- Application of acoustic metamaterials in biomedical and audio fields
- Cingolani, Matteo <1990>
Subject
- ING-IND/11 Fisica tecnica ambientale
Description
- In recent decades, noise has become increasingly present in people’s daily lives. Acoustic absorption is a fundamental concept when addressing noise control and is defined as the dissipation of acoustic energy associated with an emission. Nowadays, traditional porous and fibrous materials are the most used sound-absorbing materials, thanks to their cost-effectiveness and ease of manufacture. However, they do not provide good sound absorption at low frequencies, require maintenance, and may, in some cases, pose a risk due to deterioration, making them unsuitable in critical contexts. In recent years, acoustic metamaterials (AMM) entered the discussion of sound absorption. AMM are innovative structures whose acoustic properties depend on the geometry rather than the materials they are made. This allows them to overcome the limitations of traditional materials and achieve optimal performance at low frequencies through compact structures. This thesis aims to develop a robust method through analytical models, numerical simulations, 3D prototyping, and experimental measurements for the design of a specific class of AMM consisting of resonant elements: Quarter-Wavelength Resonator (QWR) and Helmholtz resonator (HR) have been used to design innovative solutions in two different contexts. The first involves the development of a passive sound absorber to reduce reverberation time and sound pressure levels within a hospital room. The second entails using AMM for unwanted noise control in loudspeakers and resonance reduction in audio systems. The results demonstrate how the application of acoustic metamaterials may serve as a solid alternative to traditional materials in various fields, adapting to stringent requirements. The thesis serves as a starting point for designing AMMs, providing theoretical insights and practical considerations for their physical realization.
- Negli ultimi decenni, il rumore è diventato sempre più presente nella vita quotidiana delle persone. L'assorbimento acustico è un concetto fondamentale quando si affronta il tema del controllo del rumore, ed è definito come la dissipazione dell'energia acustica associata ad un'emissione. Ad oggi, i materiali fonoassorbenti tradizionali sono i più largamente utilizzati per il loro basso costo e la facilità di realizzazione. Tuttavia, risultano carenti nell'assorbimento in bassa frequenza, richiedono manutenzione, possono, in alcuni casi, comportare rischi dovuti al deterioramento, rendendoli inadatti in contesti critici. Negli ultimi anni, i metamateriali acustici (AMM) sono entrati al centro del dibattito dell’assorbimento, grazie alle loro proprietà acustiche che dipendono dalla geometria e non dal materiale da cui sono costituti. Questa caratteristica consente di superare le limitazioni dei materiali tradizionali, e ottenere performance in bassa frequenza attraverso strutture compatte. Questa tesi ha come obiettivo lo sviluppo di un metodo solido attraverso lo studio dei modelli analitici, la modellazione numerica, la prototipazione 3D e le misure sperimentali per il design e la progettazione di una specifica classe di metamateriali formati da elementi risonanti: risonatori a quarto di lunghezza d'onda (QWR) e risonatori di Helmholtz (HR) sono utilizzati al fine di progettare soluzioni innovative in due contesti differenti. Il primo è lo sviluppo di un fonoassorbente passivo per la riduzione del tempo di riverberazione e dei livelli di pressione sonora all’interno di una stanza ospedaliera. Il secondo coinvolge l'uso di metamateriali acustici per il controllo del rumore indesiderato negli altoparlanti e la riduzione delle risonanze nei sistemi audio. I risultati presentati dimostrano come l'applicazione di AMM possa rappresentare una valida alternativa ai materiali tradizionali negli ambiti più disparati, adattandosi a requisiti stringenti. La tesi rappresenta un punto di partenza per il design di metamateriali acustici, fornendo approfondimenti teorici e considerazioni pratiche per la loro realizzazione fisica.
Date
- 2024-06-28
Type
- Doctoral Thesis
- PeerReviewed
Format
- application/pdf
Identifier
urn:nbn:it:unibo-30442
Cingolani, Matteo (2024) Application of acoustic metamaterials in biomedical and audio fields, [Dissertation thesis], Alma Mater Studiorum Università di Bologna. Dottorato di ricerca in Scienze e tecnologie della salute