TEKNÄ°K MAKALE 68. Sayı (Eylul-Ekim 2007)

Y. Doç. Dr. Hüray CAN Balıkesir Üniversitesi Müh. Mim. Fak. Makina Bölümü Öğretim Üyesi
ÖZET

Bu çalışmada lifli malzemelerin ses yutma karakteristikleri incelenmiştir. Lifli malzemelerin yutma katsayısını belirlemek için sabit parametreler yanında deneysel parametreler de araştırılmıştır. Bunun sonucunda akış direnci ve yutma katsayısı önemli parametreler olarak saptanmıştır. Sonuç olarak, gözenekli malzemenin karakteristik empedansından normal empedans ve ses yutma katsayısı elde edilmiştir.

1. GİRİŞ

Gürültü kontrolü için genellikle gözenekli malzemeler lifli ve  foam (köpük) olarak sınıflandırılır. Gözenekli köpükler, birçok farklı malzemelerden yapılır. Bu nedenle köpüklerin sistematik çalışmasını yapmak kolay değildir. Lifli malzeme, genellikle yüksek akustik yutma kapasitesine ve yanmaz özelliklere sahip cam ve taşyünü olarak ele alınır. Bu malzemeler gürültü kontrolü mühendisliğinde yaygın olarak kullanılır.

Gözenekli malzemenin akustik özellilerinin belirlenmesi çeşitli uygulamalardan dolayı önemlidir. Bununla birlikte gözenekli malzemelerin yapısı karışık ve analitik çözümünü yapmak kolay değildir.

Zwikker ve Kosten [1] ve Biot [2] 60 yıl önce gözenekli malzeme için teorik model ileri sürdü. Son zamanlarda, Attenborough [3], Allerd et al. [4], Stinson ve Champoux [5, 6] ve diğerleri daha uygun metot geliştirdi. Bu metotlara daha karışık durumları elverişli kılmak için genel çözümde bazı parametrelerin uyarlanması gerekti. Wilson [7] birkaç parametre içeren bir model geliştirdi ve  herhangi bir gözenekli malzeme için uygulanabileceğini gösterdi. Teorik  modellere ek olarak Delany ve Bazley [8]; lifli malzemelerin yutma katsayısı ve karakteristik empedansı hesaplamak için deneysel bir formül önerdi. Bu formül çok düşük ve çok yüksek frekanslar için uygun olmamasına rağmen lifli malzemelerde ses yayınımını tanımlamak için yaygın bir şekilde kullanılır.

2. TEORİ

Lifli ve açık hücreli gözenekli malzemede sesin etkilenmesi büyük ölçüde malzemenin akış direnci ile belirlenir. Akış direncinin en yaygın olarak kullanılan metodunda, bir sabit akışkan akışı, malzemenin bir ucundan diğer ucuna sürdürülür ve malzeme tabakasının diğer tarafında basınç kaybına göre akış direnci bulunur. Malzemenin akış direnci R, şu şekilde ifade edilir:

Burada

Æp=Malzemedeki basınç farkı

V=Hız

L=Malzemenin kalınlığı

Akustik durumda, harmonik zamana bağımlı ses alanında basınç kaybı ile akış hızın kompleks amplitüdlerini veren bu büyüklüklerin oranı, akustik akış direncinin reel kısmı ile kompleks akış empedansıdır. Gözenek yapısına bağlı akışkan hareketi için hız verilir. Ayrıca malzemenin kalınlığı, dalga boyundan daha küçüktür. Böylece hız amplitüdü, malzemede baştan başa sabit olması farz edilebilir.

Lifli malzemeler genellikle anizotropiktir. Malzemedeki lifler genellikle malzemenin yüzeyine paralel düzlemler halinde uzanır. Normal yöndeki akış direnci, planar yöndekinden farklıdır.

Şekil 1’de hava akışı malzemenin yüzeyine diktir. Şekil 2’de ise akış lifli malzemelerin yüzeyine paraleldir.

Normal akış direnci (sN)ñ Planar akış direnci (sp)

3. ÖLÇÜM METODU

Şekil 3’te görüldüğü gibi gözenekli malzeme rijit duvarlı ve rijit sınırlı (alüminyum) bir tüpe yerleştirilir. Tüpün sonuna yerleştirilen bir ses kaynağı (hoparlör) ile tüpte ses alanı üretilir. Gözenekli malzemenin ve rijit sınırın (alüminyum) önüne yerleştirilen mikrofonlar ile ses basıncı ölçülür. Sırasıyla ölçümler 1 ve 3 noktalarında yapılır.


u1=Gözenekli malzemede kompleks hız amplitüdü

P1=Mikrofon 1 ile gözenekli

malzeme önünde ölçülen

kompleks ses basıncı amplitüdü

P2=Gözenekli malzemede diğer tarafta (Şekil 3) ölçülen kompleks ses basıncı amplitüdü

P3= Rijit sınır (alüminyum) önünde ölçülen kompleks ses basıncı amplitüdü

c= Ses hızı (340 m/s)

L= Gözenekli malzeme ve rijit sınır arasındaki uzaklık. Bu uzaklık (L); 100 Hz’de dalga boyunun dörtte biri olacak şekilde seçilmiştir.

Gözenekli malzemede ve rijit sınırda (alüminyum) kompleks hız amplitüdü:

Burada;

w

Dalga sayısı: k = ĞĞĞĞĞ

   c

f=Frekans (Hz)

w=Açısal hız (rad/s)

w=2pf

c=Sesin havada yayılma hızı (m/s)

Kompleks ses basıncı amplitüdü:


Burada;

p = Kompleks ses basıncı genliğidir.

Benzer olarak iki numaralı (Şekil 6.1) bölgede gözenekli malzemenin diğer tarafındaki kompleks ses basıncı amplitüdü (P2) şu şekilde hesaplanır:

Akış empedansı:


Normalize edilmiş akış empedansı:

Böylece; normalize edilmiş akış direnci (flow resistance) (P1 / P3) basınç oranının imajiner kısmının mutlak değeri olacaktır.

4. ÖLÇÜM SONUÇLARI

Lifli malzemelerin akış direnci parametresi için deneysel çalışmalarda elde edilen veriler: [Bu değerler; "iki kanallı FFT frekans analizörü" tarafından analiz edilerek bulunmuştur.]

5. SONUÇLAR ve ÖNERİLER

Lifli malzemelerin yutma katsayısını etkileyen parametrelerden biri olan akış direnci şekil 3’te bahsedilen deney düzeneğinde ölçümleri yapılmıştır.

Lifli malzemeler ve açık gözenekli süngerimsi malzemeler için akış dirençleri, genellikle 5000 ve 100 000 Nm-4s arasındadır. Ölçümler sonucunda elde edilen değerler ise frekans arttıkça değerlerinin azaldığı görülmüştür.

Akustik yalıtım malzemelerindeki, malzemenin özelliğine ve geometresine bağlı çeşitli parametrelerin etkileri tek tek araştırılabilir ve yutma katsayısına etkisi görülebilir.

Örneğin malzemenin ne kadar kalınlıkta olacağı, lif yarıçapının az ya da çok olması, gözeneklilik olarak adlandırdığımız hava dolu yapıların artırılması ya da azaltılması bir öneri olarak sunulabilir.


KAYNAKLAR

[1] Zwikker C, Kosten CW. Sound

Absorbing Materials. New York:

Elsevier, 1949.

[2] Biot MA. Theory of Elastic Waves in a Fluid Saturated Porous Solid.

II. Higher Frequency Range. J Acoust Soc Am 1956; 28: 179-91.

[3] Attenborough K. Acoustical Characteristics of Rigid Fibrous Absorbents and Granular Materials. J Acoust Soc Am 1983;73: 785-99.

[4]Allard JF, Aknine A, Depollier C. Acoustic Properties of Partially Reticulated Foams with High and Medium Flow Resistance. J Acoust Soc Am 1986; 79:1734-40.

[5] Stinson MR.The Propagation of Plana Sound Waves in Narrow and Wide Circular Tubes, and Generalization to Uniform Tubes of Arbitrary Cross-Section Shape. J Acoustic Soc Am 1991; 89:550-8.

[6] Stinson MR, Champoux

Y. Propagation of Sound and the

Assignment of Shape Factors in Model Porous Materials Having Simple Pore Geometries. J Acoust Soc Am 1992; 91:685-95.

[7] Wilson DK.Simple, Relaxational Models fo the Acoustical Properties of Porous Media. Applied Acoustics 1997; 50:171-88.

[8] Delany ME, Bazley En. Acoustical

Properties of Fibrous Materials.

Applied Acoustics 1970; 3:105-16.
 

---

R E K L A M