بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تحلیل و طراحی جاذب متخلخل صوتی پشم سنگ با چیدمان چند لایه ای
چکیده
یکی از فعالیتهای پژوهشی در زمینه کنترل نوفه، دستیابی به نمونه جاذبی است که در محدوده گسترده فرکانسی جذب بالایی داشته باشد. از آنجاییکه رفتار آکوستیکی اتاق وابسته به ویژگی آکوستیکی مواد داخل آن می باشد، تعیین ضریب جذب مواد، اصلاح و بهینه سازی آنها نقش عمدهای در طراحی و کنترل صدا در فضاهای مختلف دارد. جذب صدا از طریق مواد متخلخل با توجه به ویژگی ساختاری این نوع جاذبها، در فرکانسهای زیر، در حد بالایی است ولی اگر نیاز به جذب در فرکانسهای بم نیز باشد، باید ویژگی آکوستیکی جذب این مواد بهینه شود. در این تحقیق برای دستیابی به جاذب متخلخل که در محدوده گسترده فرکانسی جذب بالا داشته باشد از روش چیدمان چند لایهای استفاده میشود، چیدمان چند لایهای روش نوینی برای افزایش ضریب جذب مواد جاذب متخلخل است که از مزایای آن ، میتوان مسطح بودن نمونه را نام برد، بدین صورت که از کنارهم قرار دادن چند لایه از جاذب متخلخل با ویژگیهای آکوستیکی خاص، ساخته میشود و بنابراین راحتتر، کاربردیتر و اقتصادیتر است . در این تحقیق ابتدا، رفتار آکوستیکی جاذب تک لایه پشم سنگ، به روش مدلسازی به شیوه مدل ماکروسکوپی دلنی-بیزلی و با استفاده از روش ماتریس تبدیل، پیش بینی میشود. گام بعدی بهینه سازی جذب صدای نمونه پشم سنگ با مدل چیدمان چند لایهای است در این مرحله امپدانس سطحی نمونه چند لایه از تکرار ماتریس تبدیل تک لایه به دست میآید. برای بررسی صحت مدل، ضریب جذب صدای نمونههای هرمی شکل، تک لایه و چیدمان چند لایهی پشم سنگ، با استفاده از روش لوله امپدانس اندازهگیری میشود. مقایسه نتایج نظری با نتایج اندازهگیری، علاوه بر تائید مدل، نشان دهنده بالا رفتن عملکرد جذب نمونه متخلخل پشم سنگ چند لایه، در باند پهن فرکانسی میباشد.
کلمات کلیدی: آکوستیک؛ کنترل نوفه؛ ضریب جذب صدا؛ جاذب متخلخل پشم سنگ؛ چیدمان چند لایهای.
1. مقدمه
سابین پدر آکوستیک مدرن در سال 1922 با آزمایشهای متعدد نشان داد که آکوستیک اتاق وابسته به ویژگی آکوستیکی مواد داخل اتاق میباشد و از آن پس ضریب جذب صوتی مواد جاذب صدا تعیین و تعریف گردید. منظور از ضریب جذب صوتی یک ماده نسبت انرژی جذب شده به انرژی تابیده شده به نمونه است، عددی است بین صفر و یک که معمولاً با نماد α نشان داده میشود و میتواند بر حسب درصد نیز بیان شود.
در سال 1930 در نتیجه نیاز به دقت بالا در اندازهگیریهای پاسخ فرکانسی، کالیبراسیون بلندگوها و میکروفونها و سایر آزمونهای میدان آزاد، ساخت اتاقهای آکوستیک صامت با دیوارهایی با پوشش آکوستیکی جاذب قوی مورد توجه قرار گرفت، لذا برای افزایش ضریب جذب صوتی جاذبهای متخلخل در محدوده فرکانسی مورد نظر، آنها را به اشکال مختلف ساختند. چیدمان چند لایهای روشی نوین برای افزایش ضریب جذب مواد جاذب متخلخل است که از مزایای آن نسبت به روش تغییر شکل جاذب، میتوان مسطح بودن نمونه را نام برد، بدین صورت که از کنارهم قرار دادن چند لایه از جاذب متخلخل با ویژگیهای آکوستیکی خاص، ساخته می شود و بنابراین راحتتر، کاربردیتر و اقتصادیتر است ولی برای نمونههای مختلف جاذب،چیدمان لایهها باید برای همان سیستم مدل شود.
هدف این تحقیق، دستیابی به مدلی برای پیش بینی پارامترهای آکوستیکی جاذب متخلخل پشم سنگ به صورت تک لایه و چند لایه و همچنین طراحی جاذب مسطح چند لایه برای رسیدن به جذب بالا در محدوده فرکانسی گسترده میباشد.
2. روش
جذب صدا در مواد متخلخل در نتیجه اصطکاک در هوای موجود در ماده صورت میگیرد. جذب توسط هر ماده بخصوصی به ضخامت، چگالی، منافذ و مقاومت در برابر جریان هوا بستگی دارد، برای مثال، برای جذب صدا در فرکانس پایین ماده باید به اندازه کافی حجیم باشد. با توجه به ویژگی ساختاری جاذبهای متخلخل، این نوع جاذبها در محدوده فرکانسی بالا عملکرد خوبی نشان میدهند ولی در محدوده فرکانسی میانی و بم عملکرد ضعیفی دارند. برای رسیدن به ضریب جذب بالا در فرکانسهای بم، از کنار هم قرار دادن چندین لایه از نمونه های اولیه استفاده میشود. انتخاب نمونههای اولیه، تعداد این لایهها و ترتیب قرار گرفتن آنها ضرایب جذب متفاوتی نشان میدهند که وابستگی زیادی به نمونه انتخابی دارد و با انتخاب نمونه های مختلف، نتیجه نیز متفاوت خواهد شد. بررسی به دو روش مدلسازی و اندازهگیری انجام میشود.
2,1 روش مدلسازی ضریب جذب صدای نمونه متخلخل
انتشار موج در یک ماده یکنواخت با دو پارامتر مختلط امپدانس مشخصه و ضریب انتشار تعریف میشود. اکثر مواد جاذب متخلخل را می توان، در برابر تابش عمودی موج، جاذب یکنواخت فرض کرد. مقاومت در برابر عبور جریان بر واحد ضخامت ( ) نمونه جاذب متخلخل فیبری نیز وابسته به دانسیته و سایز فیبرهای موجود در نمونه، میباشد.
در این تحقیق با ترکیب مدل ماکروسکوپی دلنی-بیزلی[1] و ماتریس تبدیل [2] و استفاده از نرم افزار متلب برای نمونه جاذب متخلخل فیبری پشم سنگ با ضخامت l، چگالی و شعاع فیبر a، برای محاسبه مقاومت در برابر عبور جریان ، عدد موج (k)، امپدانس مشخصه (zc)، امپدانس سطحی (zs)، ضریب بازتاب (R) و ضریب جذب ( ) به ترتیب روابط (1) تا (6) به کار میرود.
در روابط فوق f فرکانس مورد نظر، ًρ چگالی هوا وc سرعت صوت در هوا است و فرض براین است که نمونه جاذب بر روی سطح صلب قرار گرفته است.
با استفاده از مدل ریاضی فوق میتوان مشخصات اکوستیکی نمونه جاذب تک لایه را پیش بینی کرد. مرحله بعدی پیش بینی ضریب جذب صدای نمونه چند لایه پشم سنگ با هدف بهینهسازی و افزایش ضریب جذب صدا در محدوده فرکانسی بم میباشد. برای این منظور با تکرار معادله مدل فوق برای هر لایه از سمت سطح صلب پشتی به سمت لایه جلو، مشخصات آکوستیکی سیستم چند لایه پشم سنگ، پیش بینی میشود.
2,2 روش اندازهگیری ضریب جذب صدا با استفاده از لوله
در این تحقیق جهت صحهگذاری نتایج حاصل از مدل، ضریب جذب صوتی نمونههای تک لایه و چند لایه با روش لوله اندازهگیری شدند.[3] این روش با نامهای لوله امواج ساکن، لوله امپدانس یا لوله ناخ معروف است و شامل سیستمی است پرتابل که ضریب جذب صدای نمونه را با دقت و سرعت بالایی اندازهگیری میکند. ساختار و عملکرد لوله امواج ساکن در شکل (1) نشان داده شده استلوله. معمولاً سطح مقطع دایرهای با دیوارههایی صلب دارد. نمونه مورد آزمون به اندازه و شکل سطح مقطع لوله بریده میشود و در محل نمونه نصب میشود، در سمت مقابل نمونه، بلندگو تعبیه شده است. از برخورد موج تابیده و بازتابی از نمونه در لوله امواج ساکن ایجاد می شود که شکل این امواج اطلاعاتی در مورد ضریب جذب صوتی نمونه دارد. فشار صدا در محل نمونه ماکزیمم است با دور کردن میکروفون متحرک از نمونه فشار صدا کاهش مییابد و اولین مینیمم فشار را نشان میدهد با ادامه حرکت میکروفون محل فشارهای ماکزیمم و مینیمم بیشتری نشان داده میشود . اگر n نسبت فشار صدای ماکزیمم به فشار صدای مینیمم در همسایگیاش باشد ضریب جذب عمودی برابر است با رابطه (7) و در شکل (2) نشان داده شده است.[4]
(7)
شکل.1 نمایش لوله امواج ساکن [4]
شکل .2 نمودار رابطه نسبت فشار و جذب صدا در لوله امواج ساکن [4]
2,3 نمونه انتخابی
پشم سنگ، جزو خانواده عایق های حرارتی متشکل از الیاف معدنی است به همین دلیل گاهی به آن پشم معدنی هم اتلاق می شود. ماده اولیه اصلی برای تولید این عایق، سنگ بازالت از گروه سنگهای آذرین است که بازده فعالیتهای آتشفشانی است و در کشور ما به وفور وجود دارد.[5]
نمونه های مختلف پشم سنگ بررسی شده در این تحقیق، از تولیدات شرکت پشم سنگ ایران است و به دلیل در دسترس بودن نمونهها، نتیجه تحقیق در عمل نیز قابل بهرهبرداری است.
2,4 نتایج
در نمودارهای شکلهای (3) تا (5) نتایج مدل و نتایج اندازهگیری برای نمونهها و چیدمانهای مختلف پشم سنگ با هم مقایسه شدهاند. شکل (6) نمودار شبکه بندی ضریب جذب در فرکانس بر اساس ضخامت کل سه لایه جاذب را نشان میدهد.
