Traffic noise applications of sonic crystals

Abstract

Mit akustischen Kristallen lassen sich ähnlich wie bei photonischen Kristallen Bandlücken erzeugen. Diese akustischen Bandlücken sorgen dafür, dass sie für einen bestimmten Frequenzbereich praktisch undurchsichtig sind, während sie andere Frequenzen kaum beeinflussen. Außerdem ist der Materialaufwand in der Nähe der Bandlücke wesentlich geringer um eine ähnlich gute Dämmung wie mit einer normalen Lärmschutzwand zu erreichen, was sie für den Lärmschutz sehr interessant macht.<br />In dieser Diplomarbeit werden die Eigenschaften von akustischen Kristallen genauer erforscht. Unter anderem werden die frequenz- und winkelabhängigen Transmissionsfaktoren für zweidimensionale akustische Kristalle bestimmt. Des Weiteren wurden Simulationen mit mehreren Quellen durchgeführt um die praktische Anwendbarkeit von akustischen Kristallen im Straßenverkehr zu erforschen. Hierfür wurde der Schalldruckpegel hinter einer Lärmschutzwand, bestehend aus einem akustischen Kristall, frequenzabhängig ermittelt und mit dem genormten Verkehrslärmspektrum gewichtet. Das erlaubt die Visualisierung eines durch den akustischen Kristall modifizierten Verkehrslärmspektrums.<br />Alle notwendigen Berechnungen wurden mit Hilfe von zweidimensionalen Computersimulationen auf dem Prinzip der FEM und BEM durchgeführt. Dafür wurde hauptsächlich open source Software wie Elmer FEM und openBEM eingesetzt, welche auch kurz vorgestellt wird.<br />

With sonic crystals (=SC) it is, analog to photonic crystals, possible to produce band gaps. These acoustic band gaps are the reason why sonic crystals are almost opaque for a certain frequency range, while not influencing other parts of the acoustic spectrum. Also the amount of material which is needed is far less than for a conventional noise barrier to produce a similar sound attenuation near the band gap.<br />These properties make sonic crystals very interesting for noise protection.<br />In this thesis the exact properties of sonic crystals are investigated.<br />Amongst other things, the frequency and angular dependent transmission coefficients for two-dimensional sonic crystals were determined. Also simulations with more than one sound source were performed to test the practical applicability of sonic crystals in road traffic. For this purpose the frequency dependent sound pressure level behind a noise barrier composed of a sonic crystal was determined and the results were weighted with the standardized traffic noise spectrum. This makes it possible to visualize the traffic noise spectrum as it is after passage through the sonic crystal.<br />All necessary calculations were performed with computer simulations based on FEM and BEM. Therefor mainly open source software like Elmer FEM and openBEM was used. A brief introduction to theses programs is also included.