Innovative vibration absorbers and metamaterials for low-frequency wave mitigation

Abstract

The scope of this dissertation is to provide theoretical and experimental insight towards the mitigation of low-frequency vibrations and noise, by exploiting novel absorbing and metamaterial concepts. Specifically, this research work introduces innovative negative stiffness absorbers as an upgrade to conventional sound absorbing panels and metamaterials. In addition, the potency of amplification mechanisms is harnessed to enhance the vibration control, and sound attenuation properties of locally resonant and phononic metamaterials. Initially, the KDamper oscillator is implemented in various applications to address many of the inadequacies of conventional passive noise control mechanisms, especially in the low-frequency regime. The concept comprises an optimal combination of appropriate stiffness, damping, and mass elements, including a negative stiffness element. In this work, the KDamper is coupled with a developed inertial amplification mechanism (IAM) and a series of novel mounts are presented based on the synergetic KDamper – IAM concept. This coupled absorber is applied in a novel mounting system for flexible acoustic panels, resulting in a wide and deep frequency band of improved vibration and noise attenuation. The system is subsequently adopted to enhance the unit-cell properties of metamaterial mechanisms. Specifically, the proposed designs aim towards the development of metamaterial-based noise insulation panels that target the low-frequency range. Herein, conceptual implementations are proposed, and the presented mechanisms are evaluated using both analytical and numerical analyses. Next, a novel dynamic directional amplifier, namely the DDA mechanism, is introduced as a means to artificially increase the resonating mass of an oscillator, with no requirement of complex geometries and heavy parasitic masses. The mechanism comprises a simple rigid link that increases inertia towards the desired direction of motion by coupling the kinematic DoFs of the resonating mass and forcing the oscillator to move through a prescribed circumferential path. An analytical and experimental framework is developed, and analysis is undertaken to identify the beneficial effects of the DDA to the dynamic response of the system. The DDA is subsequently applied to phononic and locally resonant metamaterials as a means to enhance their dynamic properties. Analytical, numerical and experimental results showcase significant improvements and advantages over the conventional phononic and acoustic structures, such as broader bandgaps and increased damping ratio. Finally, a conceptual design of a seismic metamaterial in the form of a metabarrier is proposed and an investigation of its response under seismic excitation is analyzed. Results indicate the beneficial role of the device and DDA mechanism, hence placing the concept as a compelling alternative to existing seismic protection technologies.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η θεωρητική και πειραματική διερεύνηση μέσων για τον μετριασμό δονήσεων και του χαμηλόσυχνου θορύβου, αξιοποιώντας καινοτόμα δυναμικά συστήματα απορρόφησης ταλαντώσεων, καθώς και τις δυναμικές ιδιότητες των μεταϋλικών. Συγκεκριμένα, προτείνονται νέα συστήματα παθητικής μόνωσης αρνητικής δυσκαμψίας και περιοδικές διατάξεις, με στόχο τον σχεδιασμό νέων, και την αναβάθμιση συμβατικών ηχοαπορροφητικών πετασμάτων. Επιπλέον, εξετάζονται οι δυνατότητες διαφόρων μηχανισμών δυναμικής ενίσχυσης με σκοπό τη βελτίωση των ιδιοτήτων ηχομείωσης ακουστικών μεταϋλικών και φωνονικών κρυστάλλων σε εφαρμογές ελέγχου θορύβου και χαμηλόσυχνων κραδασμών. Με στόχο την αντιμετώπιση πολλών από τις ανεπάρκειες των συμβατικών παθητικών μέσων ελέγχου θορύβου και ταλαντώσεων, ιδίως στη περιοχή χαμηλών συχνοτήτων, εισάγεται ο βελτιωμένος ταλαντωτής KDamper. Ο KDamper είναι ένα καινοτόμο σύστημα παθητικής μόνωσης ταλαντώσεων και απόσβεσης, βασισμένο στον βέλτιστο συνδυασμό στοιχείων στιβαρότητας, συμπεριλαμβανομένου και ενός στοιχείου αρνητικής στιβαρότητας. Ο σχεδιασμός των συστημάτων με βάση τον KDamper βασίζεται σε πρόβλημα βελτιστοποίησης βασισμένο σε τεχνικά κριτήρια, ανάλογα με την εκάστοτε κατασκευή. Συγκεκριμένα, στην παρούσα έρευνα, συνδυάζεται με τον μηχανισμό αδρανειακής ενίσχυσης (IAM) με στόχο την ανάπτυξη βάσεων στήριξης ακουστικών πετασμάτων. Ο συζευγμένος μηχανισμός KDamper-IAM στη συνέχεια υιοθετείται σε περιοδικές διατάξεις οι οποίες παρουσιάζουν ζώνες μερικού η πλήρους εξασθένισης της διάδοσης του ήχου σε συγκεκριμένα εύρη συχνοτήτων (bandgaps). Στο πλαίσιο αυτό, προτείνονται υλοποιήσεις για την κατασκευή πετασμάτων τύπου σάντουιτς οι οποίες αξιολογούνται χρησιμοποιώντας τόσο αναλυτικές όσο και αριθμητικές αναλύσεις. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται ένας νέος δυναμικός ενισχυτής κατεύθυνσης, ο μηχανισμός DDA, ως μέσο για την τεχνητή αύξηση της μάζας συντονισμού ενός ταλαντωτή, χωρίς την απαίτηση πολύπλοκων γεωμετριών. Ο μηχανισμός αποτελείται από έναν απλό, άκαμπτο σύνδεσμο που αυξάνει την αδράνεια προς την επιθυμητή κατεύθυνση κίνησης, περιορίζοντας τους κινηματικούς βαθμούς ελευθερίας της μάζας συντονισμού. Με τον τρόπο αυτό ο ταλαντωτής αναγκάζεται να κινηθεί μέσω μιας προδιαγεγραμμένης διαδρομής. Εν προκειμένω, ο μηχανισμός DDA εφαρμόζεται στη βάση φωνονικών κρυστάλλων και σε τοπικά συντονισμένα μεταϋλικά ως μέσο ενίσχυσης της αδράνειας των στοιχείων τους. Τα αναλυτικά, αριθμητικά και πειραματικά αποτελέσματα αναδεικνύουν σημαντικές βελτιώσεις και πλεονεκτήματα σε σχέση με τις αντίστοιχες συμβατικές περιοδικές δομές, όπως ευρύτερες ζώνες περιορισμού της διάδοσης του κύματος και αυξημένο λόγο απόσβεσης. Τέλος, παρουσιάζεται ο σχεδιασμός ενός σεισμικού μεταϋλικού για την προστασία κατασκευών έναντι επιφανειακών κυμάτων και διερευνάται η απόκριση του υπό σεισμική διέγερση. Τα αποτελέσματα αναδεικνύουν τον ευεργετικό ρόλο της διάταξης και του μηχανισμού DDA, τοποθετώντας έτσι την ιδέα ως μια επιτακτική εναλλακτική λύση στις υπάρχουσες τεχνολογίες.