Desenvolvimento e avaliação comparativa de metamateriais ressonantes mecânicos para isolamento acústico e vibratório

Abstract

O controle de ruídos e vibrações de baixa frequência tem sido tema recorrente em pesquisasnos últimos anos. Uma das abordagens para atenuação de respostas dinâmicas indesejadasque está em evidência são os metamateriais, que surgem como solução para a criação de faixasde atenuação (bandgaps), atuando na redução e no controle de problemas relacionados ao comportamento dinâmico em diversas aplicações. Entre algumas das abordagens de metamateriaisestão os ressonadores passivos, os modelos ativos e os semi-ativos.Neste trabalho, o objetivo principal é desenvolver ressonadores estritamente passivos que possam ser utilizados como referência para, no futuro, desenvolver e comparar resultados com modelos mais complexos que se utilizem de estratégias como otimizações topológicas e efeitosativos para gerar ganhos de desempenho. Nesse sentido, foram desenvolvidos, com auxíliode ferramentas de modelagem numérica via Método dos Elementos Finitos, três protótipos demetamateriais ressonantes a serem comparados, a fim de explorar conceitos diferentes de construção: o primeiro, um ressonador simples como um sistema massa-mola; o segundo, um modelocom mais de um grau de liberdade capaz de atuar simultaneamente em bandas distintas de frequência; e o terceiro, uma montagem de conjunto, para avaliar o efeito de acoplar ressonadoresdiferentes a uma mesma base. As peças foram produzidas por impressão 3D e posteriormentesubmetidas a ensaios modais individuais e a um ensaio aplicado em uma placa plana embutidaem um mock-up veicular, para avaliar seu desempenho em modificar a resposta dinâmica do sistema vibro-acústico. Além disso, os resultados foram confrontados com o desempenho de umasolução semi-ativa presente na literatura.Os resultados indicam que os modelos desenvolvidos apresentam elevada capacidade de atenuação e controle em frequências pontuais. Em particular, na frequência-alvo de aproximadamente140 Hz, para a qual os ressonadores foram dimensionados, os modelos alcançaram atenuaçõesda ordem de até 22 dB no espectro de potência dentro da banda de interesse, evidenciando a efetividade e consistência das soluções propostas para controle em frequência específica. Quantoao comportamento em banda mais ampla, observou-se que o terceiro modelo também apresentou desempenho promissor em atenuação em banda. Considerando a atenuação em banda larga(avaliada pela redução da PSD da placa como um todo), o Modelo 1 gerou redução de aproximadamente 1 dB, o modelo de 2 GDL gerou cerca de 3 dB, e o Modelo 3 chegou próximo a 11dB, indicando que as diferenças mais expressivas entre as topologias se manifestam principalmente no efeito global em banda. Além disso, o sistema foi avaliado do ponto de vista de controleacústico: apresentou potencial limitado para reduzir a transmissão acústica através da estruturae indícios de capacidade de redução da resposta acústica gerada por excitações mecânicas emfrequências específicas.