Acoustic characterization of granular materials for the development of metamaterials with improved sound insulation and absorption

Železnik, Anže (avtor), Prezelj, Jurij (mentor)

Acoustic characterization of granular materials is crucial for developing advanced acoustic metamaterials capable of enhanced sound insulation and absorption. Current methods of characterizing such materials often produce ambiguous or misleading results due to their sensitivity to boundary conditions and the complex internal structures of granular media. This thesis introduces a novel experimental methodology based on the time-domain wave decomposition of impulse responses measured in an impedance tube, specifically developed to overcome these limitations. The method improves measurement accuracy of transmission losses and explicitly accounts for viscous dissipation within granular materials independent of boundary effects. Detailed experiments reveal significant relationships between particle size distributions, granule contact densities, and acoustic properties. Smaller granules increased airflow resistivity, enhancing low-frequency sound insulation by up to 30 dB per 10 mm, while larger particles demonstrated clear Helmholtz resonances and standing wave phenomena at 1000 Hz. Medium-sized particles exhibited optimal dissipation characteristics, balancing viscous losses and reactive acoustic phenomena effectively. These findings offer critical insights into the underlying acoustic mechanisms within granular metamaterials, facilitating their tailored use in noise control solutions in both industrial and architectural contexts. The newly established methodology and resulting models significantly contribute to the acoustic materials science literature, providing robust guidelines for future acoustic metamaterial designs.

• Jezik: Angleški jezik
• Ključne besede: sound insulation, acoustic energy dissipation, granular materials, impedance tube measurements, acoustic wave propagation
• Vrsta gradiva: Doktorsko delo/naloga
• Tipologija: 2.08 - Doktorska disertacija
• Organizacija: FS - Fakulteta za strojništvo
• Leto izida: 2025
• Št. strani: XX, 158 str.
• PID: 20.500.12556/RUL-175271
• UDK: 534.6:534.83:62-492-026.772(043.3)
• COBISS.SI-ID: 255669251
• Datum objave v RUL: 23.10.2025

Sekundarni jezik

• Jezik: Slovenski jezik
• Naslov: Vrednotenje akustičnih lastnosti granuliranih materialov za razvoj metamaterialov z izboljšano zvočno izolacijo in absorpcijo

Izvleček

Vrednotenje akustičnih lastnosti granuliranih materialov je ključnega pomena za razvoj naprednih akustičnih metamaterialov z izboljšano zvočno izolacijo in absorpcijo. Obstoječe metode za karakterizacijo teh materialov ne zagotavljajo nedvoumnih ali zanesljivih rezultatov, predvsem zaradi vpliva robnih pogojev ter kompleksne notranje strukture granuliranih medijev. V doktorski disertaciji predstavljamo novo eksperimentalno metodologijo, ki temelji na ločevanju impulznih odzivov v časovni domeni, izmerjenih v impedančni cevi. Metoda omogoča natančnejše meritve prenosnih izgub in eksplicitno oceno viskoznih izgub znotraj granuliranih materialov, neodvisno od robnih pogojev. Poleg tega predstavlja nastavek za opazovanje notranjih struktur v granuliranih materialih. Podrobne eksperimentalne raziskave so pokazale pomembne povezave med porazdelitvijo velikosti granul, gostoto stikov med zrni in akustičnimi lastnostmi. Manjše granule so povečale pretočno upornost in tako izboljšale nizkofrekvenčno zvočno izolacijo do 30 dB na 10 mm debeline vzorca, medtem ko so večji delci izrazito pokazali Helmholtzove resonance in pojav stoječih valov okoli 1000 Hz. Srednje veliki delci so se izkazali za optimalne pri disipaciji zvoka zaradi učinkovitega ravnotežja med viskoznimi izgubami in reaktivnimi akustičnimi pojavi. Rezultati raziskave predstavljajo ključen prispevek k razumevanju akustičnih mehanizmov v granuliranih metamaterialih ter omogočajo njihovo načrtno uporabo za nadzor hrupa v industrijskih in arhitekturnih aplikacijah. Razvita metodologija in nastali modeli pomembno obogatijo znanstveno literaturo s področja akustike materialov ter nudijo robustne smernice za prihodnje načrtovanje akustičnih metamaterialov.

• Ključne besede: zvočna izolacija, disipacija akustične energije, granulirani materiali, meritve v impedančni cevi, širjenje zvočnih valov