Farklı geometrik yüzey tasarımlarına sahip PLA metamalzemelerin akustik analizi
Acoustic analysis of PLA metamaterials with different geometric surface designs
Yazar: HÜSEYİN SECCAD GENÇ
Danışman: PROF. DR. MEHMET YETMEZ
Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Metamalzemeler, konvansiyonel malzemelerin sahip olmadığı veya nadiren rastlanan fiziksel özellikleri sergileyen, özel tekniklerle oluşturulan yapay yapılar olarak tanımlanabilir. Akustik metamalzemeler özellikle tasarımlarının sunduğu avantajlar sayesinde akustik dalgaların yönünü, yansımasını, emilimini, dağılımını ve odaklanmasını manipüle etme yetenekleri ile öne çıkarlar. Bu alandaki çalışmalar, akustik metamalzemelerin tasarımı, üretimi, karakterizasyonu ve pratik uygulamalarını kapsamaktadır. Ancak bilinmektedir ki mevcut standartlar, akustik deneylerin ölçüm aralıklarını düşük frekans aralıklarında sınırlamaktadır.   Bu bağlamda, uzun yıllardır tercih edilen sonlu elemanlar analizlerinin yanı sıra, son zamanlarda çeşitli sektörlerde yaygınlaşan yapay zekâ teknikleri de ön plana çıkmaktadır. Bu yenilikçi öğrenme metodları, deneysel ve sayısal analizlerde destekleyici bir araç olarak kullanıldığında, deney sürecinin ve sayısal hesaplama zamanlarının önemli ölçüde kısaltılmasına olanak tanımaktadır. Ayrıca, bu yöntemler sayesinde, henüz deneyi gerçekleştirilmemiş veya bilinmeyen değerlerin yaklaşık olarak tahmin edilmesi de mümkün olmaktadır. Sonuç olarak, deney maliyetlerinin düşürülmesi ve hesaplama süreçlerinin hızlandırılması mümkün hale gelmektedir. Bu çalışmada, metamalzemelerin geometrik yüzey yapılarının akustik performans üzerindeki etkilerini değerlendirmeyi amaçlamaktadır. Çalışmanın temel çerçevesi olan akustik analiz, empedans tüpü testi, modal analiz ve yapay zekâ yöntemleri kullanılarak oluşturulmuştur. Tasarlanan metamalzemelerin ses yutma katsayısı değerleri ölçülerek, birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Tezde kullanılan malzeme (Polilaktik Asit-PLA), yenilenebilir kaynaklardan elde edilen bir polimer türü olması sebebi ile yeşil çevre farkındalığına bağlı olarak tercih edilmiştir. Çeşitli geometrik yüzey yapılarına sahip PLA metamalzemeler eklemeli imalat yöntemi ile imal edilerek farklı parametreleri göz önüne alınarak hesaplanmış ve yüzey geometrilerinin uygun çalışma aralıkları tespit edilmiştir. Araştırmanın sonucunda, çeşitli frekans aralıklarında farklı ses yutma kaybı gösteren geometrilerin olduğu ortaya çıkmıştır. Özetle, bu çalışma, akustik metamalzemelerin tasarımı, ölçümleri ve kullanım alanlarına katkıda bulunarak, bu disiplindeki bilgi birikimini genişletmektedir.

Abstract:
Metamaterials can be defined as artificial structures created by special techniques that exhibit physical properties that conventional materials do not have or rarely encountered. Acoustic metamaterials stand out especially with their ability to manipulate the direction, reflection, absorption, dispersion and focusing of acoustic waves thanks to the advantages offered by their design. Studies in this field cover the design, fabrication, characterisation and practical applications of acoustic metamaterials. However, it is known that current standards limit the measurement ranges of acoustic experiments to low frequency ranges.   In this context, in addition to finite element analyses, which have been preferred for many years, artificial intelligence techniques, which have recently become widespread in various sectors, have come to the fore. These innovative learning methods, when used as a supportive tool in experimental and numerical analyses, allow the experimental process and numerical calculation times to be significantly shortened. Furthermore, these methods make it possible to approximate values that have not yet been tested or unknown values. As a result, it becomes possible to reduce experimental costs and accelerate computational processes. This study aims to evaluate the effects of geometrical surface structures of metamaterials on acoustic performance. The acoustic analysis, which is the basic framework of the study, was created using impedance tube test, modal analysis and artificial intelligence methods.  The sound absorption coefficient values of the designed metamaterials were measured and compared with each other. The material used in the thesis (Polylactic Acid-PLA) was preferred due to green environmental awareness as it is a type of polymer obtained from renewable resources. PLA metamaterials with various geometric surface structures were manufactured by additive manufacturing method and calculated by considering different parameters and suitable working ranges of surface geometries were determined. As a result of the research, it was revealed that there are geometries showing different sound absorption loss in various frequency ranges. In summary, this study contributes to the design, measurements and application areas of acoustic metamaterials and expands the knowledge in this discipline.