1 J OHDANTO U USIEN ÄÄNENVAIMENNINRATKAISUJEN KEHITTÄMINEN JA AINETTA LISÄÄVÄ VALMISTUS

© 2019 Jukka Tanttari, Antti Hynninen, Heikki Isomoisio, Erin Komi, Seppo Uosu- kainen, Virpi Hankaniemi, Mikko Matalamäki. Tämä on avoimesti julkaistu teos,

U

Jukka Tanttari^1,a, Antti Hynninen^1,b, Heikki Isomoisio^1,a, Erin Komi², Seppo Uosu- kainen³, Virpi Hankaniemi⁴ ja Mikko Matalamäki⁴

1 Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy

a PL 1300, 33101 Tampere; ^b PL 1000, 02044 VTT etunimi.sukunimi@vtt.fi

2 Etteplan

Kytäjänkatu 23 A, P.O. BOX 1300, 05830 Hyvinkää etunimi.sukunimi@etteplan.com

3 SU Akustiikka

Lehmustie 1B, 00780 Helsinki etunimi.sukunimi@pp.inet.fi

4 Wärtsilä Finland Ltd Energy Solutions PL 252, 65101 Vaasa

etunimi.sukunimi@wartsila.com

Tiivistelmä

Äänenvaimennin tulee etukäteen suunnitella täyttämään sille asetetut suoritus- kykyvaatimukset kustannustehokkaasti. Ainetta lisäävä valmistus (AM) on avaamassa uusia mahdollisuuksia kehitysprosessin nopeuttamiseen ja uusien, riskipitoisten ratkaisujen kokeelliseen todentamiseen. Rajoitteet geometrisille muodoille ovat olennaisesti vähäisempiä kuin perinteisillä valmistusmenetel- millä. Metodisesti kysymys on täyden koon vaihetta edeltävästä pienoismalli- tutkimuksesta. Aiheessa on kertynyt kokemusta mm. mikroperforoituja raken- teita hyödyntävistä Cremer-vaimentimista sekä helicoid-moodifilttereistä.

Herschel-Quicke -vaimentimet ovat parhaillaan suunnittelupöydällä.

1 J

Mallinnus ja simulointi on korvannut kokeilukulttuurin uusien äänenvaimenninratkaisujen kehittämisessä. Ominaisuuksien kokeellisen todentamisen merkitys on kuitenkin säilynyt.

Kokeet voivat tuoda esiin asioita, joita simuloinnissa ei osata huomioida. Fyysisen koekap- paleen valmistaminen voi olla kallista ja aikaa vievää. Valmistusmenetelmien rajoitteiden huomioon ottaminen on perinteisesti rajoittanut kehittämisvaiheen ratkaisuavaruutta. Ai- netta lisäävä valmistus (Additive Manufacturing, AM, ”tulostaminen”) on avaamassa uusia mahdollisuuksia äänenvaimentimen kehitysprosessin nopeuttamiseen ja uusien ratkaisujen löytämiseen.

AKUSTIIKKAPÄIVÄT 2019,28.-29. LOKAKUUTA,OULU

2 Ä

AM

Äänenvaimennin tulee etukäteen suunnitella täyttämään sille asetetut suorituskykyvaati- mukset kustannustehokkaasti [1]. Nykyiset simulointityökalut mahdollistavat tämän varsin hyvin. Toisaalta jotkut materiaaliparametrit voivat olla epätarkkoja, valmis vaimennin voi mitoiltaan ja muodoltaan poiketa nimellisestä ja siinä voi esiintyä ennakoimattomia ilmi- öitä. Näistä syistä kokeellinen todentaminen tulee jatkossakin olemaan tärkeä vaihe uuden vaimentimen kehitysprosessin loppupäässä.

Ensimmäisen vaimenninyksilön valmistaminen voi olla korkeiden valmistuskustannusten ja/tai täysin uusien, todentamattomien ratkaisujen vuoksi liian riskipitoista. Tällaisten seik- kojen vuoksi on hyödyksi, jos vaimennin voidaan ensin valmistaa pienin kustannuksin hy- vin kevyellä tuotantokoneistolla ja lopullista kokoa pienempänä.

AM mahdollistaa kustannustehokkaan uudentyyppisten ratkaisujen todentamisen [2]. Vai- mentimen ”tulostaminen” muovista stereolitografiatulostimella (stereolithography appara- tus, SLA) on nopeaa ja halpaa ja rajoitteet geometrisille muodoille ovat olennaisesti vähäi- sempiä kuin muilla menetelmillä. Edullisilla pöytämallisilla (Kuva 1) tulostimilla voidaan tulostaa enintään noin 15x15x15 cm kokoisia kappaleita.

Monissa tapauksissa tulostetun vaimentimen mittaustulokset voidaan skaalata aaltoluku- suhteiden avulla toiseen kokoon ja taajuusalueeseen. Läpäisyvaimennusmittaukset (Trans- mission Loss TL) tasoaaltoalueella voidaan tehdä esimerkiksi ACUPRO-putkella [3], jossa putken sisähalkaisija on 34.8 mm ja mittausalue ulottuu noin 5500 Hz saakka (ks. kuva 3).

Kuva 1. Vaimentimen komponentin tasokolmiopintamalli eli STL-malli, tulostusta SLA- laitteella (Formlabs Form 2) sekä tulostettuja komponentteja.

UUSIEN ÄÄNENVAIMENNINRATKAISUJEN KEHITTÄMINEN TANTTARI YM.

3 E

3.1 Cremer-vaimennin

Cremer-vaimentimessa on ideana synnyttää putken reunapinnalle hyvin pieni äänenpaine.

Tällöin erityisesti tasoaallon eteneminen hankaloituu, koska tasoaallon äänenpaine on va- kio putken poikkipinnalla. Idean on ensimmäisenä esitellyt Cremer [4].

Pienen äänenpaineen synnyttämiseen voidaan käyttää mikroperforoidun levyn (MPP) ja sen takana olevan pienen ontelon muodostamaa resonanssijärjestelmää. MPP:n rei’issä ole- vat ”kaasutulpat” toimivat massana ja ontelo jousena. Kun ontelot ovat aksiaali- ja kehän suunnassa pieniä aallonpituuteen nähden, toimii putken pinta paikallisesti reagoivasti.

Kuvassa 2 on Cremer-vaimentimen rakenne auki leikattuna sekä simuloitu äänenpaineta- son jakauma vaimentimen sisällä. Äänenpainetaso voi pienentyä kahden putkihalkaisijan matkalla jopa 50 dB. Tämän jälkeen vaimentuminen yleensä hidastuu, mikä johtuu mm.

korkeampien aaltomuotojen osuudesta, vuodoista onteloiden välillä sekä äänen etenemi- sestä vaimentimen rakenteessa. Tällöin pituuden kasvattaminen ei tietyn rajan jälkeen lisää TL:ää niin voimakkaasti kuin putken alkuosassa.

Resonanssialueella putken pinnan impedanssin imaginääriosa on pieni. TL:n kannalta op- timaalinen reaaliosa on myös pienehkö. Cremer-vaimennin onkin ensisijaisesti reaktiivi- nen vaimennin, eikä MPP:n käytöllä tavoitella suurta absorptiosuhdetta, vaan hyvin rea- goivaa pintaa. Siten Cremer-vaimennin on vaimennusominaisuuksiltaan kapeakaistainen.

Vaimennintyypin lisäetuna on se, että vaimentimessa ei ole irtoavaa kuitumateriaalia.

Kuva 2. Tasoaaltoalueelle viritetyn Cremer-vaimentimen rakenneperiaate sekä äänen- painetason jakauma vaimentimen alkupäässä.

Kuvassa 3 on eräs tulostettu Cremer-vaimennin mitattavana ACUPRO -putkessa ja vai- mentimen TL-käyrät.

Tasoaaltoalueen yläpuolella Cremer-vaimentimen toiminta heikkenee. TL-huippu viritys- taajuudella madaltuu ja levenee. Toisaalta vaimentimella on kokemustemme mukaan mah- dollista saavuttaa kohtuullinen suorituskyky suurillakin taajuuksilla (so. tasoaaltoalueen yläpuolella), mikäli vaimennin on riittävän pitkä ja takatilan mitat on oikein valittu.

AKUSTIIKKAPÄIVÄT 2019,28.-29. LOKAKUUTA,OULU

Kuva 3. Cremer-vaimennin mitattavana ACUPRO-putkessa sekä vaimentimen mitattu ja laskettu TL. Nimellinen viritystaajuus oli 3500 Hz.

3.2 Moodifiltterit ja huokoiset metallit

Tasoaaltoalueen yläpuolella etenevien aaltomuotojen lukumäärä kasvaa nopeasti taajuuden mukana. Tällöin painejakaumat ovat sellaisia, että niiden etenemiseen voi olla vaikea vai- kuttaa kanavan tai solan reunoilta. Suurille taajuuksille on kehitelty ns. moodifilttereitä [5].

Niissä ideana on järjestää poikkipinnalle esimerkiksi MPP-paneeleita siten, että häviöt pa- neelien rei’issä vaimentavat eteneviä aaltoja. Vaimennin on tyypiltään resistiivinen.

Haasteena valmistuksen kannalta on se, että reikien tulee olla pieniä riittävän häviön ai- heuttamiseksi. Käytettävissä olevilla tulostimilla noin 0.4-0.5 mm reikäkoko on onnistunut kohtalaisen luotettavasti [2]. Pienempien reikien tulostus on ollut epäluotettavaa. Tulostet- tujen moodifiltterien suorituskyky on tämän vuoksi jäänyt toistaiseksi vaatimattomaksi.

Tehokkaaseen toimintaan vaadittava reikä on tapauksesta riippuen jopa alle 0.2 mm.

VTT on hakenut patenttia kuvassa 4 olevan kaksois-helicoid -muotoon perustuvan ratkai- sun valmistustavalle [6]. Kuvassa 5 on eräs tulostettu versio helicoid-moodifiltteristä ja sen TL. Kyseisessä filtterissä reiät olivat halkaisijaltaan noin 0.8 mm ja toiminta siksi vaatima- tonta alle 4500 Hz taajuuksilla.

Erään hyvin mielenkiintoisen mahdollisuuden uudentyyppisten resistiivisten tai hybridi- vaimenninten kehittämiseen tarjoavat huokoiset metallit. Mikrorakenteen ei tarvitse eikä

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 000 4 500 5 000 5 500

TL [dB]

Frequency [Hz]

Long Version measured Long version simulated, locally reacting BC

UUSIEN ÄÄNENVAIMENNINRATKAISUJEN KEHITTÄMINEN TANTTARI YM.

pidäkään syntyä sattumanvaraisesti, vaan se voidaan luoda nimenomaan haluttujen akus- tisten makro-ominaisuuksien saavuttamiseksi. Mikro- ja makrotasojen kytkemiseksi on tehty mittavaa teoreettista pohjatyötä [7] ja ensimmäisiä askeleita huokoisten metallien tu- lostamisessa on otettu.

Kuva 4. Korkeampien moodien painejakaumia sekä patentoimamme [6] helicoid-tyyp- pinen moodifiltteri. Oranssit ja siniset kappaleet ovat MPP-liuskoja.

Kuva 5. Eräs tulostettu moodifiltteriproto ja sen mitattu TL.

3.3 Herschel-Quincke -vaimennin

Herschel-Quincke -vaimentimen toiminta perustuu siihen, että putki ja siinä etenevä taso- aalto jaetaan kahteen tai useampaan osakanavaan, jotka ovat eri pituisia. Pituusero tuottaa viiveen tai vaihe-eron ja vaihe-ero tuottaa osakanavien yhtymäkohdassa destruktiivisen in- terferenssin. Idea on esitelty jo 1800-luvulla, mutta sen kiinnostavuus on kasvussa [8]. Uu- silla valmistusmenetelmillä eivät geometriset rajoitteet eivät ole niin keskeisiä kuin aiem- min. Sama akustinen toiminta on mahdollista tuottaa monin erilaisin tavoin.

Herschel-Quincke -vaimentimen toiminnassa on eräs mielenkiintoinen ja huonosti tunnettu piirre. Vaimentimessa on kaksi interferenssimekanismia, I ja II [9]. Usein näistä mainitaan vain mekanismi I, kahden haaran pituuserosta (puolen aallon vaihe-erosta) niiden yhtymä- kohdassa syntyvä. Mekanismi II liittyy aallonpituuden ja haarojen muodostaman silmukan pituuden suhteeseen. Optimaalisessa ratkaisussa I ja II yhdistämällä voidaan saavuttaa eri- tyisen leveä vaimennus. Kuvassa 6 on esimerkki suunnittelupöydällä olevasta vaimenti- mesta. Samassa kuvassa esimerkki optimoidulla, mekanismit I (7000 Hz) ja II (n*2500Hz) hyödyntävällä geometrialla saavutettavasta TL:stä.

0 5 10 15 20 25 30

1000 2000 3000 4000 5000

TL [dB]

Frequency [Hz]

Helicoid test "L420mm 0.8mm 4%"

AKUSTIIKKAPÄIVÄT 2019,28.-29. LOKAKUUTA,OULU

Kuva 6. Eräs 50 mm kanavaan suunniteltu Herschel-Quincke -vaimennin sekä ennakoitu TL viritettynä noin 7000 Hz (mekanismi I) ja n*2500 Hz (mekanismi II) taajuuksille.

4 Y

Paperissa esiteltiin ainetta lisäävän valmistuksen tuomia mahdollisuuksia uusien äänen- vaimenninratkaisujen kehittämisessä. Voidaan todeta, että ensiaskelia on otettu ja oppira- hoja maksettu. Ratkaisujen edelleen kehittäminen jatkuu rahoituksen jatkuessa.

Työtä ovat tukeneet Wärtsilän SOPEVA-hanke sekä VTT:n omarahoitteiset projektit.

V

[1] Tanttari J., Isomoisio H., Uosukainen S., Hynninen A., Nousiainen E., Hankaniemi V. &

Veijanen V. Pakoäänenvaimentimen kehitysprosessi. Akustiikkapäivät 2013.

[2] Tanttari J., Komi E., Hynninen A., Isomoisio H., Uosukainen S., Hankaniemi V., & Mata- lamäki M. (2018). Additive Manufacturing of Silencers with Microperforates. Advances in Acoustics and Vibration, 2018. https://doi.org/10.1155/2018/7649756.

[3] http://spectronics.net/products/acupro.html.

[4] Cremer L., Theory regarding the attenuation of sound transmitted by air in a rectangular duct with an absorbing wall, and the maximum attenuation constant produced during this pro- cess. Acustica, vol. 3, pp. 249–263, 1953.

[5] Sack S. and Åbom, M. Modal filters for mitigation of in-duct sound. Proceedings of the 172nd Meeting of the Acoustical Society of America, Vol 29, Honolulu, Hawaii, 2016.

[6] VTT527/PC18061FI. Method for constructing MPP helicoid filter sound attenuators.

[7] Uosukainen, S. Multi-scale computation of sound absorbing materials. Research report VTT-R-05212-16. http://www.vtt.fi/inf/julkaisut/muut/2016/VTT-R-05212-16.pdf, 2016.

[8] Ghaffarivardavagh, R., Nikolajczyk, J., Anderson, S. & Zhang, X. Ultra-open acoustic met- amaterial silencer based on Fano-like interference. Physical Review B 99, 024302 (2019).

[9] Selamet, A., Dickey, N. & Novak J., The Herschel-Quincke tube: A theoretical, computa- tional, and experimental investigation. J. Acoust. Soc. Am. 96 (1994) 5, Pt 1. p. 3177-3185.