Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Coupling FEM, bloch waves and TMM in meta poroelastic laminates
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Aeronautical and Vehicle Engineering, Marcus Wallenberg Laboratory MWL. Université du Maine, France.
Show others and affiliations
2018 (English)In: Acta Acoustica united with Acustica, ISSN 1610-1928, E-ISSN 1861-9959, Vol. 104, no 2, p. 220-227Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

The propagation of airborne plane waves in the presence of a meta poroelastic laminate, that is a poroelastic matrix coated with thin elastic layers at its facings and periodically-embedded with inclusions, is studied. Using the Finite Element Method (FEM) only would result in a drastic increase of the degrees of freedom due to the fine mesh required to account for the very thin coatings. Here, the approach relies on: The Bloch wave expansion of the fields in air; the modal Transfer Matrix Method to account for the coatings; and the coupling with the FEM model of the poroelastic matrix and the resonant inclusions. The model is developed for reflection and transmission problems and it can account for coatings with multiple layers. The procedure induces the addition of the Bloch coefficients in the FEM's linear system at a negligible additional computational cost. It is applied to the meta poroelastic laminates with poroelastic inclusions and rubber shell inclusions. The results are compared with those from the Multiple Scattering Theory and an excellent agreement between the methods is found. The approach offers a numerically-efficient way to account for coatings applied to meta poroelastic layers, and finds applications in industrial prototypes where coatings are widely used.

Place, publisher, year, edition, pages
S. Hirzel Verlag GmbH , 2018. Vol. 104, no 2, p. 220-227
National Category
Applied Mechanics
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-224825DOI: 10.3813/AAA.919163ISI: 000428258600005Scopus ID: 2-s2.0-85043755972OAI: oai:DiVA.org:kth-224825DiVA, id: diva2:1193240
Note

QC 20180326

Available from: 2018-03-26 Created: 2018-03-26 Last updated: 2019-11-06Bibliographically approved
In thesis
1. Modelling of thin and imperfect interfaces: Tools and preliminary study
Open this publication in new window or tab >>Modelling of thin and imperfect interfaces: Tools and preliminary study
2018 (English)Licentiate thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

For quite some time, the strive for more efficient acoustic absorbers keepsincreasing, driven by a number of psycho-physiological studies on health re-lated dangers of noise exposure. As the global wealth increases and with itthe global expectation of quieter living and working environments, manifestedin both politics and research, an important market for sound absorbing andnoise control systems develops in all industrialised countries. In the acousticcommunity, the main endeavours of the two last decades have been orientedtowards a better understanding of the dissipation phenomena in absorbers(and especially in poroelastic media) as well as proposing new topologies andstructures for these elements. These efforts have resulted in an abundant lit-erature and numerous improvements of the characterisation, modelling anddesign methodologies for a wide range of media and many different systems.The chosen research direction for the present thesis slightly deviates fromthis usual path of modelling absorbing materials as bulk media. Here theaim is to investigate the interfaces between the different components of typ-ical absorbers. Indeed, these interface regions are known to be difficult tocharacterise and controlling their properties is challenging for a number ofreasons. Interfaces in sound packages for instance are inherently by-productsof the assembly process and, even if they surely have an important impact onthe acoustic performance, they remain mostly overlooked in the establishedmodelling practices. Therefore, the overall objective of the current doctoralproject is to identify strategies and methods to simulate the effect(s) of un-certainties on the interface physical or geometrical parameters.The present licentiate thesis compiles three works which together form adiscussion about techniques and tools designed in an attempt to efficientlymodel thin layers and small details in rather large systems. As part of thework a section of physical model simplifications is discussed which will laythe ground for the next stages of the research. Two publications on the firsttopic are included, presenting Finite-Element-based hybrid methods that al-low for coating elements in meta-poroelastic systems to be taken into accountand reduce the computational cost of modelling small geometric features em-bedded in large domains. The third included contribution is an anticipation,to a certain extent, of the remainder of the doctoral project, discussing theuse of physical heuristics to simplify porous thin film models. Here a steptowards the modelling of interface zones is taken, departing from numericalsimulations and reflecting instead on the physical description and modellingof thin poroelastic layers.

Abstract [sv]

Sedan en tid tillbaka kan en ökande efterfrågan av material och konstruk-tioner med effektivare akustiska absorptionsegenskaper skönjas. Detta drivsav ett antal psykofysiologiska studier kring hälsorisker relaterade till långva-rig bullerexponering. Till detta kommer den växande globala välfärden somger upphov till en förväntad höjning livskvalitet i form av till exempel tystareboende- och arbetsmiljöer, manifesterad i både politiska beslut och forskning.Ur detta utvecklas en viktig marknad för ljudabsorberande material, kon-struktioner och bullerreducerande system i allt fler länder. Inom forskningensom rör akustiska material och bulleråtgärder, har forskningen under de tvåsenaste decennierna framförallt varit inriktad på en bättre förståelse för dis-sipationsfenomen (omvandling av akustisk energi till andra energiformer, tillexempel värme) i absorberande material (och särskilt då i poroelastiska me-dier) samt att utveckla nya topologier och sammansatta strukturer för dennatyp av akustiska element. Dessa ansträngningar har resulterat i en omfattan-de vetenskaplig litteratur och framsteg inom karaktäriserings-, modellerings-och designmetoder, och innovativa lösningar, för olika tillämpningar .Forskningen i denna avhandling avviker något från den traditionella mo-delleringen av absorberande material, genom att undersöka gränsytorna mel-lan olika skikt och komponenter hos typiska absorbenter. Faktum är att des-sa gränssnittsregioner är kända för att vara både svåra att karaktärisera ochatt styra deras egenskaper i produktion är en utmaning av ett antal olikaskäl. Angränsande ytor i ljudabsorbenter är till exempel ofta biprodukterfrån tillverknings- och monteringsprocessen och, även om de utan tvekan haren viktig inverkan på akustiska prestanda, bortses det ofta från dessa i deflesta etablerade simuleringsmodeller. Det övergripande målet med forskning-en inom detta projektet är därför att identifiera strategier och metoder föratt modellera och simulera effekterna av osäkerheter i tillhörande fysiska ellergeometriska parametrar som används för att beskriva dessa gränsytor.I denna licentiatavhandling sammanställs tre artiklar som tillsammans ut-gör en diskussion om tekniker och verktyg utformade för att effektivt model-lera tunna skikt och små detaljer som delar i större komponenter och system.Som en del av arbetet diskuteras dessutom en del av de fysikaliska modell-förenklingar som kommer att ligga till grund för nästa etapp av forskningen.I två publikationer som berör det första ämnet ingår finita element-baseradehybridmetoder som möjliggör modellering av olika typer av täckskikt i såkallade meta-poroelastiska system, med fokus på noggrannhet och beräk-ningskostnader för modellering av små geometriska inneslutningar inbäddadei större domäner. Det tredje bidraget diskuterar användningen av heuristiska,förenklade porösa tunnfilmsmodeller som baseras på fysikaliska förenklingaroch som möjliggör modellering av tunna skikt i numeriska simuleringar somen del av sammansatta poroelastiska komponenter.

Abstract [fr]

Depuis quelques temps, l’effort pour améliorer l’efficacité des absorbeursacoustique n’a cessé d’augmenter, sous-tendu par nombre d’études psycho-physiques sur les dangers de l’exposition au bruit pour la santé. Alors quecroit la richesse globale et avec elle l’envie d’environnements de travail et devie plus silencieux (ce qui se manifeste dans les politiques publiques comme enrecherche), un marché important se développe pour les systèmes d’absorptionet de contrôle du bruit dans tous les pays industrialisés. Dans la communautéacoustique, les principaux efforts au cours des vingt dernières années se sontorientés vers une meilleure compréhension des phénomènes de dissipation dansles absorbeurs (et en particulier dans les matériaux poroélastiques) ainsi quevers la recherche de nouvelles topologies et structures pour ces éléments. Cesefforts ont mené à une littérature abondante et de nombreuses améliorationsdes méthodologies de caractérisation, modélisation et conception pour unelarge gamme de média et de nombreux systèmes.L’axe de recherche choisi pour la présente thèse diffère quelque peu duchemin classique visant à modéliser le cœur des matériaux absorbants. Ici,l’objectif est d’étudier les interfaces entre les différents composants des absor-beurs classiques. En effet, ces régions sont notoirement difficiles à caractériseret contrôler leurs propriétés est un défi complexe pour un certain nombre deraisons. Les interfaces au sein des isolants acoustiques sont intrinsèquementdes sous-produits du processus d’assemblage et, bien qu’ils aient un impactimportant sur la performance acoustique, sont le plus souvent négligés dansles modèles classiques. L’objectif global du projet doctoral est ainsi d’identi-fier des stratégies et méthodes pour simuler le ou les effets d’incertitudes surles paramètres physiques ou géométriques des interfaces.La présente thèse de Licentiate compile trois travaux qui, pris ensemble,forment une discussion autour de techniques et d’outils conçus pour modéli-ser efficacement des couches et détails fins inclus dans d’assez grand systèmes.Une section de la dissertation s’attarde sur des possibles simplifications desmodèles physiques et discute ce qui formera la base des prochaines étapesde cette recherche. Deux publications traitant du premier sujet sont inclues,présentant deux méthodes hybrides basées sur la FEM qui permettent deprendre en compte les fines couches recouvrant par exemple les systèmesmeta-poroélastiques pour un coup réduit ainsi que de modéliser de petitséléments géométriques présents dans de grands domaines. La dernière contri-bution jointe à cette thèse anticipe, dans une certaine mesure, la suite duprojet doctoral en proposant l’utilisation d’heuristiques physiques pour sim-plifier un modèle pour les films acoustiques fins. Cela constitue un pas vers lamodélisation des zones d’interfaces en s’éloignant des simulations numériquesau profit d’une réflexion sur la description et la modélisation des couchesporoélastiques fines.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2018. p. 44
Series
TRITA-SCI-FOU ; 2018:29
Keywords
thin layers, numerical methods, FEM, poroelastic materials, couches fines, méthodes numériques, MEF, matériaux po- roélastiques
National Category
Fluid Mechanics and Acoustics
Research subject
Engineering Mechanics
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-227979 (URN)978-91-7729-839-7 (ISBN)
Presentation
2018-06-13, Q2, Drottning Kristinas vägen, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 20180516

Available from: 2018-05-16 Created: 2018-05-16 Last updated: 2019-12-10Bibliographically approved
2. Modelling strategies for thin imperfect interfaces and layers
Open this publication in new window or tab >>Modelling strategies for thin imperfect interfaces and layers
2019 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Alternative title[fr]
Stratégies de modélisation pour les interfaces et couches fines et imparfaites
Abstract [en]

The global trend towards quieter environments has been one of the key topics of acoustics research for years. The recent tightening of the regulations on noise exposure as well as the many reports on the impact of noise on human health confirm this situation and stress ever more the need for innovative mitigation strategies. Numerous efforts from many teams allowed to refine existing solutions and explore new approaches towards a lower noise level ultimately leading to a number of promising concepts. Central to this field, the use of poroelastic media and the development of realistic meta-materials are paving the way to tackle the problem. In the meantime, a great part of the most widely adopted systems to mitigate noise, such as acoustics panels for instance, resort to thin resistive screens placed on the surface to protect the bulk and control the properties. Despite often being one of the thinnest components of the systems, they have a non-negligible impact on the overall response and are subject to a number of uncertainties.The approach chosen in this thesis differs from the global trend of designing new solutions and conversely relies on investigating the effect of uncertainties inherent to all these sound proofing systems. More precisely, the work performed focuses on modelling the impact of uncertain interfaces and uncertain parameters in the thin layers used as protective, tuning or aesthetic elements. These acoustic films, and to a certain extent the thin interface zones resulting from the assembly process, are notably challenging to characterise with precision. The main goal of this thesis is then to propose strategies to account for uncertainties on the parameters of the films and interfaces and predict their impact on the overall response of the systems.Three different scientific contributions are presented in this thesis. Together they discuss modelling aspects related to the films, propose possible simplifications and demonstrate the effect of parameter uncertainties. Finally they introduce numerical strategies to efficiently account for uncertainties in computations within the context of poroelastic and meta-poroelastic media.

Abstract [sv]

Den globala trenden mot allt tystare miljöer, har i flera år varit i fokus för forskningen inom teknisk akustik. Den senaste tidens skärpning av de reglementen som berör gränser för tillåten ljud- och bullerexponering, tillsammans med studier av bullers påverkan på hälsa, välbefinnande, inlärningsförmåga etc., understryker behovet av nya innovativa strategier. Dessa inbegriper som exempel förfining av redan existerande lösningar, utforskande av nya vägar till effektiva åtgärder för att uppnå en lägre ljudnivå, med flera. Stommen i de flesta åtgärder för att reducera ljudnivåer har sedan mitten av 1900-talet varit olika former av poroelastiska material och under de senaste decennierna även en utveckling av så kallade metamaterial, d.v.s. material vars egenskaper ej går att finna i naturen förekommande form, vilket även bereder väg för att finna nya lösningar på problemet. I dagsläget används, i de mest allmänt använda systemen för att reducera buller, till största delen tunna resistenta skikt som placeras på ytan för att skydda mot mekanisk påverkan och men även för att kunna kontrollera de akustiska egenskaperna. Trots att dessa ytskikt oftast är en av de tunnaste komponenterna i olika system, så är deras påverkan på det totala resultatet avsevärd och kan inte förbises. På grund av deras design, är tillverkningen ofta behäftad med bristande precision och de bidrar därför ofta till att de totala akustiska egenskaperna hos sammansatta system där de ingår, ofta uppvisar en spridning på grund av denna variation.I denna avhandling behandlas metoder för kunna undersöka effekten av dessa oundvikliga osäkerheter som finns i alla dessa ljudreducerande system. Mer precist, så har arbetet fokuserat på att modellera den påverkan som osäkerheten i gränsytorna och parametrarna i de tunna ytlagren innebär. Bland annat har arbetet varit inriktat på att hantera de utmaningar som ligger i att med precision karaktärisera de akustiska ytskikten och i viss utsträckning de tunna gränsytornas avskärmning som kommer av monteringsprocessen. Avhandlingens mål är att föreslå strategier för att ta i beaktande de osäkerheter hos filmens och gränsytornas parametrar för att förutse deras påverkan på det totala resultatet av systemet.Tre olika vetenskapliga bidrag presenteras i denna avhandling. Tillsammans behandlar de modelleringsaspekter relaterade till de tunna ytskikten, föreslår möjliga förenklingar och demonstrerar effekterna av osäkerheter i ingående modellparametrar. Slutligen introduceras numeriska strategier för att genom beräkningar, effektivt kunna beakta osäkerheterna gällande poroelastiska och meta-poroelastiska medier.

Abstract [fr]

La tendance globale poussant à développer des environnements plus calmes est, depuis des années, un des aspects clés de la recherche en acoustique. Le récent durcissement des régulations sur l'exposition au bruit ainsi que les nombreux rapports concernant son impact sur la santé humaine rappellent le besoin criant de stratégies innovante pour palier le problème. Le travail de nombreuses équipes a permis d'améliorer les solutions existantes et d'explorer de nouvelles approches, aboutissant à de nouveaux concepts prometteurs. L'utilisation de matériaux poroélastiques et  le développement de matériaux méta-poroélastiques réalistes sont un élément central de ces recherches et préfigurent des pistes viables pour résoudre le problème du bruit. En parallèle, une grande partie des systèmes courants pour le traitement des nuisances sonores, comme les panneaux acoustiques, utilisent de fins films résistifs placés en surface pour protéger les matériaux et contrôler le comportement acoustique du système. Malgré que ces films soient souvent les plus petits composants des panneaux, ils ont un impact non-négligeable sur la réponse globale et sont sujet à un certain nombre d'incertitudes.L'approche choisie dans cette thèse diffère de la tendance globale poussant au développement de nouveaux système. À l'inverse, ce travail s'emploie à modéliser l'impact des incertitudes concernant les films acoustiques et zones d'interface sur le comportement des absorbeurs et traitement acoustiques. Ces films et zones sont notoirement difficiles à caractériser avec précision à cause de leurs propriétés ou de de leur inaccessibilité. Le principal objectif de cette thèse est de proposer des stratégies pour prendre en compte les incertitudes et interfaces afin de prédire leur impact sur la réponse globale.Trois contributions scientifiques sont présentées. Ensemble, elle discutent différents aspects de modélisation se rapportant aux films et aux absorbeurs, proposent de possibles simplifications et mettent en lumière  l'effet des incertitudes. Finalement, ces contributions introduisent des stratégies au niveau du modèle ou du calcul pour prendre en compte les incertitudes dans le contexte des matériaux poroélastiques et méta-poroélastiques.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2019
Series
TRITA-SCI-FOU ; 2019:52
Series
NNT ; 2019LEMA1029
Keywords
uncertainties, thin layers, numerical methods, simplified models, poroelastic materials, incertitudes, couches fines, méthodes numeriques, modèles simplifiés, matériaux poroélastiques, osäkerheter, tunna lager, numeriska metoder, förenklade modeller, poroelastiska medier
National Category
Fluid Mechanics and Acoustics Vehicle Engineering
Research subject
Engineering Mechanics
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-263419 (URN)978-91-7873-356-9 (ISBN)978-91-7873-356-9 (ISBN)
Public defence
2019-12-13, F3, Lindstedtsvägen 26, Stockholm, 10:15 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 20191119

Available from: 2019-11-19 Created: 2019-11-06 Last updated: 2019-11-19Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Other links

Publisher's full textScopus

Authority records BETA

Göransson, Peter

Search in DiVA

By author/editor
Gaborit, Mathieu MaëlGöransson, Peter
By organisation
Marcus Wallenberg Laboratory MWL
In the same journal
Acta Acoustica united with Acustica
Applied Mechanics

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 91 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf