Investigação experimental de propagação de ondas em estruturas leves : aplicações em compósitos e metamateriais

Abstract

O constante avanço tecnológico e no processo de manufatura proporcionam o crescimento da utilização de materiais com atributos físicos-mecânicos não alcançados por insumos convencionais, tais como materiais compósitos e metamateriais. Estes materiais apresentam propriedades vibroacústicas superioriores em regiões de médias e altas frequências, onde os métodos modais tradicionais não são aplicáveis. Parâmetros como número de onda, velocidade de grupo, densidade modal e potência dissipada caracterizam seu desempenho dinâmico e podem ser analisadas por métodos baseados em propagação de ondas. Diante disto, este trabalho apresenta uma investigação de métodos experimentais de caracterização do comportamento dinâmico de estruturas leves: painel compósito do tipo sanduíche com núcleo de honeycomb e vigas de poliamidas com e sem ressonadores mecânicos (metamateriais). Os painéis sanduíches compósitos se destacam devido à suas características de alta resistência combinadas a uma baixa massa específica. Já o metamaterial, destaca-se no controle de vibrações e ruído dados a sua capacidade de atenuação de vibração para certas bandas de frequência, denominado efeito bandgap. Foram analisados três métodos experimentais com o objetivo de obter o número de onda, o primeiro método utiliza a resposta em frequência em três pontos igualmente espaçados na estrutura, o segundo é denominado método de Séries de Fourier Discreta Regressiva (RDFS) em que utiliza o conceito de frequências espaciais e transformada discreta de Fourier e o último método emprega os pontos de máximos do coeficiente de correlação para estimar o número de onda. Uma análise preliminar foi realizada aplicando tais métodos às respostas dinâmicas experimentais de uma estrutura bem conhecida, uma viga de aço. A instrumentação e o sistema de aquisição foram adequadamente adotados para a realização dos ensaios experimentais para cada estrutura analisada, considerando fatores de sensibilidade, faixa de frequência de excitação e relação entre massa da amostra e a massa dos transdutores. Para as estruturas unidimensionais os resultados experimentais foram comparados a resultados analíticos calculados levando em consideração as suas propriedades e geometrias. Já para a estrutura bidimensional, painel compósito, os resultados experimentais são comparados a resultados numéricos presentes na literatura. Os resultados encontrados em todos os métodos aplicados são condizentes com os resultados analíticos e numéricos. No metamaterial foi possível identificar o efeito bandgap na frequência entre 1500 Hz a 1800 Hz. No entanto, o método de correlação mostrou-se mais preciso e com menos parâmetros a serem determinados em comparação aos demais métodos.