Aplicação da técnica de corte a laser e camadas justapostas para avaliação de metamateriais absorvedores acústicos do tipo labiríntico

Abstract

A busca por soluções eficientes em tratamentos acústicos levou ao desenvolvimento de metamateriais acústicos, os quais podem substituir materiais eficientes devido ao seu melhor desempenho em frequências específicas e dimensões reduzidas. Os metamateriais são estruturas artificiais com propriedades acústicas controladas, capazes de absorver ou refletir ondas sonoras. Neste contexto, a técnica de fabricação por corte a laser e montagem por camadas justapostas surge como uma alternativa promissora para produzir esses materiais em escala. A pesquisa envolveu análise teórica e numérica de modelos de metamateriais contidos na bibliografia, assim como a fabricação de amostras para ensaios experimentais utilizando um aparelho de tubo de impedância. A fabricação das amostras foi realizada com um cortador a laser CNC em materiais como MDF e acrílico, seguindo a técnica de camadas justapostas e utilizando cola como adesivo. Algumas amostras também foram produzidas por meio da técnica de impressão 3D com objetivo de comparação de desempenho. Ao longo da pesquisa, foram projetadas e avaliadas experimentalmente 316 amostras para o estudo do desempenho acústico. Os resultados foram comparados com os modelos teóricos e numéricos para garantir a confiabilidade dos resultados. A análise das amostras revelou que os dados obtidos se aproximaram dos modelos estatísticos teóricos, demonstrando a efetividade do controle estatístico de processos na garantia da qualidade das amostras com propriedades acústicas controladas. As análises do desempenho acústico das amostras também foram realizadas para verificar a influência de: diferentes materiais de fabricação, enrolamento da lesão enrolada, tipos de perfurações do painel, largura de banda de frequência, vazamento devido à montagem e análise de sensibilidade dos parâmetros geométricos. Foi obtido o pico de absorção sonora acima de 85% para amostras fabricadas com a técnica de corte a laser com camadas justapostas para a frequência de 300 Hz, já para 400 Hz, o pico de aquisição unitário foi obtido. Com relação à amostragem em banda larga para frequências baixas, foi alcançado o desempenho de absorção sonora acima de 80% para as frequências de 390 Hz até 620 Hz para uma amostra com simultaneamente três perfurações. Além disso, a comparação dos custos de produção com outras técnicas, como a impressão 3D, mostrou as previsões financeiras do uso do corte a laser, com redução específica dos custos e tempo de fabricação. Em resumo, a técnica de corte a laser e montagem por camadas justapostas mostrou-se promissora na fabricação de metamateriais acústicos absorventes, proporcionando eficiência na absorção de baixas frequências (300 Hz a 600 Hz). Essa abordagem oferece benefícios como redução de custos, facilidade de fabricação em escala e controle de qualidade, tornando-se uma alternativa viável para aplicações em tratamentos jurídicos em diversos setores.

Abstract: The search for efficient solutions in acoustic treatments led to the development of acoustic metamaterials, which can replace conventional materials due to their superior performance at speciAc frequencies and reduced dimensions. Metamaterials are artiAcial structures with controlled acoustic properties, capable of absorbing or reCecting sound waves. In this context, the fabrication technique of laser cutting and layer-by-layer assembly emerges as a promising alternative to produce these materials on a scale. The research involved theoretical and numerical analysis of metamaterial models found in the literature, as well as the fabrication of samples for experimental tests using an impedance tube apparatus. The samples were made with a CNC laser cutter using materials like MDF and acrylic, following the layer-by-layer technique and using glue as adhesive. Some samples were also produced using 3D printing for performance comparison purposes. Throughout the research, 316 samples were designed and experimentally evaluated for acoustic performance. The results were compared to theoretical and numerical models to ensure the reliability of the Andings. Statistical analysis of the samples revealed that the collected data closely matched theoretical models, demonstrating the effectiveness of statistical process control in ensuring the quality of samples with controlled acoustic properties. Performance analyses of the samples were also conducted to examine the inCuence of: different manufacturing materials, winding of the coiled cavity, types of panel perforations, bandwidth frequency, leakage due to assembly, and sensitivity analysis of geometric parameters. A sound absorption peak above 85% was obtained for samples manufactured using the laser cutting technique with juxtaposed layers for a frequency of 300 Hz, while at 400 Hz, the unitary absorption peak was reached. Regarding broadband absorption for low frequencies, sound absorption performance above 80% was achieved for frequencies from 390 Hz to 620 Hz for a sample with three perforations simultaneously. Furthermore, the cost comparison with other techniques, such as 3D printing, demonstrated the Anancial viability of using laser cutting, with signiAcant reductions in costs and manufacturing time. In summary, the laser cutting technique and layer-by-layer assembly proved promising in the fabrication of absorptive acoustic metamaterials, offering efficiency in absorbing low frequencies (300 Hz to 600 Hz). This approach provides beneAts like cost reduction, ease of large-scale fabrication, and quality control, making it a viable alternative for applications in acoustic treatments across various sectors.