Estudo da absorção sonora de materiais granulares e sistemas híbridos com estruturas ressonantes

Tese no âmbito do Doutoramento em Engenharia Civil, Construções orientada pelos Professores Doutores Luís Manuel Cortesão Godinho, Paulo Jorge Rodrigues Amado Mendes e Jaime Ramis Soriano e apresentada ao Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.Materiais porosos absorventes sonoros são de grande interesse para soluções de controle de ruído passivo. A presente tese de doutoramento apresenta estratégias eficazes para o desenvolvimento de soluções otimizadas para aplicação em meios exteriores, sem necessidade de reforço estrutural. O estudo de materiais porosos granulares com agregados de argila expandida procurou entender a influência da relação água cimento, da espessura e do tamanho dos agregados no coeficiente de absorção sonora exibido por estes materiais quando diretamente expostos à incidência de ondas sonoras no exterior. Estes materiais foram caracterizados experimentalmente com técnicas não destrutivas, e os seus parâmetros macroscópicos obtidos com utilização de um método inverso, possibilitando a previsão do coeficiente de absorção sonora com o modelo semifenomenológico de Horoshenkov-Swift. Para o estudo do comportamento absorvente considerando incidência difusa, um modelo BEM 3D foi proposto e validado de maneira satisfatória, permitindo a aplicação de geometrias irregulares em painéis de absorção sonora de tamanho finito. Este modelo possibilita a análise de configurações em que as irregularidades geométricas superficiais proporcionam um acréscimo no coeficiente de absorção numa determinada gama de frequências. Este assunto é de grande interesse, considerando que materiais do tipo betão poroso possuem curvas do coeficiente de absorção sonora compostas por picos e vales. O conceito denominado Metabetão poroso é definido e apresentado, correspondendo ao acoplamento entre dois dispositivos de absorção sonora, nomeadamente material poroso (betão poroso com agregados leves) e ressoadores acústicos embutidos. Dois modelos FEM, um 2D e outro 3D, foram propostos e validados para o estudo da otimização da geometria desta solução híbrida, com o objetivo de atingir um acréscimo de eficácia no coeficiente de absorção sonora. Por último, apresenta-se uma estratégia de previsão do comportamento absorvente considerando incidência difusa, para uma metasuperfície de tamanho finito com 12 m^2 de área. Para além das considerações finais, enumeram-se algumas ideias para trabalhos futuros. Esta tese foi desenvolvida no âmbito do Projeto POCI-01-0247-FEDER-033990 (iNBRail), financiado por fundos FEDER através do COMPETE 2020, Portugal 2020. Esta tese foi igualmente apoiada por fundos FEDER através do Programa Operacional Fatores de Competitividade - COMPETE e por fundos nacionais através da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologia, no âmbito do projeto POCI-01-0145-FEDER-007633 (ISISE) e através do Programa Operacional Regional CENTRO2020 no âmbito do projeto CENTRO-01-0145-FEDER-000006. O apoio da COST (European Cooperation in Science and Technology) através da Ação COST CA15125 – DENORMS: “Designs for Noise Reducing Materials and Structures” é aqui igualmente reconhecido pelas oportunidades concedidas.Porous sound-absorbing materials are of great interest in passive noise control solutions. This doctoral thesis presents effective strategies for developing optimized solutions for use inexternal environments without the need for structural reinforcement. The study of granular porous materials with expanded clay aggregates was developed in order to understand the influence of water-cement ratio,thethickness and size of the aggregates on the sound absorption coeficiente exhibited by these materials when directly exposed to the incidence of sound waves outside. These materials were characterized experimentally with non-destructive techniques,and their macroscopic parameters, obtained using the inverse method, allowed the prediction of the sound absorption coeficiente with the Horoshenkov-Swift semi-phenomenological model. For the study of absorbente behavior for diffuse incidence, a BEM 3Dmodel was proposed and satisfactorily validated, allowing the application of irregular geometries infinite-sized absorbing panels. This model makes it possible to find configurations where geometrical irregularities provide na increase in the coefficient of sound absorption in a certain frequecy range. This is na importante step considering that porous materials have absorption coeficiente curvers composed of peaks and valleys. The concept called Metaporous concrete is defined and presented, it corresponds to the coupling between two sound absorption devices, namely porous material (porous concrete with light aggregates) and embedded acoustic resonators. Two FEM models, one 2D and the other 3D, were proposed and validated to study the optimization of the geometry of this hybrid solution to increase the sound absorption coefficient. Finally, na absorbing behavior predictions trategy is presented considering diffuse incidence for a finite size meta-surface in 12m2. In ad dition to the final conclusions and some ideas for future works are listed. This thesis was developed within the scope of the POCI-01-0247-FEDER-033990 (iNBRail) Project, funded by FEDER funds through COMPETE2020, Portugal 2020. This thesis was also supported by FEDER funds through the Competitivity Factors Operational Programme-COMPETE and by national funds through FCT– Foundation for Science and Technology within the scope of the project POCI-01-0145-FEDER-007633(ISISE) and through the Regional Operational Programme CENTRO2020 within the scope of the project CENTRO-01-0145-FEDER-000006. The support of COST (European Cooperation in Science and Technology) through the COST Action CA15125 – DENORMS: “Designs for Noise Reducing Materials and Structures” is here also acknowledged