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2021

conference European Congress and Exposition on Noise Control Engineering (EuroNoise 2021)

Perfect broadband sound absorber metamaterial for noise reduction in a rocket launch

José M. Requena-Plens , Rubén Picó , Víctor J. Sánchez-Morcillo , Noé Jiménez , Alejandro Cebrecos , Mara Salut Escartí-Guillem

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Abstract

Metamaterials based on Helmholtz resonators represent alternatives for noise mitigation applications where traditional materials can not be used due to the environmental conditions. One such case is found in the extreme acoustic event caused by a rocket launch. Metamaterials can also be designed on demand to act on the sound waves at a specific frequency range, which depends on the particular application. In this work we present the design procedure of a metamaterial panel, with a potential use for noise mitigation during a rocket launch. The proposed sound absorber presents almost perfect sound absorption in a prescribed bandwidth. The geometrical parameters of a unit cell, the building block of the panel, are obtained by using the transfer matrix method, and the use of optimization algorithms. The effective acoustical parameters of the designed metamaterial are also obtained. Using the effective parameters, the acoustical response of a panel built from an array including a large number of unit cells is numerically computed. Finally, experiments in an impedance tube that validate the theoretical results are presented.

conference European Congress and Exposition on Noise Control Engineering (EuroNoise 2021)

Sound diffusing metasurfaces based on elastic plates and membranes

José M. Requena-Plens , Jean-Philippe Groby , Noé Jiménez , Vicente Romero-García

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Abstract

Traditional acoustic diffusers are based on quarter-wavelength resonators, and they are commonly built using slotted panels. The use of this kind of resonators implies that these panels can hardly be manufactured to work at low frequencies due to the resulting high thickness. Recently, the use of resonant metamaterials based on Helmholtz resonators, i.e., metadiffusers, has been proposed to reduce panel thickness. In this work we propose the use of plate and membrane (I will use only plate) resonators to go one step further in managing sound reflection using ultrathin metasurfaces of deep subwavelength dimensions. Using a 5.7-cm thick panel, a mean diffusion coefficient of 0.8 in the range from 400 to 800 Hz has been numerically and theoretically observed. The potential of resonant metamaterials based on plate and membrane resonators is demonstrated and its limitations discussed. This study provides the guidelines and design tools for prototyping these low-thicknesses panels to generate diffuse reflections.

conference European Congress and Exposition on Noise Control Engineering (EuroNoise 2021)

Application of metamaterials to control noise scattering during space vehicle lift-off

Mara Salut Escartí-Guillem , Pablo Barriuso Feijoo , Alejandro Cebrecos , Marcos Chimeno Manguán , Pedro Cobo Parra , Luis Miguel García Raffi , José M. Requena-Plens ,

et al.

Jean-Philippe Groby , Sergio Hoyas Calvo , Noé Jiménez , Mario Lázaro Navarro , Julien Leng , José Nieto Mocholí , Rubén Picó , Elena Roibás Millán

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Abstract

Metamaterials made of resonant building blocks based on Helmholtz resonators have been developed as perfect acoustic absorbers. The performance of these metamaterials is analyzed when used to control the scattering of noise during a space vehicle lift-off. In this event, two main contributions of sound should be controlled: i) the reflected from the launch pad and ii) the transmitted through the faring wall. Numerical models are developed to predict the vibro-acoustic response of two metamaterials designed for these two problems. The approach is to simplify the numerical model by obtaining a simplified panel with equivalent acoustic and mechanical behavior on the frequency range of interest. The first solution is based on a rainbow trapping structure that will be applied as an exhaust channel cover. Later, an ultra-thin perfect absorber is designed to be added to the fairing composite sandwich. Results show a significant noise reduction while small effects of the vibro-acoustic coupling are theoretically and numerically observed. The developed methodology enables a simplification in the noise control analysis and opens the way for its use in other applications.

conference 16th European Conference on Spacecraft structures, Materials & Environmental Testing.

Launch sound level characterisation and mitigation: numerical modelling framework and metamaterial proof of concept.

Mara Salut Escartí-Guillem , José M. Requena-Plens , Pablo Barriuso Feijoo , Alejandro Cebrecos , Marcos Chimeno Manguán , Pedro Cobo Parra ,

et al.

Luis Miguel García Raffi , Jean-Philippe Groby , Sergio Hoyas Calvo , Noé Jiménez , Mario Lázaro Navarro , Julien Leng , José Nieto Mocholí , Elena Roibás Millán , Vicente Romero-García , Rubén Picó , Víctor J. Sánchez-Morcillo , F. Simón Hidalgo , I. C.S. Ngan

Abstract

Due to the severe acoustic environment during space vehicle lift off the prediction and mitigation of acoustic levels becomes a vital issue. This paper conforms the engineering background needed to develop a new sound mitigation method for vehicle launchers. The sound propagation within a launch event has been analysed with dedicated CFD, identifying the shock waves and the evolution of the SPL generated. Data analysis of the pressure field surrounding the fairing demonstrates a vertical directivity. On the structural domain, a numerical modelling framework composed of an hybrid FEM/BEM/SEA model has been postulated. The results provide the basis to analyse the mitigation structures proposed. On the acoustic side, two different metamaterial structures are presented, both made of a periodic unit cell of Helmholtz resonators. On the launch pad, the metamaterial partially covers the exhaust channels and provides quasi-perfect broadband sound absorption. On the fairing the metamaterial is added to the existing wall and introduce an absorption peak. These findings provide a noise mitigation technique that has the potential to improve the attenuation efficiency, thus, reducing the acoustic loading and the risk of technical failure during the launch stage.

2020

conference Tecniacústica 2020: 50º Congreso Español de Acústica. XI Congreso Ibérico de Acústica. Faro, Portugal.

Acoustic field prediction during the launch of rockets

José M. Requena-Plens , Noé Jiménez , Alejandro Cebrecos , Rubén Picó , Víctor J. Sánchez-Morcillo

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Abstract

This work presents the prediction of noise generated during the launch of space rockets. A semiempirical model was applied, using as input data the physical and geometric characteristics of the jet of gases propelled by the rocket, which acts as the primary source of noise. The model is based on the one originally proposed by Eldred back in 1971 and its subsequent modifications. We expanded the model with expressions for the estimation of the acoustic power of noise sources. To validate the prediction in a particular case, we have considered the launch of the VEGA rocket from European Space Agency, at the launchpad located in Kourou (French Guiana). Using as reference experimental data recorded during a launch, the study confirms that the semi-empirical model predicts the acoustic field generated during the launch with great precision, especially in the low and medium frequencies, which are the most interesting from the point of view of impact that this noise has on the rocket and its load.

conference Tecniacústica 2020: 50º Congreso Español de Acústica. XI Congreso Ibérico de Acústica. Faro, Portugal.

Beyond Schroeder diffusers using acoustic metasurfaces

Noé Jiménez , Trevor J. Cox , José M. Requena-Plens , Eric Ballestero , Jean-Philippe Groby , Vicente Romero-García

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Abstract

Sound diffusers are structured surfaces designed to control the scattering of acoustic waves, mainly used in room acoustics to improve sound quality. However, as they are mainly based on quarterwavelength resonators, phase-grating diffusers result in heavy and thick structures. We present a novel approach to design deep-subwavelength sound diffusers based on subwavelength resonating units, i.e., metamaterials. The proposed “metadiffusers” show broadband diffusion ranging from 250 Hz to 2 kHz using panels of 3 cm, 20 times thinner than traditional designs. In addition, their performance can be tailored to classical quadratic residue, primitive root, and ternary sequence designs. In the presentation we will review recent developments in this type of metasurfaces, including membrane and plate diffusers, and novel holographic approaches.

2019

journal Voice Coil.

Loudspeakers for Vented Enclosures: a Backwards Approach for Speaker Selection (LoVE BASS)

Francisco Castells , José M. Requena-Plens

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Abstract

In this article, the problem of designing vented enclosures is revisited, with a backward concept: from the box to the driver as opposed to taking a given driver and designing an enclosure. The classical procedure starts by choosing a supposedly appropriate driver for the target enclosure. No specific recommendations are available for transducer selection, apart from designer’s expertise, which leads to a trial-and-error approach until a convenient transducer is found.

thesis Universitat Politècnica de València. Departamento de Física Aplicada. Escuela Politécnica Superior de Gandia.

Difusores acústicos basados en resonadores de membrana y placa

José M. Requena-Plens

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Abstract

Los difusores acústicos tradicionales están basados en resonadores de cuarto de longitud de onda construidos con paneles ranurados. Es por ello que dichos paneles difícilmente pueden ser fabricados para trabajar en bajas frecuencias debido al elevado espesor resultante. Recientemente se ha propuesto el uso de metamateriales resonantes basados en resonadores de Helmholtz para reducir el espesor del panel, es decir, metadifusores. En este trabajo se propone el empleo de resonadores de placa y membrana para ir un paso más allá, consiguiendo controlar la reflexión del sonido empleando metasuperficies ultraplanas con un espesor mucho más pequeño que la longitud de onda.

2018

conference Memorias del Programa de Redes-ICE de calidad, innovación e investigación en docencia universitaria. Convocatoria 2017-18.

Aprendizaje basado en proyectos en las materias transductores acústicos y vibroacústica

Jaime Ramis , Jesús Carbajo , Juan de Dios González , Pedro Poveda , José M. Requena-Plens , Enrique G. Segovia , others

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Abstract

El presente trabajo resume las experiencias llevadas a cabo durante el curso 2017-18 con el objetivo de introducir la metodología de aprendizaje basado en proyectos (ABP) en dos materias de segundo y tercer curso, respectivamente, de la titulación de Grado en Ingeniería en Sonido e Imagen en Telecomunicación (GISIT) que se imparte en la Universidad de Alicante. La primera de ellas, denominada Transductores Acústicos, corresponde a una asignatura obligatoria de cuarto cuatrimestre mientras que la segunda, Vibroacústica, es una materia optativa. Ambas constituyen un escenario apropiado para aplicar la metodología de ABP. La experiencia que se está llevando a cabo este curso pretende ser el anticipo a una propuesta completa de cambio de metodología si así lo permiten las circunstancias.

conference Tecniacústica 2018: 49º Congreso Español de Acústica; XI Congreso Iberoamericano de Acústica; X Congreso Ibérico de Acústica.

Cálculo corregido, basado en la teoría moderna, de los campos acústicos (directo, temprano y tardío)

José M. Requena-Plens , Jenaro Vera Guarinos

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Abstract

El cálculo teórico de los campos directo, temprano y reverberante han sido objeto de análisis por parte de muchos autores. Este trabajo se basa en las teorías de Barron y Lee (1988), y de Sato y Bradley (2008). Nuestro estudio se desarrolla a partir de datos experimentales y en la posibilidad de usar otros resultados obtenidos en modelos de simulación validados con ayuda de “EASE”, lo que posibilita tener una amplia variedad de situaciones. Es por lo que los coeficientes de ajuste que introducimos en las ecuaciones de la teoría revisada o moderna proporcionan ahora unos resultados más ajustados a la realidad. Dichos coeficientes pretenden, en su definición, estar relacionados con la posición de la fuente y la geometría del recinto. A parte de una mejor bondad en los ajustes respecto a los resultados experimentales, se ha encontrado que lo que llamamos ‘campo temprano’ presenta un decaimiento que depende de la inversa de la distancia.

conference Tecniacústica 2018: 49º Congreso Español de Acústica; XI Congreso Iberoamericano de Acústica; X Congreso Ibérico de Acústica.

Campo directo (útil)/reverberado (perjudicial) resultados experimentales frente a simulación en EASE

José M. Requena-Plens , Jenaro Vera Guarinos

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Abstract

En este trabajo abordamos de nuevo la relación entre campo útil (0-50ms) y perjudicial (50msinfinito). Se realizan medidas “in situ” de dos recintos de planta rectangular cuyas dimensiones son diferentes con el fin de evitar que los resultados estén determinados por el tamaño. La intención de nuestro estudio es validar los resultados experimentales frente a los obtenidos mediante modelos para así poder realizar un estudio en profundidad de cuáles son las propiedades que gobiernan la propagación del campo acústico en espacios cerrados. El software que se ha utilizado en este caso ha sido “EASE” a partir del cual se obtuvo un conjunto de respuestas impulsivas que posibilitaron un tratamiento equivalente al realizado con las experimentales. Los resultados obtenidos muestran gran similitud. Por lo que con la metodología empleada podremos a partir de ahora profundizar en el estudio de la propagación del campo acústico sin necesidad de realizar tediosas campañas de medidas “in situ” y con la posibilidad de realizar cambios “ad libitum” por ejemplo en la distribución de absorciones.

conference Tecniacústica 2018: 49º Congreso Español de Acústica; XI Congreso Iberoamericano de Acústica; X Congreso Ibérico de Acústica.

Comportamiento vibroacústico de contenedores cilíndricos en aire

Francisco J. Rodrigo , Pedro Poveda , Jesús Carbajo , José M. Requena-Plens , Jaime Ramis

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Abstract

Este trabajo describe el procedimiento experimental llevado a cabo para estudiar el comportamiento radiante de la superficie de la base de estructuras en forma semilcilindro de 50 cm de diámetro y una superficie lateral de 15 cm de altura cuando son excitados mediante un actuador en el centro de la base. El nivel de vibración ha evaluado mediante acelerómetros de pequeño tamaño completando un detallado análisis modal. Las medidas de nivel de presión sonora se han realizado en una superficie cercana a la fuente y los datos se han procesado de acuerdo con la técnica de Holografia Acústica de Campo Cercano (NAH). Además de comparar los resultados de distintos materiales (acero y aluminio), se estudia la influencia de la condición de unión entre la superficie de la base y la superficie lateral de la estructura.

thesis Universidad de Alicante. Departamento de Física, Ingeniería de Sistemas y Teoría de la Señal.

Estudio de la relación campo directo/reverberado; útil/perjudicial

José M. Requena-Plens

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Abstract

La división entre campo directo y campo reverberante es correcta aunque en la práctica carece de utilidad, debido a que la fisiología del oído humano agrupa el campo directo y algunas de las primeras reflexiones haciendo creer a nuestro cerebro que todo ello constituye un solo sonido. Este concepto fue desarrollado por Hass (1951), donde se demuestra que hasta cierto tiempo todo el sonido recibido se integra y el cerebro lo procesa como un único sonido sin reflexiones y además ubica el origen del sonido en el lugar de donde se ha recibido el primer sonido. El tiempo definido por Hass para la comunicación hablada es de 50 milisegundos, es decir, todo sonido (directo y reflejado) hasta transcurridos los 50 milisegundos es integrado por el sistema auditivo humano y entendido como un único sonido, este concepto produjo que se utilizara más convenientemente la nomenclatura de campo directo, campo temprano (engloba todo sonido después del campo directo hasta los 50 ms) y campo reverberante (todo sonido después de los 50 ms). El campo reverberante definido como el campo comprendido desde los 50 milisegundos, llega después del tiempo en el que el oído humano integra el sonido como uno solo e interfiere en el sonido que se pretendía oír. Es por ello que los campos acústicos se pueden denominar como campo útil (campo directo y campo temprano) y campo perjudicial (campo reverberante desde los 50 ms). Teniendo en cuenta el concepto de campo útil y campo perjudicial y, entendiendo la importancia de la relación de éstos en la inteligibilidad de la palabra, se puede comprender la importancia de poder calcular matemáticamente los campos de la forma más correcta posible. Actualmente existen multitud de ecuaciones que si bien se aproximan al comportamiento experimental de los campos acústicos no son del todo correctos y por tanto no se pueden utilizar para prever el comportamiento. Los últimos cálculos desarrollados por Barron y Lee (1988) son de los pocos que tienen en cuenta una separación temporal para calcular matemáticamente el campo útil y perjudicial, aunque como se verá en este trabajo estos cálculos no se corresponden con el comportamiento real. Ante esta problemática se propone un cálculo modificado de los campos, basado en las ecuaciones de Barron y Lee e inspirado en la búsqueda de un ajuste en el cálculo de Sato y Bradley (2008), donde, a partir de una serie de medidas experimentales o mediante modelos acústicos, se comparan con el cálculo teórico de los campos útil y perjudicial y se buscan coeficientes de ajuste para obtener finalmente un cálculo teórico válido relacionando los coeficientes obtenidos con las características del recinto.

2017

conference Tecniacústica 2017: 48º Congreso Español de Acústica; Encuentro Ibérico de Acústica; European Symposium on Underwater Acoustics Applications; European Symposium on Sustainable Building Acoustics.

Campo directo (útil)/reverberado (perjudicial) resultados experimentales frente a simulación en catt-acoustic

José M. Requena-Plens , Jenaro Vera Guarinos , María Soledad Yebra Calleja

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Abstract

Basándonos en los resultados obtenidos en trabajos anteriores, se plantea el estudio del fenómeno desde el punto de vista de la simulación en un modelo tridimensional. Se comprueba que existe un paralelismo evidente entre los resultados de la simulación y lo experimental. Para ahondar en la cuestión se aplica el procedimiento en un recinto de menor tamaño y se extraen las consecuencias pertinentes sobre: validez, importancia de la geometría y disposición del mobiliario.