Study of the sound field in and above porous layers- application to the characterisation of sound absorbing materials

Poreuze materialen zijn materialen die bestaan uit een fluïdum dat de op en ruimtes van een elastisch frame vult. De studie van de voortplanting van een geluidsgolf in poreuze materialen verzadigd met een fluïdum is v an belang in een groot aantal applicaties. Geofysici komen bijvoorbeeld tot een meer accurate beschrijving van golfvoortplanting in en boven oce aanbodems, zand, sneeuw en ijslagen wanneer ze rekening houden met het p oreus zijn van het onderzochte materiaal. Toepassingen van golfvoortplan ting in poreuze media bij kleinere golflengtes vinden we bijvoorbeeld oo k terug in huid- en beenderonderzoek. Deze doctoraatsthesis onderzoekt i n hoofdzaak poro-elastische materialen verzadigd met lucht. Toepassingen kunnen gevonden worden in de karakterisering van geluidsabsorberende sc huimen, geluidsisolatie en schokdempende materialen. Allereerst worden de materiaalparameters van het Biot-Allard model geïnt roduceerd . Dit model beschrijft de golfvoortplanting in geluidsabs orberende materialen. Daarna wordt de invloed van de materiaaleigenschap pen op de frequentie- en hoekafhankelijkheid van het absorberende gedrag van poreuze schuimen onderzocht. Dit werd gedaan met behulp van een in het laboratorium ontwikkelde akoestisch holografische meetopstelling. Vervolgens richt het doctoraatswerk zich op oppervlakte golven. Oppervla kte golven zijn golven die zich bevinden in de omgeving van een interfac e tussen twee media en die een energiestroom hebben volgens het oppervla k van deze interface. Toepassingen i.v.m. oppervlakte golven vindt men t erug in de karakterisering van elastische materialen bij ultrasone frequ enties. Voor de eerste maal werden verscheidene oppervlakte modes waarge nomen die zich voortplanten in het poreuze materiaal. Aan de hand van de frequentie afhankelijkheid van de fase snelheid blijkt het mogelijk te zijn om het elastische en het visco elastische gedrag van poreuze schuim en bij akoestische interessante frequenties te bepalen. Voor de eer ste maal kon voor geluidsabsorberende schuimen de frequentie afhank elijkheid van de elastische constanten bepaald worden. Klassieke laag fr equente meetmethodes hebben bovendien, in tegenstelling tot de door ons ontwikkelde methode, tevens het nadeel dat ze afhankelijk zijn van de sp ecifieke vorm van het sample.GENERAL INTRODUCTION 6 CHAPTER I: CHARACTERIZATION OF POROUS MATERIALS 9 I.1. Introduction 9 I.2. Parameters influencing the wave propagation in porous media. 10 I.3. Porous media with a rigid frame 15 I.4. Frame related parameters influencing the wave propagation in porous media. 17 I.5. A model for wave propagation in a porous medium: Biot modes. 23 I.6. Conclusion 31 I.7. Future research guidelines 31 CHAPTER II: REFLECTION AND ABSORPTION AT A POROUS INTERFACE. 33 II.1. Introduction 33 II.2. Reflection at a porous fluid interface. 35 II.3. Influence of the material parameters on the pole location – example of a snow layer. 43 II.4. Conclusion 50 II.5. Future research guidelines 51 CHAPTER III: ACOUSTIC HOLOGRAPHY PRINCIPLES AND IMPLEMENTATION. 52 III.1. Introduction 52 III.2. Near field acoustic holography: principle. 53 III.2.1. Application to general symmetry 54 III.2.2. Application to axial symmetry 56 III.3. Experimental setup Tamura measurement 56 III.4.NAH measurements on axial symmetrical samples 59 III.5. Inversion procedure 64 III.6. NAH measurements on a non-axial symmetrical sample: slitted Helmoltz plate. 78 III.7. Conclusion 86 III.8. Future research guidelines 87 CHAPTER IV: GUIDED WAVES IN ELASTIC MEDIA. 88 IV.1 Introduction 88 IV.2 Surface waves at the interface between a liquid and a finite layer of elastic material mounted on a rigid substrate 90 IV.3. Attenuation and fluid loading 98 IV.4. Extracting the elastic behaviour from the dispersion curves 105 IV.5.Conclusion 108 IV.6.Future research guidelines 108 CHAPTER V: GUIDED WAVES IN POROELASTIC MEDIA. 109 V.1 Introduction 109 V.2 Surface waves localized at the interface between a fluid and a semi-infinite poroelastic layer 110 V.2.1. Theory of Rayleigh-like waves 110 V.2.2. Measurements and results 115 V.3 Guided waves in a porous material of finite thickness backed by a rigid substrate. 118 V.3.1 Description Lamb-like modes in porous material. 118 V.3.2. Measurements and results 122 V.4 Guided waves in a plate mounted in Lamb conditions 133 V.4.1. Theoretical description of poro-elastic Lamb waves 133 V.4.2. Measurements and results 138 V.5 Conclusions 146 V.6 Future research guidelines 146 GENERAL CONCLUSION 148 REFERENCES 151 NEDERLANDSE SAMENVATTING 158 LIST OF PUBLICATIONS 170 CURRICULUM VITAE 172status: publishe