Numerical Modeling of Low-Frequency Sound Absorption in Faced Fibrous Absorbers

Abstract

[Resumen]: La caracterización del comportamiento acústico de materiales porosos es fundamental en aplicaciones de control del ruido, aislamiento acústico y acondicionamiento de espacios. El modelado del comportamiento acústico de la lana mineral se realiza habitualmente con el modelo de Johnson-Champoux-Allard-Lafarge (JCAL), que permite considerar estos medios porosos como un fluido equivalente, con una densidad y módulo de compresibilidad equivalentes que dependen de la frecuencia, o bien con modelos de poroelasticidad (modelo de Biot-Allard) en el que se tiene en cuenta los efectos elásticos de la matriz sólida del material poroso. El método de matriz de transferencia y el método de elementos finitos se pueden usar para simular la absorción, la transmisión o la reflexión de estos materiales bajo un campo normal o difuso. En situaciones prácticas, estos materiales se recubren frecuentemente con membranas, como láminas de aluminio, lo cual altera de manera significativa su respuesta acústica. Aunque estas láminas se suelen modelar como una masa desacoplada, en ciertas condiciones su interacción mecánica con el material poroso subyacente puede inducir fenómenos de resonancia y modificar sustancialmente la absorción, especialmente en bajas frecuencias. El objetivo de este proyecto es analizar y predecir el comportamiento acústico de un panel de lana mineral con y sin recubrimiento de lámina de aluminio, explorando distintas configuraciones de acoplamiento entre ambos. Se estudian tanto campos sonoros normales como difusos, empleando modelos numéricos basados en las teorías de JCAL y Biot. A través de esta investigaci ón se pretende identificar los mecanismos que controlan la absorción en baja frecuencia.[Abstract]: The characterization of the acoustic behavior of porous materials is essential in applications such as noise control, sound insulation, and room acoustics. The acoustic behavior of mineral wool is typically modeled using the Johnson-Champoux-Allard-Lafarge (JCAL) model, which allows these porous media to be considered as an equivalent fluid, with equivalent density and bulk modulus that depend on frequency, or poroelastic models (Biot-Allard model), which take into account the elastic effect of the solid frame of the porous material. The transfer matrix method and the finite element method can be used to simulate absorption, transmission, or reflection of these materials under normal or diffuse sound fields. In practical situations, these materials are often covered with thin layers, such as aluminum foils, which significantly alter their acoustic response. Although these foils are usually modeled as a decoupled mass, under certain conditions their mechanical interaction with the underlying porous material can induce resonance phenomena and substantially modify absorption, especially at low frequencies. The aim of this project is to analyse and predict the acoustic behaviour of a mineral wool panel with and without aluminium foil covering, exploring different coupling configurations between them. Both normal and diffuse sound fields are studied, using numerical models based on the JCAL and Biot theories. Through this research, the goal is to identify the mechanisms that govern low-frequency absorption.