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Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 19034 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

É um desafio isolar a transmissão do som em bandas de baixa frequência sem bloquear o fluxo de ar em um tubo. Neste trabalho, um pequeno e leve isolante acústico cúbico baseado em membrana é criado para bloquear ondas acústicas em múltiplas bandas de baixa frequência de 200 a 800 Hz em tubos. Devido aos distintos modos de vibração das faces do tipo membrana do isolador e à co-ação das ondas acústicas transmitidas ao longo de diferentes caminhos, uma grande atenuação do som é alcançada em múltiplas bandas de frequência e a perda máxima de transmissão chega a 25 dB. Além disso, como o isolador de som com tamanho de subcomprimento de onda profundo é menor que a área da seção transversal do tubo, ele não bloqueia a ventilação ao longo do tubo.

Bloquear a transmissão do som em baixa frequência continua sendo um desafio em acústica porque um isolador de som disponível em baixas frequências requer um grande tamanho e/ou uma grande massa de acordo com a bem estabelecida lei de massa1. Embora isoladores acústicos de grandes dimensões tenham sido aplicados na indústria2, é necessário miniaturizar os isoladores que trabalham em baixas frequências para ampliar os campos de aplicação. Um método alternativo depende do controle de ruído ativo3, que não precisa de um isolante de som grande ou pesado, enquanto dispositivos complexos e caros são inevitáveis. Nestes anos, várias estruturas artificiais4,5,6,7,8,9,10,11 foram apresentadas para isolamento acústico e apresentaram desempenho extraordinário que não pode ser obtido com materiais naturais ou dispositivos acústicos tradicionais. Assim, foram apresentados métodos distintos de isolamento acústico com base nessas estruturas.

O espalhamento de Bragg5 e a ressonância local7 são considerados os mecanismos de atenuação do som em estruturas artificiais, nos quais os isoladores de som baseados em ressonância local são mais amplamente estudados devido aos pequenos volumes e estruturas variadas. Membranas e/ou placas foram frequentemente adotadas em isoladores de som baseados em ressonância porque a frequência de ressonância de uma membrana ou placa poderia ser facilmente diminuída diminuindo a elasticidade e, portanto, a atenuação do som em baixas frequências foi alcançada usando um isolador com um pequeno volume e peso6,8,9.

Foi apresentado que uma membrana ou placa fornecia densidade dinâmica negativa nas proximidades da frequência de ressonância, que poderia ser utilizada para bloquear a transmissão de ondas acústicas10,12,13. Além disso, a fixação de uma massa extra em uma membrana alterou as frequências de ressonância e os modos de vibração, o que aumentou a atenuação do som14,15,16,17. Assim, estruturas do tipo membrana e do tipo placa foram utilizadas para bloquear o som em espaços abertos14,16 e em tubulações18,19,20,21,22,23,24, e apresentaram potencial de aplicação em HVAC (Heating, Ventilating and Air sistemas de condicionamento).

Embora tenha sido alcançada uma grande atenuação de som, os isoladores de som com estruturas seladas não estavam disponíveis em um sistema HVAC prático porque bloqueiam completamente o fluxo de ar ao longo do tubo. Assim, foram estudados isoladores com estruturas abertas, que obstruíam as ondas acústicas e não bloqueavam a ventilação. As estruturas laterais foram inicialmente utilizadas para isolar a transmissão do som ao longo de um tubo para ventilação, enquanto a parede do tubo deve ser aberta ao estabelecer os isoladores de som25,26. Além disso, vários ressonadores Fabry-Perot dobrados foram montados na parede interna de um tubo para produzir atenuação sonora na frequência de ressonância27. Então, para reduzir o volume do isolante acústico, foram adotadas estruturas space-coiling28,29 e helicoidais30,31. Esses isoladores de som produzem atenuação dentro de uma banda de frequência estreita localizada na frequência de ressonância da estrutura. Enquanto isso, estruturas do tipo membrana também foram desenvolvidas para realizar simultaneamente a atenuação do som e a ventilação do ar. Uma membrana com tiras anexadas foi usada para substituir uma parte da parede de um tubo, que produz isolamento acústico nas frequências de ressonância de modos distintos32. Com base na interação do campo ressonante de quatro membranas decoradas com o campo sonoro contínuo passando por um grande orifício, foi criado um filtro acústico de baixa frequência e banda estreita33. Então, a absorção perfeita em uma frequência abaixo de 500 Hz foi obtida utilizando a ressonância acoplada de um ressonador do tipo membrana e uma membrana decorada23.