Metamaterialen helpen lawaai te bestrijden

Nood aan betere akoestische prestaties bij lichtgewichtbouwstructuren

Door strengere wettelijke eisen en stijgende verwachtingen van de gebruikers, is het akoestisch gedrag, zoals de geluidsisolatie, een belangrijk ontwerpcriterium voor veel toepassingen binnen de bouwindustrie, transportindustrie en machinebouw. Traditionele, zware oplossingen maken gebruik van de massawet om de geluidsisolatie te verbeteren. Maar, omwille van ecologische trends, winnen lichtgewichttoepassingen aan belang. Met lichte dubbelwandige constructies kunnen hoge geluidsisolaties gehaald worden, maar deze vergen grotere constructiediktes en het gebruik van poreuze absorberende materialen.

Metamaterialen voor akoestische toepassingen

Recent onderzoek heeft de mogelijkheden van akoestische metamaterialen aangetoond om compacte, lichtgewichtstructuren te creëren met een uitgesproken akoestische demping en verhoogde geluidsisolatie in specifieke frequentiebanden, zogenaamde stopbanden.

Klassieke metamaterialen gebruiken interferentie-effecten, die ontstaan in structuren met een repetitief variërende dichtheid en/of geluidssnelheid. De schaal van dit repetitief patroon moet hierbij van dezelfde grootteorde zijn als de golflengte van de trillingen, die je wil reduceren. Dit type is echter praktisch niet haalbaar voor akoestische toepassingen, omwille van de veel grotere golflengtes.

Nieuw ontwikkelde metamaterialen maken gebruik van lokale resonatoren, geplaatst in een celstructuur, waardoor ook laagfrequente geluidsgolven met een veel grotere golflengte dan de celafmetingen kunnen gereduceerd worden. De transmissie is minimaal rond de resonantiefrequentie van de lokale resonatoren. Door de afmetingen en geometrie van de resonatoren te variëren, kunnen de stopbanden getuned worden. Zo kunnen ze breder gemaakt worden door demping toe te voegen.

Onderzoekers uit Hongkong waren de eersten die het potentieel van deze lokaal resonerende akoestische metamaterialen demonstreerden. Voor hun onderzoek gebruikten ze loden bolletjes met een rubber coating, die ingesloten werden in een epoxy matrixmateriaal. Rond de resonantiefrequenties van de loden bolletjes is de transmissiecoëfficiënt 10 keer lager en de geluidsisolatie 10 dB hoger dan normaal verwacht zou worden op basis van de massawet. Het bleek zelfs voordeliger om de bolletjes willekeurig te verspreiden in de matrix in de plaats van gebruik te maken van een repetitief patroon.

Aan de K.U.Leuven werd het concept toegepast in lichtgewichtsandwichstructuren, die vaak gebruikt worden in de transportindustrie en de machinebouw. De kern van deze structuren is typisch opgebouwd uit hexagonale of rechthoekige cellen, waarin de resonerende structuren kunnen geplaatst worden. Voor de test werd een box vervaardigd, bestaande uit een structuur met 10 mm brede cellen, waarin specifiek ontworpen, lokale resonatoren zijn aangebracht. De geluidsisolatie is merkbaar hoger in bepaalde frequentiebanden dan bij een houten box met eenzelfde gewicht.

Concrete toepassingen in de bouwsector

Er is reeds een paneel op de markt, dat gebruik maakt van de specifieke eigenschappen van akoestische metamaterialen om de dominante tonale frequenties van lawaaibronnen, zoals vermogenstransformatoren, te verzwakken. Het ontwerp kan aangepast worden aan het specifieke lage frequentiebereik van de geluidsbron. Het paneel heeft zowel een hoge geluidsabsorptie bij lage frequenties als een goede geluidsisolatie bij hogere frequenties. Omdat er geen gebruik wordt gemaakt van poreuze absorberende materialen, is het paneel ook geschikt voor toepassingen, waar hygiëne belangrijk is, zoals de voedingsindustrie en ziekenhuizen.

In het kader van het Europees project Acoutect worden mogelijkheden onderzocht om dit type van akoestisch resonerende metamaterialen toe te passen in lichtgewicht wand- en dakconstructies in gebouwen. Het absorberend vermogen van de metamaterialen kan ook gebruikt worden om het akoestisch comfort in ruimtes, zoals landschapskantoren, te verbeteren.

Natuurlijk is het belangrijk dat bij het praktisch ontwerp rekening wordt gehouden met andere vereisten, zoals structurele integriteit, brandweerstand, e.d. Een belangrijke uitdaging is bovendien het vinden van een economisch haalbaar productieproces, met name van grotere elementen voor toepassingen in gebouwen. Hiertoe worden o.a. de mogelijkheden van 3D-printtechnieken bekeken.