A crescente demanda por reduções nos níveis de ruído gerados por veículos, e, mais recentemente, pela melhoria na qualidade sonora, aliada às penalidades associadas ao espaço e peso das soluções passivas, sugerem o uso de técnicas de controle ativo de ruído. O projeto de sistemas ativos deve fazer parte do desenvolvimento de produto desde sua fase de concepção para que tais soluções sejam aplicadas em nível industrial. Portanto, propõem-se metodologias de simulação para o projeto de sistemas de controle de ruído. Modelos vibroacústicos em elementos finitos são reduzidos e formulados em espaço de estados para permitir a simulação do sistema em malha fechada. Os modelos envolvidos permitem a inclusão da dinâmica de sensores e atuadores para que o desempenho seja previsto de forma acurada. As vantagens do uso de simulação de sistema de controle de ruído, além da redução de custo e tempo de projeto, permite o desenvolvimento de sistemas ativos onde estrutura e controle são desenvolvidos de forma simultânea. O procedimento de simulação é validado experimentalmente, tanto para malha aberta quanto para malha fechada, com o uso de uma geometria simplificada de veículo. Graças à redução dos modelos originais, é possível utilizar técnicas de otimização, onde a interação entre a estrutura e o controle são considerados de forma simultânea, resultando em um sistema ativo com desempenho superior a sistemas desenvolvidos separadamente. Através dos resultados obtidos com a otimização observam-se os parâmetros conflitantes e as decisões de compromisso envolvendo o controle de transmissão de ruído em veículos. Demonstra-se, que um sistema de controle estrutural, descentralizado, de alimentação de velocidade, oferece praticidade de implementação e desempenho satisfatório. Finalmente, o impacto do controle ativo na percepção dos ocupantes é avaliado por meio de métricas objetivas de qualidade sonora, como tonalidade e nível de pressão sonora. / The demands for improvement in sound quality and noise reduction generated by vehicles are steadily increasing, as are the penalties for space and weight of passive control solutions. This scenario suggests the use of active noise control. In order to bring active solutions to industrial level applications, the design of such systems should be part of the product development cycle. Therefore, methodologies for simulating and designing such active solutions are proposed. These models should allow the inclusion of sensors and actuators models, if accurate performance indexes are to be accessed. The challenge thus resides in deriving reasonable sized models that integrate structural, acoustical, and even sensor/actuator models in the controller algorithm simulation. The proposed modelling procedure coupe with this challenge, and besides the advantages on the cost and time reduction in the development phase, it allows the development of active systems with structure and controllers being designed concurrently. An experimental validation is performed using data obtained from simplified car geometry. Thanks to the reduced models, it is possible to run optimization routines in which the interaction of structure and control is considered, thus resulting in an improved system when compared to conventional stepwise procedure. The optimization results presented give some insights on the problem of designing active noise controllers for transmission loss in vehicles. It is shown that, a purely structural decentralized velocity feedback controller can offer both, easy practical implementation and satisfactory noise reduction. Also, the impact of the active control on the perceived noise reduction is evaluated with objective sound quality metrics, such as sound pressure level and specific loudness.

A interação entre as ondas vibratórias geradas pela resposta estrutural de uma placa e os modos acústicos de uma cavidade, que é uma das principais fontes de ruído no interior de cabines de automóveis, é estudada empregando técnicas computacionais e experimentais. Para investigar este fenômeno foi construído um protótipo que consiste de uma cavidade feita de acrílico que simula o interior de um veículo. O teto deste modelo pode ser substituído por uma placa de alumínio flexível, para que se possa gerar efeitos de acoplamento entre o campo acústico e a resposta estrutural. Inicialmente, foi feito um estudo analítico do modelo, empregando-se técnicas de elementos finitos com o objetivo de extrair as freqüências naturais e modos vibroacústicos em uma faixa de freqüência abaixo de 300 Hz, em dois casos diferentes: com e sem a presença de assentos dentro da cavidade. Depois disso, o modelo foi submetido a vários testes experimentais, para se obterem as funções de resposta em freqüência, as freqüências naturais vibroacústicas e os modos acústicos e estruturais, usando excitação acústica e estrutural e empregando métodos padrões de análise modal. Para fins de comparação, as FRF\'s vibroacústicas foram obtidas de duas maneiras diferentes: com excitação estrutural e resposta acústica e com excitação acústica e resposta estrutural. As freqüências naturais e os modos vibroacústicos foram medidos usando excitação acústica e estrutural. Neste caso, é mostrada a importância do controle da força excitadora. Alguns parâmetros experimentais foram variados, tais como posicionamento das excitações acústica e estrutural e o tipo de suspensão. Finalmente, é apresentada uma compilação das diferentes técnicas para a extração dos parâmetros modais vibroacústicos, propondo novas metodologias para a medição dos modos acústicos e estruturais em freqüências abaixo de 70 Hz, controlando a força excitadora e utilizando métodos de ajuste de curvas. É mostrado que o uso de excitação acústica e estrutural merece alguns cuidados, visto que a aplicação dos métodos traz restrições de acordo com a faixa de freqüência e a escolha da melhor forma de extração dos modos vibroacústicos depende da freqüência estudada. / The interaction between the vibration waves generated by the structural response of a plate and the acoustic modes of a cavity, which is one of the main noise sources in automobile passenger cabin, is addressed employing both computational and experimental techniques. In order to investigate this phenomenon a prototype which consists of a cavity made of acrylic that resembles a vehicle interior was built. The roof of this model can be replaced by a flexible aluminum plate in order to generate coupling effects between the acoustic field and the structural response. Initially an analytical study was performed on the model employing finite element techniques with the aim of extracting the vibroacoustic natural frequencies and mode shapes in a frequency range below 300 Hz in two different cases: with and without the presence of seats inside the cavity. After that, the model was submitted to several experimental tests in order to obtain the frequency response functions, vibroacoustic natural frequencies and mode shapes, using acoustic and structural excitation and employing standard modal testing methods. For comparison purposes, the vibroacoustic FRF\'s were obtained in two different manners: with the structural excitation and acoustic response and with acoustic excitation and structural response. The vibroacoustic natural frequencies and mode shapes were measured employing both acoustic and structural excitation. In this case, it is shown the importance of the control of the exciting force. Some experimental parameters were varied, such as positioning of the acoustic and structural sources and the suspension type. Finally, a compilation of different techniques for the vibroacoustic modal parameters extraction is presented, proposing new methodologies for the acoustic and structural modes measurements in frequencies below 70 Hz, using force control and curve fitting methods. It is shown that both acoustic and structural excitations have restrictions concerning the frequency range and the choice of the better method for the extraction of the vibroacoustic mode shapes and natural frequencies depends on it.

A crescente demanda por reduções nos níveis de ruído gerados por veículos, e, mais recentemente, pela melhoria na qualidade sonora, aliada às penalidades associadas ao espaço e peso das soluções passivas, sugerem o uso de técnicas de controle ativo de ruído. O projeto de sistemas ativos deve fazer parte do desenvolvimento de produto desde sua fase de concepção para que tais soluções sejam aplicadas em nível industrial. Portanto, propõem-se metodologias de simulação para o projeto de sistemas de controle de ruído. Modelos vibroacústicos em elementos finitos são reduzidos e formulados em espaço de estados para permitir a simulação do sistema em malha fechada. Os modelos envolvidos permitem a inclusão da dinâmica de sensores e atuadores para que o desempenho seja previsto de forma acurada. As vantagens do uso de simulação de sistema de controle de ruído, além da redução de custo e tempo de projeto, permite o desenvolvimento de sistemas ativos onde estrutura e controle são desenvolvidos de forma simultânea. O procedimento de simulação é validado experimentalmente, tanto para malha aberta quanto para malha fechada, com o uso de uma geometria simplificada de veículo. Graças à redução dos modelos originais, é possível utilizar técnicas de otimização, onde a interação entre a estrutura e o controle são considerados de forma simultânea, resultando em um sistema ativo com desempenho superior a sistemas desenvolvidos separadamente. Através dos resultados obtidos com a otimização observam-se os parâmetros conflitantes e as decisões de compromisso envolvendo o controle de transmissão de ruído em veículos. Demonstra-se, que um sistema de controle estrutural, descentralizado, de alimentação de velocidade, oferece praticidade de implementação e desempenho satisfatório. Finalmente, o impacto do controle ativo na percepção dos ocupantes é avaliado por meio de métricas objetivas de qualidade sonora, como tonalidade e nível de pressão sonora. / The demands for improvement in sound quality and noise reduction generated by vehicles are steadily increasing, as are the penalties for space and weight of passive control solutions. This scenario suggests the use of active noise control. In order to bring active solutions to industrial level applications, the design of such systems should be part of the product development cycle. Therefore, methodologies for simulating and designing such active solutions are proposed. These models should allow the inclusion of sensors and actuators models, if accurate performance indexes are to be accessed. The challenge thus resides in deriving reasonable sized models that integrate structural, acoustical, and even sensor/actuator models in the controller algorithm simulation. The proposed modelling procedure coupe with this challenge, and besides the advantages on the cost and time reduction in the development phase, it allows the development of active systems with structure and controllers being designed concurrently. An experimental validation is performed using data obtained from simplified car geometry. Thanks to the reduced models, it is possible to run optimization routines in which the interaction of structure and control is considered, thus resulting in an improved system when compared to conventional stepwise procedure. The optimization results presented give some insights on the problem of designing active noise controllers for transmission loss in vehicles. It is shown that, a purely structural decentralized velocity feedback controller can offer both, easy practical implementation and satisfactory noise reduction. Also, the impact of the active control on the perceived noise reduction is evaluated with objective sound quality metrics, such as sound pressure level and specific loudness.

Submitted by Fernanda Rodrigues de Lima (fernanda.rlima@ufpe.br) on 2018-08-14T20:21:45Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) DISSERTAÇÃO Renan Godoy Burgos.pdf: 6405893 bytes, checksum: b375f61e7bce4dd2414dcf7cf42bf41d (MD5) / Approved for entry into archive by Alice Araujo (alice.caraujo@ufpe.br) on 2018-08-16T19:45:05Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) DISSERTAÇÃO Renan Godoy Burgos.pdf: 6405893 bytes, checksum: b375f61e7bce4dd2414dcf7cf42bf41d (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-16T19:45:05Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) DISSERTAÇÃO Renan Godoy Burgos.pdf: 6405893 bytes, checksum: b375f61e7bce4dd2414dcf7cf42bf41d (MD5) Previous issue date: 2017-03-09 / CAPES / Problemas relacionados à interação fluido-estrutura (IFE) estão presentes em diversos casos práticos na engenharia. Neste sentido, barragens de reservatórios, canais de navegação e pilares de plataformas e aerogeradores offshore são apenas alguns exemplos. O efeito produzido pelo fluido sobre a estrutura é de fundamental importância, pois altera o seu comportamento e produz esforços adicionais, sendo assim indispensável uma análise do sistema acoplado a fim de aperfeiçoar o desenvolvimento de projetos. Atualmente, devido aos avanços na indústria de computadores, as ferramentas numérico-computacionais consistem em meios bastante eficientes para a realização destas avaliações. Dentre os métodos numéricos mais utilizados, podem ser citados o Método das Diferenças Finitas (MDF), o Método dos Elementos Finitos (MEF), o Método dos Volumes Finitos (MVF) e o Método dos Elementos de Contorno (MEC). Este trabalho apresenta uma metodologia progressiva para solução do problema vibroacústico e um código próprio para análises modais bidimensionais do sistema acoplado fluido-estrutura, o qual é inicialmente discretizado por MDF, evoluindo para um acoplamento utilizando o MDF e o MEF simultaneamente e finalmente termina apenas com o MEF para geometrias da cavidade acústica e do sólido envolvendo interfaces curvas. O domínio estrutural é governado pelas equações da elasticidade 2D, ao passo que o comportamento do fluido é descrito pela equação de Helmholtz. O código é aplicado para estudos de casos fictícios e reais. Os resultados são validados a partir da utilização de programa comercial, apresentando erros desprezíveis para malhas discretizadas com tamanho razoável e tempo de processamento viável. / Problems related to fluid-structure interaction (FSI) are present in many practical cases in engineering. In this sense, dams, navigation channels and columns of offshore platforms and wind turbines are some examples. The effect generated by the fluid over the structure has a key importance, because it changes its behavior and adds other forces, and so it’s indispensable an analysis of the coupled system in order to improve the development of projects. Nowadays, because of the progress in computer industry, the numerical and computational tools are fairly efficient means to perform these evaluations. Among the most used numerical methods, there are the Finite Differences Method (FDM), the Finite Element Method (FEM), the Finite Volume Method (FVM) and the Boundary Element Method (BEM). This work presents a code capable of doing modal analysis, for problems in two dimensions, of the fluid-strutcture coupled system, which is initially evaluated through FDM, evolving to a coupling using FDM and FEM simultaneously and it finally finishes with only the FEM for geometries of the acoustic cavity and solid containing curved interfaces. The structural domain is ruled by the 2D elasticity equations, while the fluid is ruled by Helmholtz equation. The code is applied to the study of fictional and real cases. The results are compared with those obtained by commercial software, presenting negligible errors for fair sized meshes with viable processing time.

A interação entre as ondas vibratórias geradas pela resposta estrutural de uma placa e os modos acústicos de uma cavidade, que é uma das principais fontes de ruído no interior de cabines de automóveis, é estudada empregando técnicas computacionais e experimentais. Para investigar este fenômeno foi construído um protótipo que consiste de uma cavidade feita de acrílico que simula o interior de um veículo. O teto deste modelo pode ser substituído por uma placa de alumínio flexível, para que se possa gerar efeitos de acoplamento entre o campo acústico e a resposta estrutural. Inicialmente, foi feito um estudo analítico do modelo, empregando-se técnicas de elementos finitos com o objetivo de extrair as freqüências naturais e modos vibroacústicos em uma faixa de freqüência abaixo de 300 Hz, em dois casos diferentes: com e sem a presença de assentos dentro da cavidade. Depois disso, o modelo foi submetido a vários testes experimentais, para se obterem as funções de resposta em freqüência, as freqüências naturais vibroacústicas e os modos acústicos e estruturais, usando excitação acústica e estrutural e empregando métodos padrões de análise modal. Para fins de comparação, as FRF\'s vibroacústicas foram obtidas de duas maneiras diferentes: com excitação estrutural e resposta acústica e com excitação acústica e resposta estrutural. As freqüências naturais e os modos vibroacústicos foram medidos usando excitação acústica e estrutural. Neste caso, é mostrada a importância do controle da força excitadora. Alguns parâmetros experimentais foram variados, tais como posicionamento das excitações acústica e estrutural e o tipo de suspensão. Finalmente, é apresentada uma compilação das diferentes técnicas para a extração dos parâmetros modais vibroacústicos, propondo novas metodologias para a medição dos modos acústicos e estruturais em freqüências abaixo de 70 Hz, controlando a força excitadora e utilizando métodos de ajuste de curvas. É mostrado que o uso de excitação acústica e estrutural merece alguns cuidados, visto que a aplicação dos métodos traz restrições de acordo com a faixa de freqüência e a escolha da melhor forma de extração dos modos vibroacústicos depende da freqüência estudada. / The interaction between the vibration waves generated by the structural response of a plate and the acoustic modes of a cavity, which is one of the main noise sources in automobile passenger cabin, is addressed employing both computational and experimental techniques. In order to investigate this phenomenon a prototype which consists of a cavity made of acrylic that resembles a vehicle interior was built. The roof of this model can be replaced by a flexible aluminum plate in order to generate coupling effects between the acoustic field and the structural response. Initially an analytical study was performed on the model employing finite element techniques with the aim of extracting the vibroacoustic natural frequencies and mode shapes in a frequency range below 300 Hz in two different cases: with and without the presence of seats inside the cavity. After that, the model was submitted to several experimental tests in order to obtain the frequency response functions, vibroacoustic natural frequencies and mode shapes, using acoustic and structural excitation and employing standard modal testing methods. For comparison purposes, the vibroacoustic FRF\'s were obtained in two different manners: with the structural excitation and acoustic response and with acoustic excitation and structural response. The vibroacoustic natural frequencies and mode shapes were measured employing both acoustic and structural excitation. In this case, it is shown the importance of the control of the exciting force. Some experimental parameters were varied, such as positioning of the acoustic and structural sources and the suspension type. Finally, a compilation of different techniques for the vibroacoustic modal parameters extraction is presented, proposing new methodologies for the acoustic and structural modes measurements in frequencies below 70 Hz, using force control and curve fitting methods. It is shown that both acoustic and structural excitations have restrictions concerning the frequency range and the choice of the better method for the extraction of the vibroacoustic mode shapes and natural frequencies depends on it.

Vibrações estruturais constituem uma das principais fontes de ruído e de desconforto em diversas aplicações, tais como nos produtos das indústrias automotiva, aeroespacial e naval, que, em grande parte, são compostos por estruturas flexíveis semelhantes a placas. Ao mesmo tempo, a demanda crescente por aumento de eficiência energética e por redução de emissão de gases nocivos ao meio ambiente tem levado os fabricantes de todos os segmentos para a utilização de materiais cada vez mais leves. Um desafio importante relacionado ao uso dessas soluções diz respeito ao seu comportamento vibroacústico, já que estruturas leves tendem a transmitir e emitir ruídos de forma mais intensa, particularmente em baixas frequências. Em decorrência disso, a obtenção de uma boa relação entre peso e desempenho vibroacústico usualmente demanda algumas iterações de projeto. Nesse contexto, este trabalho tem por objetivo estabelecer um procedimento numérico para avaliar as propriedades vibroacústicas de placas flexíveis excitadas por um campo gerado no interior de uma cavidade acústica, bem como investigar a influência de parâmetros estruturais que definem a placa sobre o seu desempenho vibroacústico. O escopo aqui é a faixa de baixas frequências, na qual o comportamento do sistema é descrito de forma determinística através de características modais. Foi desenvolvido um modelo numérico em elementos finitos de uma cavidade acústica retangular de paredes rígidas acoplada a uma placa flexível. Uma fonte acústica posicionada no interior da cavidade produz um campo de pressão sonora que induz a placa à vibração e, consequentemente, a irradiar potência sonora para o campo livre exterior. Para realização das análises de sensibilidade, desenvolveu-se um conjunto de rotinas de modo a permitir o gerenciamento automatizado de simulações. Resultados numéricos são apresentados para avaliar a influência de diversos parâmetros estruturais sobre o desempenho vibroacústico da superfície estrutural. O procedimento proposto pode ser aplicado de forma eficiente para a análise de sensibilidade da transmissão de ruído em sistemas vibroacústicos sujeitos à variação de parâmetros estruturais e pode também ser utilizado para avaliar diversos tipos de materiais, como isotrópicos, ortotrópicos e até metamateriais. / Structural vibrations are the major causes of noise and people discomforts in several applications, such as in the products of the automotive, aerospace and naval industries, which are mainly composed of flexible plate-like structures. At the same time, the ever-increasing demands for energy efficiency and for reduced emissions of harmful gases into the environment lead product manufacturers of all industrial sectors towards an increased use of lighter materials. However, these solutions are most sensitive to issues related to vibroacoustic behavior, since the lightweight structures tend to present a high sound transmission, particularly at low frequencies. Consequently, the optimal design of lightweight and noise insulation properties of a structure usually require some design trade-offs. In this context, this dissertation aims to propose a numerical procedure to analyze the vibroacoustic performance of flexible plates subject to an interior acoustic field, as well as to investigate the influence of structural parameters on the sound insulation properties of the plate. The scope here is the low frequency range, in which the response of the coupled system is described in a deterministic way in terms of a mode set. A finite element model of a rigid rectangular acoustic cavity coupled to a flexible plate was developed. An acoustic source inside the cavity produces an interior sound pressure field that forces the flexible plate to vibrate and, consequently, to radiate sound power to the external free field. In order to enable the automatic management of the variability simulations, a set of routines was also developed. Numerical results are presented in order to evaluate the influence of several structural parameters on the vibroacoustic properties of the plate. The proposed methodology can be largely used in sensitivity analysis of noise transmission in vibroacoustic systems subject to the variation of structural parameters and can be used to evaluate many material types, as isotropic, orthotropic and even metamaterials.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Neste trabalho é apresentado um estudo para a determinação do tamanho ótimo da malha de elementos, utilizando redes neurais artificiais, para o cálculo da intensidade útil. A ideia principal é treinar as redes de modo a possibilitar a aprendizagem e o reconhecimento do melhor tamanho para diversas áreas superficiais em fontes sonoras com geometria plana. A vantagem de se utilizar redes neurais artificiais deve-se ao fato de apresentarem um único tamanho para a obtenção da intensidade útil, consequentemente, uma redução significativa de tempo computacional quando comparado com o tempo de cálculo de uma malha bem refinada. Ensaios numéricos com placas planas - geometria separável que permite uma solução analítica - são utilizados para se realizar comparações. É apresentado um estudo comparativo entre o tempo computacional gasto para a obtenção da intensidade útil e o mesmo com a malha otimizada via redes neurais artificiais. Também é apresentada uma comparação do nível de potência sonora mediante solução numérica, a fim de validar os resultados apresentados pelas redes neurais. / In this paper, a study to determine the optimal size of the mesh elements, using artificial neural networks, to calculate useful intensity is presented. The main idea is training the neural networks, enabling them learning and recognizing the best size for the various superficial areas in sound sources with at geometry. The advantage of using artificial neural networks is due to the fact that they present a single size for obtaining the useful intensity, thereby significantly reducing computation time compared with the calculation time for a too fine mesh. Numerical tests with at plates - separable geometry that enables an analytical solution - are used to make comparisons. A comparative study of the computational time spent to obtain the useful intensity and the computational time spent to obtain the useful intensity using the mesh optimized via artificial neural networks is presented. A comparison of the sound power level obtained by the numerical solution in order to validate the results using neural networks is also presented.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Neste trabalho é apresentado um estudo para a determinação do tamanho ótimo da malha de elementos, utilizando redes neurais artificiais, para o cálculo da intensidade útil. A ideia principal é treinar as redes de modo a possibilitar a aprendizagem e o reconhecimento do melhor tamanho para diversas áreas superficiais em fontes sonoras com geometria plana. A vantagem de se utilizar redes neurais artificiais deve-se ao fato de apresentarem um único tamanho para a obtenção da intensidade útil, consequentemente, uma redução significativa de tempo computacional quando comparado com o tempo de cálculo de uma malha bem refinada. Ensaios numéricos com placas planas - geometria separável que permite uma solução analítica - são utilizados para se realizar comparações. É apresentado um estudo comparativo entre o tempo computacional gasto para a obtenção da intensidade útil e o mesmo com a malha otimizada via redes neurais artificiais. Também é apresentada uma comparação do nível de potência sonora mediante solução numérica, a fim de validar os resultados apresentados pelas redes neurais. / In this paper, a study to determine the optimal size of the mesh elements, using artificial neural networks, to calculate useful intensity is presented. The main idea is training the neural networks, enabling them learning and recognizing the best size for the various superficial areas in sound sources with at geometry. The advantage of using artificial neural networks is due to the fact that they present a single size for obtaining the useful intensity, thereby significantly reducing computation time compared with the calculation time for a too fine mesh. Numerical tests with at plates - separable geometry that enables an analytical solution - are used to make comparisons. A comparative study of the computational time spent to obtain the useful intensity and the computational time spent to obtain the useful intensity using the mesh optimized via artificial neural networks is presented. A comparison of the sound power level obtained by the numerical solution in order to validate the results using neural networks is also presented.

Vibrações estruturais constituem uma das principais fontes de ruído e de desconforto em diversas aplicações, tais como nos produtos das indústrias automotiva, aeroespacial e naval, que, em grande parte, são compostos por estruturas flexíveis semelhantes a placas. Ao mesmo tempo, a demanda crescente por aumento de eficiência energética e por redução de emissão de gases nocivos ao meio ambiente tem levado os fabricantes de todos os segmentos para a utilização de materiais cada vez mais leves. Um desafio importante relacionado ao uso dessas soluções diz respeito ao seu comportamento vibroacústico, já que estruturas leves tendem a transmitir e emitir ruídos de forma mais intensa, particularmente em baixas frequências. Em decorrência disso, a obtenção de uma boa relação entre peso e desempenho vibroacústico usualmente demanda algumas iterações de projeto. Nesse contexto, este trabalho tem por objetivo estabelecer um procedimento numérico para avaliar as propriedades vibroacústicas de placas flexíveis excitadas por um campo gerado no interior de uma cavidade acústica, bem como investigar a influência de parâmetros estruturais que definem a placa sobre o seu desempenho vibroacústico. O escopo aqui é a faixa de baixas frequências, na qual o comportamento do sistema é descrito de forma determinística através de características modais. Foi desenvolvido um modelo numérico em elementos finitos de uma cavidade acústica retangular de paredes rígidas acoplada a uma placa flexível. Uma fonte acústica posicionada no interior da cavidade produz um campo de pressão sonora que induz a placa à vibração e, consequentemente, a irradiar potência sonora para o campo livre exterior. Para realização das análises de sensibilidade, desenvolveu-se um conjunto de rotinas de modo a permitir o gerenciamento automatizado de simulações. Resultados numéricos são apresentados para avaliar a influência de diversos parâmetros estruturais sobre o desempenho vibroacústico da superfície estrutural. O procedimento proposto pode ser aplicado de forma eficiente para a análise de sensibilidade da transmissão de ruído em sistemas vibroacústicos sujeitos à variação de parâmetros estruturais e pode também ser utilizado para avaliar diversos tipos de materiais, como isotrópicos, ortotrópicos e até metamateriais. / Structural vibrations are the major causes of noise and people discomforts in several applications, such as in the products of the automotive, aerospace and naval industries, which are mainly composed of flexible plate-like structures. At the same time, the ever-increasing demands for energy efficiency and for reduced emissions of harmful gases into the environment lead product manufacturers of all industrial sectors towards an increased use of lighter materials. However, these solutions are most sensitive to issues related to vibroacoustic behavior, since the lightweight structures tend to present a high sound transmission, particularly at low frequencies. Consequently, the optimal design of lightweight and noise insulation properties of a structure usually require some design trade-offs. In this context, this dissertation aims to propose a numerical procedure to analyze the vibroacoustic performance of flexible plates subject to an interior acoustic field, as well as to investigate the influence of structural parameters on the sound insulation properties of the plate. The scope here is the low frequency range, in which the response of the coupled system is described in a deterministic way in terms of a mode set. A finite element model of a rigid rectangular acoustic cavity coupled to a flexible plate was developed. An acoustic source inside the cavity produces an interior sound pressure field that forces the flexible plate to vibrate and, consequently, to radiate sound power to the external free field. In order to enable the automatic management of the variability simulations, a set of routines was also developed. Numerical results are presented in order to evaluate the influence of several structural parameters on the vibroacoustic properties of the plate. The proposed methodology can be largely used in sensitivity analysis of noise transmission in vibroacoustic systems subject to the variation of structural parameters and can be used to evaluate many material types, as isotropic, orthotropic and even metamaterials.

[ES] La contaminación acústica se ha convertido en una causa de importantes problemas de salud, como alteraciones del sueño, cardiovasculares o cognitivas. En áreas urbanas, los altos valores del ruido debido al transporte y a otras actividades humanas pueden ser especialmente dañinos. Se trata de un tema de estudio abierto, debido a la amplia naturaleza del ruido y su gama de posibles fuentes (y, por lo tanto, las posibles soluciones para paliar cada una de ellas). Esta tesis se centra en la minimización del (i) ruido del sistema de escape, que puede abordarse mediante el uso de silenciadores (que a su vez tienen otras aplicaciones, como en los sistemas HVAC, es decir, calefacción, ventilación y aire acondicionado), así como del (ii) ruido y las vibraciones generales causados por el transporte, como por ejemplo el ruido de rodadura de los ferrocarriles, y el uso de barreras acústicas para mitigarlo. Por un lado, los silenciadores (que se pueden dividir en configuraciones reactivas, disipativas e híbridas) fueron adoptados hace tiempo en la línea de escape, pero también se ha extendido el uso de convertidores catalíticos y filtros de partículas diésel, los cuales, si bien su uso responde a razones medioambientales más que de reducción del ruido, tienen un impacto en el rendimiento acústico del sistema de escape. En este punto, se revisan diversas técnicas para la simulación numérica de la propagación del sonido dentro de conductos y demás dispositivos mencionados, y se proponen varios esquemas de optimización para la minimización de la transmisión del ruido. Esto incluye (i) la optimización dimensional de los silenciadores (incluidas las cámaras reactivas y disipativas), (ii) la optimización topológica del material disipativo (su distribución de densidad) dentro de la cámara disipativa y (iii) la optimización dimensional de los dispositivos de postratamiento de escape (convertidores catalíticos y filtros de partículas diésel). Por otro lado, el apantallamiento acústico tiene una amplia gama de aplicaciones, como las barreras acústicas de tráfico, carenados de ruedas de trenes o incluso revestimientos de conductos HVAC. En este punto, se requiere acoplar los problemas acústico y elástico en el contorno aire-estructura para obtener el problema vibroacústico. Aquí se plantea una formulación híbrida en desplazamiento-presión y se aplica a varios casos prácticos, con el fin de obtener diseños elásticos acústicamente optimizados. / [CA] La contaminació acústica s'ha convertit en una causa d'importants problemes de salut, com ara alteracions del son, cardiovasculars o cognitives. En àrees urbanes, els alts valors del soroll degut al transport i a altres activitats humanes poden ser especialment nocius. Es tracta d'un tema d'estudi obert, a causa de l'àmplia naturalesa del soroll i la gamma de possibles fonts (i, per tant, les possibles solucions per pal·liar cadascuna). Aquesta tesi se centra en la minimització del (i) soroll del sistema d'escapament, que es pot abordar mitjançant l'ús de silenciadors (que alhora tenen altres aplicacions, com en els sistemes HVAC, és a dir, calefacció, ventilació i aire condicionat), així com del (ii) soroll i les vibracions generals causats pel transport, com ara el soroll de rodament dels ferrocarrils, i l'ús de barreres acústiques per mitigar-lo. D'una banda, els silenciadors (que es poden dividir en configuracions reactives, dissipatives i híbrides) van ser adoptats fa temps a la línia d'escapament, però també s'ha estès l'ús de convertidors catalítics i filtres de partícules dièsel, els quals, si bé el seu ús respon a raons mediambientals més que de reducció del soroll, tenen un impacte en el rendiment acústic del sistema d'escapament. En aquest punt, es revisen diverses tècniques per a la simulació numèrica de la propagació del so dins de conductes i altres dispositius esmentats, i es proposen diversos esquemes d'optimització per minimitzar la transmissió del soroll. Això inclou (i) l'optimització dimensional dels silenciadors (incloses les càmeres reactives i dissipatives), (ii) l'optimització topològica del material disipatiu (la distribució de densitat) dins de la càmera disipativa i (iii) l'optimització dimensional dels dispositius de posttractament d'escapament (convertidors catalítics i filtres de partícules dièsel). D'altra banda, l'apantallament acústic té una àmplia gamma d'aplicacions, com ara les barreres acústiques de trànsit, carenats de rodes de trens o fins i tot revestiments de conductes HVAC. En aquest punt, cal acoblar els problemes acústic i elàstic al contorn aire-estructura per obtenir el problema vibroacústic. Aquí es planteja una formulació híbrida en desplaçament-pressió i s'aplica a diversos casos pràctics per obtenir dissenys elàstics acústicament optimitzats. / [EN] Noise pollution has become a cause of major health problems, such as sleep, cardiovascular or cognitive alterations. In urban areas, the high values of transport and other human-activity-related noise can be especially harmful. This issue is a large subject of study, due to the broad nature of noise and its range of possible sources (and therefore the potential solutions to alleviate each of them). This Thesis focuses on the minimization of (i) exhaust system noise, which can be addressed by the use of mufflers (which in turn have other applications, such as in HVAC systems, i.e., heating, ventilation, and air conditioning), and (ii) general noise and vibration caused by transport, such as railway rolling noise, and the use of sound barriers to alleviate it. On the one hand, mufflers (which can be divided into reactive, dissipative, and hybrid configurations) were long ago adopted in the exhaust line, but also the use of catalytic converters and diesel particulate filters has become spread, and, while their use responds to environmental rather than noise reduction reasons, they have an impact in the acoustic performance of the exhaust system. Diverse techniques for the modelling of sound propagation within ducts and the other aforementioned devices are reviewed, and several optimization schemes are proposed for the minimization of noise transmission. This includes (i) the sizing optimization of mufflers (including reactive and dissipative chambers), (ii) the topology optimization of the dissipative material (its density layout) within the dissipative chamber, and (iii) the sizing optimization of exhaust aftertreatment devices (catalytic converters and diesel particulate filters). On the other hand, sound barriers have a wide range of applications, such as traffic noise barriers, train wheel fairings or even HVAC duct coatings. At this point, it is required to pair the acoustic and the elastic problems at the air-structure boundary to obtain the vibroacoustic problem. A hybrid displacement-pressure formulation is recalled here and applied to several case studies, in order to obtain acoustically-optimized elastic designs. / Ferrándiz Catalá, B. (2023). Development of topology optimization techniques for noise pollution minimization in acoustic and fluid-structure problems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/197985