Doğal lifli kompozitlerin ses yutma performanslarının belirlenmesinde laboratuvar çalışması ve yapay zeka yaklaşımı: su kabağı lifleri-epoksi kompoziti örneği
A laboratory study and artificial intelligence approach in determining sound absorption performance of natural fiber composites: a case study of luffa cylindrica fibers-epoxy composite
Yazar: OYA KESKİN
Danışman: PROF. DR. SEVTAP YILMAZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Yapı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Mimarlık = Architecture
Dizin: Akustik = Acoustic

Özet:
İnsan sağlığını ve konforunu etkileyen çeşitli çevresel faktörler vardır. Kapalı ortamlarda sesin kontrolü de bu faktörlerden bir tanesidir. Kapalı bir mekanda sesin kontrol altına alınmasını etkileyen pek çok faktör vardır. Mekanın formu, hacmi, yüzeylerde kullanılan bitirme malzemeleri gibi faktörler, sesin mekan içerisinde yayılması ve alıcıya ulaşma süresi / biçimi noktasında oldukça önemlidir. Özellikle konser, tiyatro, opera, konferans salonu gibi akustik tasarımın son derece önemli olduğu kapalı mekan tasarımlarında, henüz yapı formu avan proje aşamasındayken salon formunun akustik unsurlara göre önceden belirlenen (U şekli, Fan şekli, At nalı şekli gibi) plan formunda tasarlanması sonrasındaki akustik düzenlemeler için uygun bir ortam sağlayacaktır. Mekan tasarımı tamamlandıktan sonra akustik proje aşamasında, kapalı mekan içerisindeki en önemli akustik parametre çınlama süresi olacaktır. Çınlama süresi (RT), bir mekan içerisinde ses kaynağının kapatıldığı andan itibaren ses gücü düzeyinin 60 dB azaltımı için geçen süredir. Çınlama süresi (RT) referans değerleri, kapalı mekanın kullanım amacına göre değişecek şekilde yönetmeliklerde belirlenmiştir. Bir mekanın çınlama süresininin hesaplanmasında, mekanın hacmi, yapı elemanı (duvar, döşeme, tavan) yüzey alanları ve yüzeylerde kullanılan bitirme malzemelerinin ses yutma katsayıları (α) değerleri kullanılmaktadır. 
Mekanlarda sesin yutulması için pek çok farklı malzeme türü kullanılabilir. Genellikle gözenekli (lifli) malzemeler, köpükler, delikli paneller ve rezonatörler sesin yutulması için tercih edilen malzemelerdir. Her malzemenin etkin olduğu frekans aralıkları malzeme özelliğine göre değişmektedir. 
Lifli malzemeler genellikle doğal ve yapay lifli malzemeler olarak ayrılırlar ve doğadan elde edildiği ham halinde dokuma formunda ya da bağlayıcı malzemeler ile kompozit haline getirilerek kullanılırlar. Piyasa şartlarında cam yünü, taş yünü gibi yapay lifler çoğunluklu olarak tercih edilse de, son yıllarda özellikle bu liflerle ilgili ortaya çıkan problemler sebebiyle doğal liflere olan yönelim de artmıştır. Pek çok çalışma, cam yünü gibi yapay liflerin özellikle uygulama sırasında uygulamayı yapan işçinin ciğerlerine kaçma ve uzun vadede ciğerlere zarar verme gibi sağlık problemleri yarattığını ortaya koymuştur. Aynı zamanda, tükenen enerji kaynakları gibi çevresel problemler pek çok alanda olduğu gibi malzeme alanında da üreticileri geri dönüştürülebilir kaynaklara doğru yöneltmiştir. 
Bu çalışmada, yapay lifli ses yutucu malzemelerin yerine kullanılabilecek doğal lifli kompozit bir malzeme üretilmesi ve malzemenin ses yutma katsayısının belirlenmesinde maliyet ve zamandan tasarruf ettirecek yeni bir yöntem önerilmesi amaçlanmıştır. Çalışma kapsamında, ilk olarak mekanlarda sesin kontrol edilmesi ve çınlama süresinin ayarlanmasında, yapay lifli malzemeler yerine kullanılabilecek ses yutucu doğal lifli bir malzemenin literatüre ve uygulamaya kazandırılması hedeflenmiştir. Çalışmanın devamında, üretilen bu malzemeden elde edilen ses yutma katsayısı verileri kullanılarak, yıllardır kullanılan geleneksel çınlama odası ve empedans tüpü ölçüm yöntemleri yerine ses yutma katsayısının belirlenmesinde yapay zeka yönteminin kullanılırlığının ortaya koyulması amaçlanmıştır. 
Tez çalışması kapsamında, Türkiye'nin pek çok yerinde ve dünyada kolaylıkla üretilebilen ve özellikle otomotiv sektöründe kullanımı tercih edilen su kabağı lifleri ile termoset bir bağlayıcı olan epoksi malzemesi kullanılarak yapay malzemelere alternatif doğal lifli kompozit malzeme üretilmiştir. Üretilen kompozitlerden elde edilen ses yutma katsayısı verileriyle de günümüzde farklı alanlarda kullanılan fakat henüz ses yutma katsayısının belirlenmesinde kullanımına rastlanmamış 'bulanık mantık' yöntemi ile ses yutma katsayısı tahmin modelleri oluşturulmuştur. 
Çalışmanın her aşamasında çeşitli yöntemler kullanılmıştır. İlk olarak, çalışma kapsamında kompozit malzemelerin üretilmesi için el ile yayma (hand lay-up) yöntemi kullanılarak laboratuvar ortamında numunelerin üretimi sağlanmıştır. Bu yöntemin seçilmesinde laboratuvar şartları ve malzemelerin işlenme özellikleri etkili olmuştur. Kompozit üretimi tamamlandıktan sonra numunelerin ses yutma katsayılarının ölçümünde empedans ve durağan dalga yöntemleri ile çınlama odası yöntemlerinden empedans ve durağan dalga yöntemi seçilmiştir. Empedans ve durağan dalga yöntemi için boyutsal olarak küçük numunelerin üretilmesi gerekmektedir. Bu nedenle, akademik çalışmalarda bu yöntemle ses yutma katsayısının belirlenmesi tercih edilmektedir. Malzemenin endüstriyel üretimine geçileceği noktada bu defa çınlama odası yöntemi kullanılmaktadır. Çünkü ses yutma katsayısı tayininde en gerçekçi ölçüm çınlama odası yöntemi ile elde edilir. Çınlama odası yönteminde üretilecek numune boyutları büyük olacağından, bu yöntem akademik çalışmalar için pahalı bir yöntemdir bu nedenle de öncelikli olarak tercih edilmez. Ancak, malzeme piyasaya sürülecek ise mutlaka çınlama odası yöntemi ile de ses yutma katsayılarının ölçülmesi gerekmektedir. 
Ses yutma katsayıları belirlendikten sonra çalışmanın son aşamasında ses yutma katsayısı tahmin modellerinin kurulmasında uyarlamalı ağ tabanlı bulanık çıkarım (ANFIS) programı, bulanık mantık (Fuzzy Logic) programı ve çoklu regresyon analizi yöntemi kullanılmıştır. 
Çalışmanın ilk aşamasında, kompozit üretiminin yapılabilmesi için, kullanılacak doğal lif ve bağlayıcı belirlenmiştir ve akabinde su kabağı lifi ve epoksi malzemelerinin temini sağlanmıştır. Daha sonra ses yutma performansı üzerinde etkili olan parametreler incelenmiş ve bunlar içerisinden kalınlık ve lif oranı parametrelerinin ses yutma performasına etkisinin değerlendirilmesine karar verilmiştir. Bu parametrelerin belirlenmesinde, liflerin yapısal ve fiziksel özellikleri ile laboratuvar olanakları etkili olmuştur. Bu bağlamda, üretilecek farklı numunelerin fiziksel özellikleri (numunelerin kalınlıkları ve numune içerisinde kullanılacak lif oranları) belirlenmiştir ve bu özelliklere göre CNC kalıplar hazırlanmıştır. Kalıp boyutları belirlenirken, empedans tüpü boyutları da dikkate alınmıştır. Kalıp üretimi tamamlandıktan sonra, su kabağı lifleri, liflerin ayrışması, temizlenmesi, alkalize edilmesi gibi çeşitli işlemlerden geçirilerek kompozitte kullanılabilir hale getirilmiştir. Daha sonra, lifler ve epoksi önceden belirlenmiş oranlarda kalıplara yerleştirilmiş ve kürlenmeye bırakılmıştır. 
Kompozit numunelerinin üretimi tamamlandıktan sonra empedans tüpü kullanılarak ses yutma katsayısı ölçümleri yapılmıştır. Buna göre, hazırlanan numuneler empedans tüpü içerisine yerleştirilmiş ve farklı frekanslarda ses yutma katsayıları belirlenmiştir. İlk aşamanın sonunda çalışmadan beklenen çıktı malzeme kalınlığı ve lif oranı parametrelerinin su kabağı-epoksi kompozitinin ses yutma performansı üzerindeki etkisinin ortaya koyulmasıdır. Bu bağlamda, çalışmanın bu aşamasının sonunda kalınlık ve lif oranının kompozitin ses yutma performansı üzerinde etkili bir parametre olduğu ortaya çıkmıştır. Genel bir değerlendirme ile şu söylenebilir ki  kalınlık artışı özellikle alçak frekanslarda etkili bir parametredir. Lif oranı arttıkça tüm frekanslarda yutuculuk artmıştır. Her iki parametre için de bazı numunelerde ve bazı frekanslarda genellemenin dışında sonuçlar elde edilse de bunlar da özel koşullara göre yorumlanmışlardır. Buna ek olarak, numunelerin gürültü azaltım katsayıları (NRC) belirlenmiş ve incelenmiştir. 
Çalışmadaki ikinci aşama, kompozitlerin ses yutma katsayısının belirlenmesinde bulanık mantık modellerinin kullanılabilirliğinin ispatlanmasıdır. Bu aşamada, frekans, kalınlık ve lif oranı parametreleri ile ilk aşamanın çıktısı olan ses yutma katsayısıları girdi olarak kullanılmıştır. Model için üç farklı program kullanılmış ve her bir programın ayrı ayrı ölçüm sonuçları ile arasındaki ilişki ortaya koyulmuştur. İlk olarak çoklu regresyon analizi için SPSS programı kullanılmıştır. Sırasıyla frekans, malzeme kalınlığı ve lif oranı parametreleri girdi olarak kullanılmış ve sonunda ses yutma katsayısının hesaplanabilmesi için bir matematik formülü elde edilmiştir. Formül kullanılarak hesaplanan ses yutma katsayısı sonuçları ile empedans tüpü ölçümü sonucunda elde edilen sonuçlar karşılaştırıldığında aralarında %77 oranında bir tutarlılık olduğu belirlenmiştir. Bu tür çalışmalarda %70 üzerinde korelasyon elde edilmesi üretilen modelin kullanılabilir olduğunu göstermesine rağmen, sonuç değeri %70'e çok yakın olduğu için çoklu regresyon analizinin ses yutma katsayısı tayininde kullanılabilirliği üzerine kesin bir yorum yapılamamıştır. Çoklu regresyon analizinden sonra bulanık mantık modeline geçilmiştir. Burada, MathLAB programını kullanan Fuzzy Logic'te model kurulumu için frekans, malzeme kalınlığı ve lif oranı verileri girdi olarak belirlenmiş ses yutma katsayıları da çıktı olarak programa tanıtılmıştır. Sonrasında 15 farklı numune için girdi ve çıktılar göz önünde bulundurularak 90 adet kural programa tanımlanmıştır. Bu kurallar doğrultusunda kurulan modele ses yutma katsayısı tahminleri yaptırılmıştır. Elde edilen sonuçlar beklenenin çok üzerinde çıkmıştır. Fuzzy Logic programı çıktıları ile ölçüm sonuçları arasında % 98 uyum çıkmıştır ki bu neredeyse birebir aynı katsayıların elde edildiği anlamına gelir. Bu umut verici gelişmeden sonra Fuzzy Logic programına benzer olan ANFIS programı kullanılmıştır. Bu iki program arasındaki tek fark Fuzzy Logic'te kurallar manuel olarak girilirken uyarlamalı ağ tabanlı bulanık çıkarım programı olan ANFIS'in girdi ve çıktıları kullanarak kuralları kendisinin belirlemesidir. Tıpkı Fuzzy Logic programında olduğu gibi frekans, malzeme kalınlığı ve lif oranı girdi, ölçümden elde edilen ses yutma katsayıları çıktı olarak programa tanımlanmış ve model oluşturulmuştur. Sonuçlar karşılaştırıldığında, ölçüm sonuçları ile arasında %99 uyum elde edilmiştir. 
Çalışma sonuçları, Su kabağı-epoksi kompozit malzemesinin piyasada bulunan yapay lifli ses yutucu malzemeler yerine alternatif bir yutucu malzeme olarak kullanılabileceğini gözler önüne sermiştir. Bu çalışma aracılığıyla doğal lifli kompozit bir malzeme literatüre kazandırılmıştır. 
Çalışma diğer bir yandan da, gelişen teknolojiye ayak uydurarak geleneksel yöntemler yerine daha çağdaş yöntemlerin kullanılabilirliğini ortaya koymuştur. Ses yutma katsayısı tayininde yapay zeka kullanılmasının, numune üretim ve ölçüm sürecinde zaman ve ekonomik tasarruf sağlayacağı açıkça ortadadır.

Abstract:
There are various environmental factors affecting human health and comfort.Sound conrtol in enclosed spaces is one of these factors. There are many factors that affect the sound control in an enclosed space. Factors such as the form and volume of the space, and the finishing materials used on the surfaces are very important in terms of the propagation of the sound within the space and the time or form of reaching the receiver. Especially for space designs such as concert, theater, opera, conference hall, where acoustic design is extremely important, when the building form is still at the preliminary project stage, the hall form should be designed in the proper plan form (U shape, Fan shape, Horseshoe shape) which is determined according to the acoustic elements. It will provide a suitable environment for acoustic arrangements. After the space design is completed, the most important acoustic parameter of space will be the reverberation time during the acoustic project phase. The reverberation time (RT) is the time it takes to reduce the sound power level by 60dB from the moment the sound source is turned off in a room. The reference values of the reverberation time (RT) are determined in the regulations, depending on the intended use of the indoor space. In the calculation of the reverberation time of a space, the volume of the space, the surface areas of the building element (wall, floor, ceiling) and the sound absorption coefficients (α) of the finishing materials used on the surfaces are used. 
Many different types of materials can be usedas a sound absorber as finishing material. Generally, porous (fibrous) materials, foams, perforated panels and resonators are sound absorption materials. The frequency ranges in which each material is effective varies according to the material properties. 
Fibrous materials are generally divided into natural and synthetic fiber materials and are used in the form of weaving in the raw form obtained from nature or by composing with binding materials. Although synthetic fibers such as glass wool and rock wool are mostly preferred in market, the tendency towards natural fibers has increased in recent years due to the problems that have arisen especially with these fibers. Many studies have revealed that synthetic fibers such as glass wool create health problems such as deforming the lungs of the worker who performs the application and damaging the lungs in the long term. At the same time, environmental problems such as depleted energy resources have directed manufacturers towards natural resources in the field of materials as in many areas.
In this study, it is aimed to produce a natural fiber composite material that can be used instead of synthetic fiber sound absorbing materials and to propose a new method that will save cost and time in determining the sound absorption coefficient of the material. Within the scope of the study, it is aimed to introduce a natural fiber material that can be used instead of synthetic fiber materials to the literature and practice in controlling the sound in the spaces and adjusting the reverberation time. In the continuation of the study, using the sound absorption coefficient data obtained from this material produced, it is aimed to reveal the use of artificial intelligence method in determining the sound absorption coefficient instead of the traditional reverberation room and impedance tube measurement methods used for years. 
Within the scope of the thesis, a natural fiber composite material is produced using luffa cylindrica fibers and epoxy material, which is a thermoset binder. With the sound absorption coefficient data obtained from the produced composites, sound absorption coefficient estimation models were created with the "fuzzy logic" method, which is used in different fields today but has not yet found a wide area of use in the field of architecture and materials. 
Various methods were used at every stage of the study. First of all, samples were produced in the laboratory using the hand lay-up method for the production of composite materials. Laboratory conditions and processing properties of the materials were effective in the selection of this method. After the composite production was completed, the impedance tube method have been used to measure the sound absorption coefficients of the samples. Dimensionally small samples must be produced for the impedance and standing wave method. For this reason, it is preferred to determine the sound absorption coefficient with this method in academic studies. At the point where the industrial production of the material will be switched to, the reverberation chamber method is used. Because the most realistic measurement in the determination of the sound absorption coefficient is obtained by the reverberation chamber method. Since the sample sizes to be produced in the reverberation chamber method will be large, this method is an expensive method for academic studies, so it is not preferred as a priority. However, if the material is to be released to the market, the sound absorption coefficients must be measured with the reverberation chamber method.
After determining the sound absorption coefficients, adaptive network based fuzzy inference (ANFIS) program, fuzzy logic program and multiple regression analysis method were used in the final stage of the study to establish sound absorption coefficient estimation models.
In the first stage of the study, the natural fiber and binder to be used were determined in order to make composite production, and then the gourd fiber and epoxy materials were supplied. Then, the parameters that affect the sound absorption performance were examined and these were given until the evaluation of the effect of thickness and fiber ratio parameters on sound absorption performance. The structural and physical properties of the fibers and laboratory facilities were effective in determining these parameters. In this context, the physical properties (thickness of the samples and fiber ratios to be used in the sample) of the different samples to be produced were determined and CNC molds were prepared according to these properties. Impedance tube dimensions were also taken into consideration while determining the mold sizes. After the mold production was completed, luffa cylindrica fibers were made usable in the composite by various processes. In the final stage of composite production, the fibers and epoxy are placed in molds at predetermined proportions and left to cure. 
After the production of the composite samples was completed, the sound absorption coefficients were calculated using an impedance tube. At the end of the first stage, the expected output from the study is to demonstrate the effect of material thickness and fiber ratio parameters on the sound absorption performance of the luffa cylindrica fibers-epoxy composite. In this context, at the end of this stage of the study, it was revealed that the thickness and fiber ratio is an effective parameter on the sound absorption performance of the composite. In addition, the noise reduction coefficients (NRC) of the samples were determined and examined. 
The second stage in the study is to prove the usability of fuzzy logic models in determining the sound absorption coefficient of composites. In this stage, frequency, thickness and fiber ratio parameters and sound absorption coefficients, which are the output of the first stage, were used as inputs. Three different programs were used for the model and the relationship between each program and the measurement results separately was revealed. First, the SPSS program was used for multiple regression analysis. Frequency, material thickness and fiber ratio parameters were used as inputs, respectively, and finally a mathematical formula was obtained to calculate the sound absorption coefficient. When the sound absorption coefficient results calculated using the formula and the results obtained as a result of the impedance tube measurement were compared, it was determined that there was a 77% consistency between them. Although obtaining a correlation above 70% in such studies shows that the produced model is usable, a definite comment could not be made on the usability of multiple regression analysis in determining the sound absorption coefficient, since the result value is very close to 70%.
After multiple regression analysis, fuzzy logic model was used. In Fuzzy Logic, which uses the MathLAB program, the frequency, material thickness and fiber ratio data were determined as inputs for the model setup, and the sound absorption coefficients were introduced to the program as output. Afterwards, 90 rules were defined in the program by considering inputs and outputs for 15 different samples. Sound absorption coefficient estimates were made to the model established in accordance with these rules. The correlation in the results obtained was much higher than expected. There was 98% agreement between the Fuzzy Logic program outputs and the measurement results, which means that almost exactly the same coefficients were obtained.
After this promising development, the ANFIS program, similar to the Fuzzy Logic program, was used. The only difference between these two programs is that while rules are entered manually in Fuzzy Logic, ANFIS, which is an adaptive network-based fuzzy inference program, determines the rules by using the inputs and outputs. Just like in the Fuzzy Logic program, frequency, material thickness and fiber ratio are input and the sound absorption coefficients obtained from the measurement are defined to the program as output and the model is created. When the results were compared, 99% agreement was obtained between the measurement results. 
The results of the study revealed that the luffa cylindrica fibers-epoxy composite material can be used as an alternative absorber material instead of synthetic fiber sound absorbing materials available in the market. Through this study, a natural fiber composite material has been brought to the literature.
On the other hand, the study has revealed the usability of more contemporary methods instead of traditional methods by keeping up with the developing technology. It is obvious that using artificial intelligence in the determination of the sound absorption coefficient will save time and economy in the sample production and measurement process.