual geometries: the application of genetic algorithm optimization to structural design. Journal of Sound and Vibration. - 1995. - Vol. 185. - P. 441-453. DOI: https://doi.org/10.1006/jsvi.1995.0391
S. Khot, N.P. Yelve, R. Nair. Simulation study of active vibration control of cantilever beam by using state and output feedback control laws. ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition. - 2013. - Vol. 56253. - P. V04BT04A055.
S. Khot, N.P. Yelve, R. Tomar, S. Desai, S. Vittal. Active vibration control of cantilever beam by using pid based output feedback controller. Journal of Vibration and Control. - 2012. - Vol. 18. - P. 366-372. DOI: https://doi.org/10.1177/1077546311406307
R. Martin. A numerical simulation of neural fields on curved geometries. Journal of computational neuroscience. -- 2018. - Vol. 45. - P. 133-145. DOI: https://doi.org/10.1007/s10827-018-0697-5
F. Mittermeier, J. Schauer, M. Miksch, G. M?ller. Numerical investigation of the potential of tailored inclusions as noise reduction measures. Journal of Physics: Conference Series. - 2019. - Vol. 1264. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1264/1/012013
N. Mohammed, S. Creagh, G. Tanner, D. Chappell. Tunnelling corrections to wave transmissions on shell structures. 28th Proc. Int. Conf. on Noise and Vibration Engineering ISMA. - 2018. - P. 2349-2362.
L. Nash, D. Kleckner, A. Read, V. Vitelli, A. Turner, W. Irvine. Topological mechanics of gyroscopic metamaterials. Proceedings of the National Academy of Sciences. - 2015. - Vol. 112. - P. 14495-14500. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1507413112
R. Ohayon, C. Soize. Structural acoustics and vibration. The Journal of the Acoustical Society of America. - 2001. - Vol. 109. - P. 2545-2546. DOI: https://doi.org/10.1121/1.1352086
A.S. Qahtan, J. Huang, M. Amran, D.N. Qader, R. Fediuk, A.D. Wael. Seismic composite metamaterial: a review. Journal of Composites Science. - 2022. - Vol. 6, No. 11. - P. 348. DOI: https://doi.org/10.3390/jcs6110348
H. Qin, D. Yang. Vibration reduction design method of metamaterials with negative poisson's ratio. Journal of Materials Science. - 2019. - Vol. 54. - P. 14038-14054. DOI: https://doi.org/10.1007/s10853-019-03903-z
M. Richter, D. Chappell, G. Tanner. Dynamical energy analysis: high-frequency vibrational excitation of real-world structures. Proceedings of ISMA2020 International Conference on Noise and Vibration Engineering. - 2020. - P. 1711-1719.
M. Richter, D.J. Chappell. Convergence of ray-based methods using transfer operators in different bases. Forum Acusticum, Dec 2020, Lyon, France. - 2020. - P. 231-237. DOI: https://doi.org/10.48465/fa.2020.0738
J. Rowbottom, D.J. Chappell. On hybrid convolution quadrature approaches for modeling time-domain wave problems with broadband frequency content. International Journal for Numerical Methods in Engineering. - 2021. - Vol. 122. - No. 24. - P. 7581-7608. DOI: https://doi.org/10.1002/nme.6844
J. Rowbottom, D.J. Chappell. A numerical study of the convergence of two hybrid convolution quadrature schemes for broadband wave problems. In Integral Methods in Science and Engineering--Cham, C. Constanda, B. E. Bodmann, and P. J. Harris, Eds., Springer International Publishing. - 2022. - P. 291-305. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-031-07171-3_20
A. Saxena, C. Tsakonas, D. Chappell, C.S. Cheung, A.M.J. Edwards, H. Liang, I.C. Sage, C.V. Brown. Static and dynamic optical analysis of micro wrinkle formation on a liquid surface. Micromachines. - 2021. - Vol. 12, No. 12. - P.1583. DOI: https://doi.org/10.3390/mi12121583
J. Slipantschuk, M. Richter, D.J. Chappell, G. Tanner, W. Just, O.F. Bandtlow. Transfer operator approach to ray-tracing in circular domains. Nonlinearity. - 2020. - Vol. 33, - No. 11. - P. 5773. DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6544/ab9dca
N. Sondergaard, D. J. Chappell. Ray and wave scattering in smoothly curved thin shell cylindrical ridges. Journal of Sound and Vibration. - 2016. - Vol. 377. - P. 155-168. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jsv.2016.05.019
J.S. Tamber, D.J. Chappell, J.C. Poore, M.R. Tranter. Detecting delamination via nonlinear wave scattering in a bonded elastic bar. Nonlinear Dynamics. - 2024. - Vol. 112, No. 1. - P. 23-33. DOI: https://doi.org/10.1007/s11071-023-08992-9
N. Tandon. Noise-reducing designs of machines and structures. Sadhana. - 2000. - Vol. 25. - P. 331-339.
G. Tanner, D. Chappell, H.B. Hamdin, S. Giani, C. Seidel, F. Vogel. Acoustic energy distribution in multi-component structures-dynamical energy analysis versus numerically exact results. PROCEEDINGS OF ISMA2010 INCLUDING USD2010. - 2010. - P. 231-237
G. Tanner, D. Chappell, D. L{"o}ckel, N. S{o}ndergaard, F. Vogel. Dynamical energy analysis on mesh grids: A new tool for describing the vibro-acoustic response of complex mechanical structures. Wave Motion. - 2014. - Vol. 51. DOI: https://doi.org/10.1016/j.wavemoti.2014.01.004
S. Vasut, P. Bris, P. Ponizil. Mathematical model for the design of layered structures to provide vibration and impact damping. Building Acoustics. - 2001. - Vol. 8/1. - P. 25-39. DOI: https://doi.org/10.1260/1351010011501713
E. Ventsel, T. Krauthammer, E. Carrera. Thin plates and shells: theory, analysis, and applications. Appl. Mech. Rev. - 2002. - Vol. 55, No. 4. - P. B72-B73. DOI: https://doi.org/10.1201/9780203908723
D. Yang. Ship vibration and noise reduction with metamaterial structures. In Practical Design of Ships and Other Floating Structures: Proceedings of the 14th International Symposium, PRADS 2019, September 22-26, 2019, Yokohama, Japan, Springer. - 2021. - Vol. 2. No. 14. - P. 377-386. DOI: https://doi.org/10.1007/978-981-15-4672-3_24
L. Zhang, X. Sheng. A review on the research progress of mechanical meta-structures and their applications in rail transit. Intelligent Transportation Infrastructure. - 2022. - P. 1-32. DOI: https://doi.org/10.1093/iti/liac010
Авторське право (c) 2024 Emmanuel Akaligwo, Anselm Oyem, Olayiwola Babanrinsa
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі. (Attribution-Noncommercial-No Derivative Works licence).
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
