Contributions in the acoustic study of fluid-structure interaction problems with porous materials and thin structures

Resumen

Esta tesis aborda a traves de un metodo numerico y experimental un problema vibroacustico en un sistema acoplado comprendido de un dominio de fluido, un dominio poroelastico y un solido elastico fino como es una placa flexible. La comprension de la propagacion de ondas acusticas en dicho problema acoplado y la busqueda de modelos matematicos para simular y predecir la atenuacion que introducen los materiales porosos en casos de estudio industriales fue planteado dentro del grupo de investigacion de ingenieria mecanica del centro tecnologico IKERLAN. Para ello, primero se lleva a cabo una revision bibliografica sobre los materiales poroelasticos, para conocer los parametros de que dependen, como se miden y se caracterizan experimentalmente, y el estudio de los diferentes modelos matematicos existentes para simular la propagacion de ondas a traves de dichos materiales. Posteriormente, se modela el problema acoplado desarrollando un codigo numerico por elementos finitos aplicado al caso de estudio concreto de una cavidad hexaedrica de paredes rigidas salvo la pared superior formada por una placa fina flexible de aluminio atornillada a la cavidad y recubierta de una capa de material poroelastico. Se comparan diferentes modelos para la modelizacion del material poroso, desde modelos empiricos y modelos fenomenologicos de fluido equivalente, hasta modelos que tienen en cuenta las dos fases, fluida y solida, del material. La presion del dominio de fluido se discretiza con elementos de Lagrange Q1, la placa se discretiza combinando elementos de Lagrange Q1 para los desplazamientos de membrana con elementos MITC4 para los desplazamientos de flexion. El dominio poroelastico se modela en cada caso a traves de su impedancia caracteristica (considerando impedancia de pared rigida o movil) en los modelos empiricos, discretizado como el fluido pero con densidad y modulo de compresibilidad con partes disipativas en los modelos de fluido equivalente, y discretizando a traves de grados de libertad de desplazamiento-desplazamiento con elementos de Lagrange (Q1)3 cuando se modelan las dos fases, solida y fluida, de que se componen. Se lleva a cabo un trabajo experimental, tanto para la caracterizacion de las propiedades de los materiales (porosos y placa) como la fuente sonora de excitacion, y una validacion experimental del problema comparando los diferentes modelos.