Akustik Uygulamalar İçin Nanolifli Resonant Membran

Abstract

Günlük yaşantımızda ciddi bir çevresel kirlilik olarak değerlendirilen gürültü, Dünya Sağlık Örgütü'nce halk sağlığını etkileyecek bir sorun olarak tanımlanmaktadır. Trafik, sanayi, inşaat ve halka açık işyerleri gibi kaynakların sebep olduğu çevresel gürültülerin yanı sıra, havalandırma sistemleri, büro makineleri ve beyaz eşya gibi kapalı kaynaklar nedeniyle ortaya çıkan gürültü, insan sağlığı için giderek artan bir sorundur. İlgili araştırmalar incelendiğinde uygun malzemelerin seçilmesi halinde, gürültü seviyesinde azalmaların mümkün olabileceği görülmektedir. Tekstil malzemeleri gözenekli ve lifli yapıları sayesinde, akustik performans gösterecek potansiyele sahiptirler. Literatür çalışması ve ticari ürünler üzerine yapılan inceleme ve araştırmalar neticesinde, akustik uygulamalara yönelik tekstil malzemelerinin ağırlıklı olarak orta ve yüksek frekanslarda ses yutumu sağlayabildiği görülmektedir. Öte yandan, bu tip malzemelerin gereken performansı gösterebilmesi için yüksek kalınlık değerlerinde üretilmesi gerekmektedir. Bu noktadan hareketle, düşük frekanslarda ses yutumu sağlayabilecek ve nispeten düşük kalınlık değerlerinde yeni malzemelerin geliştirilmesine duyulan ihtiyacı karşılamak üzere nanolifli membranlardan faydalanılabileceği değerlendirilmektedir. Bir malzemenin sesi yutabilmesi için, ses dalgalarının içerisinde ilerlemesine imkan sağlayacak şekilde gözenekli olması gerekir. Sesin, malzemenin dar kanalları içerisinde ilerleyişi sırasında enerjisi, lifler arası sürtünme, viskoz dağılma veya ikisinin kombinasyonu yardımıyla dağılmaya uğrar. Bu anlamda, malzemenin gözenekliliği ses yutum performansı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Tekstil malzemelerinin ses yutum özellikleri bağlamında, akış direnci bir diğer önemli terim olarak ortaya çıkmaktadır. Yüksek gözenekliliğe sahip bir malzeme, düşük akış direncine sahipken, gözenekliliği düşük olan bir malzeme ise yüksek akış direnci gösterme eğilimindedir. Dolayısıyla, optimum ses yutum performansı için, akış direncinin optimum olması gerekmektedir. Lifler ve bunlar arasındaki hava boşlukları ses dalgasının hareketine direnç gösteren sürtünme elemanlarıdır. Ses dalgası, malzeme içerisinde ilerledikçe genliği ve dolayısıyla ses dalga enerjisi sürtünme ile azalır. Lif çapı inceldikçe, ses yutum katsayısının yükseleceği söylenebilir. Zira, ses dalgası kullanılan malzeme içerisinde daha fazla sayıda lifle temas edecektir. Bu genel bilgiler ışığında, geliştirilecek malzemede kullanılacak liflerin mümkün olduğunda ince olması önemli bir unsur olarak ortaya çıkmaktadır. Bu noktadan hareketle, çalışma kapsamında, özellikleri kontrol edilebilen yüzeylerin eldesinin mümkün olduğu, nano boyutta liflerin imal edilebileceği “elektro-eğirme” teknolojisinden faydalanılması planlanmış ve tez kapsamında; beyaz eşya kaynaklı gürültünün azaltılmasına yönelik, nanolifli rezonant membran esaslı bir materyal geliştirilmesi hedeflenmiştir. Çalışmada, literatür hakkında detaylı bir inceleme yapıldıktan sonra tezin deneysel tasarım kurgusu gerçekleştirilmiştir. Bu kurgu kapsamında gerçekleşmiş olan tüm deneysel çalışmalar, bilimsel literatüre yenilikçi sonuçlar sunmaktadır. Çalışma, nanolifli yüzeylerin akustik davranışları, elektro-eğirme için polimer reçetesi hazırlama, elektro-eğirme prosesi ve değişken parametreleri üzerine yapılan çalışmalardan elde edilen veriler ışığında nanolifli membran geliştirilmesi/üretimi ile başlamıştır. Farklı gramajlarda, farklı nanolif çaplarında ve farklı polimerlerden nanolifli membranlar üretilmiştir. Çalışmanın ikinci bölümünde, nanolifli membranların rezonans frekanslarını belirlemeye yönelik yeni bir optik metot geliştirilmiştir. Bu deney düzeneğinin ana bileşenleri bir dijital kamera (Olympus-System i-SPEED2), 8.4 "LCD ekran paneli ve 10 cm çapında şeffaf bir tüptür. Rezonans frekansını belirleyebilmek için, her 20 Hz'de ölçümler alınmak suretiyle 0-1500 Hz frekans aralığında çalışma yapılmıştır. Titreşimlerine bağlı olarak bulundukları düzlemden sapma mesafesi olarak tanımlanan nanolifli membranların sapma büyüklüğü, 0-1500 Hz frekans aralığında dört farklı ekipman ayarı kullanılarak ölçülmüştür: 1. ayar: açık tüp (tüpün bir ucu açık), 2. ayar: kapalı tüp (tüp rijit bir plaka ile kapatılmıştır), 3. ayar: numune üzerine 0,5387 g ağırlığın uygulandığı açık tüp (bu ayarda, 0,5387 gramlık bir ağırlık numune üzerine uygulanmasının hemen ardından uzaklaştırılmış ve böylelikle tüpün bir ucu açıkken numuneye radyal bir gerginlik verilmiştir)- ve, 4. ayar: numune üzerine 0,5387 g ağırlığın uygulandığı kapalı tüp (bu ayarda, 0,5387 gramlık bir ağırlık numune üzerine uygulanmasının hemen ardından uzaklaştırılmış ve böylelikle tüp rijit bir plaka ile kapalıyken numuneye radyal bir gerginlik verilmiştir). Optik metoda bağlı olarak, nanolifli membranların rezonans frekansı belirlenmiştir. Ölçüm ekipman ayarlarının membran rezonans frekansı üzerine etkisi incelenmiştir. Nanolifli membran üretiminde denenen çeşitli polimerler arasında, ana malzeme olarak polivinilalkol (PVA) seçilmiştir. Seçimde, literatür çalışmalarından elde edilen veriler ışığında malzemenin yüksek ses yutum verimliliği ve nanolif yüzey oluşumunda önemli bir faktör olan suda iyi çözünürlüğü dikkate alınmıştır. Farklı gramaj ve lif çaplarında PVA nanolifli membran üretimi gerçekleştirilmiştir. Membran gramaj ve lif çapının rezonans frekans üzerindeki etkisi analiz edilmiş olup, çalışma sonucunda PVA nanolifli membranın rezonans frekansının, gramajın artması ve ortalama nanolif çapının azalması ile azaldığı gözlenmiştir. Bunlara ek olarak, nanolifli membranın rezonans frekansları farklı yapıda homojen bir membran olan folyo ile karşılaştırılmıştır. Çalışma sonucunda, nanolifli membranın ve folyonun aynı rezonans frekans karakteristiği sergilediği ancak, düşük frekans aralıklarında nanolifli membranın folyodan daha yüksek sapma gösterdiği görülmüştür. Ayrıca, hem nanolifli membranın hem de folyonun rezonans frekansı kapalı tüp içerisinde artma göstermiş olup, sapma büyüklüğü numuneye kapalı tüp içerisinde radyal gerilim uygulandığında artmıştır. Bunun yanında, folyoya ilave olarak farklı homojen membranların rezonans frekansları ve membran özelliklerinin nanolif membranla karşılaştırması yapılmıştır. Sonuçlar, nanolifli membran ve düşük yoğunluklu polietilen (LDPE) streç filmin farklı rezonans frekanslara (maksimum sapmaların meydana geldiği frekans değerleri) sahip olduğunu göstermiştir. Çalışmanın devamında, nanolifli membran üretimi için kullanılan polimer türleri de çeşitlendirilmiştir. Sonuçlar, polimer türünün değişmesinin rezonans yutum frekansında bir kaymaya neden olduğunu göstermiştir. Tez, geliştirilen nanolifli membranların ses yutum performansı ve ses iletim kaybı özelliklerinin analiz edildiği üçüncü bölüm ile devam etmektedir. Anılan özellikler empedans tüpü kullanılarak belirlenmiş olup, optik yöntem ile kıyaslaması yapılmıştır. Çalışmada ayrıca, geniş frekans aralığında iyi bir ses yutumu elde edebilmek için boşluklu örme kumaş malzemeleri ile nanolifli membranlar bir araya getirilerek, farklı kullanım alanlarına yönelik özel kombine yapılar geliştirilmiş ve bu yapıların akustik özellikleri incelenmiştir. Yapılan çalışmalar neticesinde nanolifli membran kullanımının boşluklu örme kumaşın akustik performansı üzerinde önemli bir etkisi olduğu gözlenmiştir. Ayrıca, nanolifli membranın gözenekli tekstil yapısı ile birlikte kullanılmış olması geniş frekans bant aralığında daha iyi bir ses yutumu sağlamıştır. Son olarak, ticari nonwoven yapının (keçe) destekleyici malzeme olarak, spunbond (S) /meltblown (M) yapılarının ve bunların kombinasyonlarının koruyucu malzeme olarak kullanıldığı nanolifli membran esaslı kompozit yapı geliştirilmiştir. Çamaşır makinalarının sebep olduğu ses seviyesini azaltmak üzere piyasada yaygın olarak yün keçe malzemesi kullanılmaktadır. Anılan malzeme, boşluklu örme kumaş yapılarına kıyasla maliyet ve üretim kolaylığı gibi önemli avantajlar sunmaktadır. Öte yandan, makine konstrüksiyonu gereği izolasyon malzeme kalınlığının 20 mm ile sınırlı olduğu belirlenmiştir. Tez kapsamında öncelikle yaygın olarak kullanılan yün keçe izolasyon malzemesi ile birlikte nanolifli membranın kullanılabilirliği değerlendirilmiştir. Nanolifli membranın akustik davranışını olumsuz yönde etkilemeyecek şekilde, destek ve koruyucu yüzeyler olarak kullanılması hedeflenen dokusuz yüzey malzemelerin özellikleri; ilgili literatür verileri ve ticari ürün özelliklerinden faydalanılarak yapılan değerlendirmeler suretiyle belirlenmiştir. Geliştirilen nanolifli membranın, mevcut ticari ürünlerle (çamaşır makinalarında kullanılan keçeler) birlikte kullanıldığında, anılan malzemenin (keçe) ses yutum performansında % 25-30 oranında bir iyileştirme sağladığı (çalışma kapsamında odaklanılacak düşük-orta frekanslarda, ses yutum katsayısı 0,50 seviyelerinden 0,80’lere yükselmiştir) görülmüştür. Gerek literatür bulguları, gerekse nanolifli membran tasarım çalışmalarımız sırasında elde edilen veriler kapsamında, membran için mümkün olabildiğince fazla titreşim yapabileceği (dolayısıyla daha fazla ses yutumu olacaktır) bir alanın yaratılmasının önemli olduğu gözlenmiştir. Bu bağlamda, nanolifli membranın yer alacağı bir katmanlı yapıda; koruyucu yüzey katmanın, nanolifli membranı dış etkilerden koruyacak ve ses yutum performansını zayıflatmayacak şekilde iyileştirilmesi gerekmektedir. Yüzey teknolojisi anlamında ses yutum performansları yanında maliyet ve üretim kolaylıkları dikkate alınarak yine nonwoven teknolojisi kullanılmıştır. Bu manada, teknolojinin farklı yöntemlerinden (spunbond, meltblown gibi) faydalanılarak üretilecek numuneler üzerinden, gerek malzemenin (üst katman) kendisi, gerekse katmanlı yapının performansının ilgili standartlar kapsamında değerlendirmesi (akustik özellikler) yapılmıştır. Elde edilen bulgular, koruyucu malzemenin ses yutum özelliğine olumlu katkı sağladığını göstermiştir. Koruyucu malzeme olarak çok katmanlı yapıya sahip nonwoven malzemelerin tek katmanlı koruyucu nonwoven malzemelerden daha iyi akustik performansa sahip olduğu sonucuna varılmıştır. Buna ilaveten, yapılan çalışmalardan elde edilen veriler ışığında, çok kriterli karar verme yöntemlerinden en uygun olanın seçilip uygulanması (TOPSIS, AHP, vb.) sonucu, en iyi akustik performansı gösteren katmanlı yapı seçilerek, ev tipi bir çamaşır makinası üzerine yerleştirilmiştir. Çamaşır makinesi üzerinde ses düzeyi ölçümleri yapılmış olup, nanolifli membran esaslı yapının mevcutta kullanılan keçe malzemesi üzerine uygulanması durumunda ses gücü düzeylerinde 1,6 dBA’lık bir iyileşme görülmüştür. Makina üreticisinin tavsiyesi doğrultusunda ve ilgili standartlar kapsamında anılan malzemenin akustik özelliği dışında boyutsal ve yapısal özellikleri de test edilerek membranın zarar görüp görmediği, katmanlar arasında süzülüp süzülmediği gibi özellikleri değerlendirilmiştir. Sonuç olarak, tezdeki çalışmalar bir bütün olarak değerlendirildiğinde, gerek kullanılan yöntemler gerekse ortaya koyduğu sonuçlar itibariyle literatüre yenilikçi malzeme tasarımı, yeni çalışma alanı ve yenilikçi ölçüm yöntemleri gibi önemli başlıklarda mevcut bilgi birikimine özgün ve önemli bir katkı sağladığı düşünülmektedir. Diğer bir deyişle, tez çalışması sonuçları hem ulusal hem de uluslararası platformlarda özgün bilimsel ve teknolojik değerler yaratacaktır. Tez kapsamında geliştirilmiş yenilikçi ürün (faydalı model) endüstriyel tasarım ve/veya patent başvurularına olanak sağlayabilecek; akustik uygulamalara yönelik, inovatif ürün/yöntem geliştirme-iyileştirme süreçlerine ait bilgi birikimi sağlayacaktır. Son olarak, edinilen teknik bilgiler çerçevesinde, akustik malzeme üretiminin tekrarlanabilirliği ve potansiyel seri üretim süreçlerinde de özgün bir değere sahiptir.

Environmental noise from sources such as traffic, industries, construction, and public work, as well as noise from indoor sources like ventilation systems, office machines and white goods is an ever growing problem to human health. Fibrous textile materials are widely used for acoustic purposes applications such white goods. However, the absorption of lower-frequency sound is problematic with fibrous materials made up of coarser fibers. For this reason, sound absorption materials that perform effectively at low frequencies are required. Nanofibrous layers can perform as membranes that vibrate easily at low frequencies. This property is obtained by nano dimensions of the fibers as well as the interfiber areas. Sound waves incident on the acoustic resonance membrane make the membrane oscillate, and the maximum amplitude occurs in the case of resonance. This thesis aims at developing a nanofibrous resonant membrane based material in order to decrease the noise generated by white goods. The studies conducted were designed with reference to the detailed literature review, have novelty in research, and have produced remarkable as well as original results. The thesis study starts with the development/production of nanofibrous membranes having different mass per unit area, fiber diameter and polymer types. The process and polymer parameters used during the production of the nanofibrous membrane were set in the light of the information gathered from the literature survey regarding the acoustic characteristics of nanofibrous layers, the polymer properties for electrospinning and, electrospinning process and its variable parameters. The second part of the thesis involves the development of a novel optical method for determining the resonance frequency of the produced nanofibrous membranes. In order to determine the resonance frequency, a frequency range of 0–1500 Hz was studied by taking measurements at every 20 Hz, to obtain a rough estimate of the resonance frequency. The deflection size of the samples at a frequency range of 0-1500 Hz was measured using four different experimental settings such as; setting 1: open tube (one end of the tube is open), setting 2: closed tube (the tube closed with a rigid plate), setting 3: open tube with a 0.5387 g weight hung on the sample, and then immediately removed to create a radial tension on the sample while one end of the tube remained open and, setting 4: closed tube with a 0.5387 g weight hung on the sample, and then immediately removed to create a radial tension on the sample while the tube was closed with a rigid plate. Resonance frequency of the nanofibrous membranes was determined according to the optical method developed and effect of mass per unit area and fiber diameter on resonance frequency were analyzed. The results of the study showed that the resonance frequency of the polyvinyl alcohol (PVA) nanofibrous membrane decreased with the increase in mass per unit area and decrease in average nanofiber diameter. Moreover, a study on comparison of the resonance frequency of the produced membranes with that of a homogenous membrane, namely foil was conducted. It was found that both nanofibrous membrane and foil exhibit the same resonance frequency characteristic although nanofibrous membrane showed higher deflection than that of the foil at lower frequency ranges. Additionally, the resonance frequency of both the nanofibrous membrane and the foil increased in the setting involving the closed tube while the amplitude increased when radial tension was applied to the sample in the closed tube. Furthermore, resonance frequencies of different homogenous membranes in addition to foil and comparison of their properties with those of the nanofibrous membranes were conducted. The results indicated that nanofibrous membrane and low-density polyethylene (LDPE) stretch film had different frequency values at which the maximum deflections occur. Polymer types used for the production of nanofibrous membranes were also diversified. The results showed that a change in polymer type caused a shift in resonance frequency. The thesis continues with the third part in which the nanofibrous resonant membranes developed were tested to determine their sound absorption characteristics and transmission loss values. Moreover, special structures were developed by combining the produced nanofibrous membranes and spacer knitted fabrics and the acoustic behavior of the developed structures was analyzed. It was observed that the use of nanofibrous membrane had a significant impact on the acoustic performance of spacer knitted fabric. Furthermore, the use of nanofibrous membrane with porous structures provided a better sound absorption at larger frequency bandwidth. Finally, a novel nanofibrous membrane based combined (layered) structure was developed in which commercial nonwoven fabric (felt) was used as substrate material whereas spunbond (S)/meltblown (M) structures and their combinations were used as covering layer. Nonwoven technology was used in terms of surface technology considering cost and ease of manufacturing besides the sound absorption performance. The combined (layered) structures acoustic performance was also tested on domestic washing machines.The insulating material used in such application areas should be applied easily and exhibit satisfactory dimensional and structural characteristic besides good acoustic performance. In this context, nanofibrous membrane based combined structures developed were enhanced for the application area. It was observed that the addition of covering material to the layered structure made a positive contribution to the sound absorption property. The structures with multilayered nonwoven coverings tended to demonstrate better acoustic performance than those with single layer coverings. Moreover, the joining of the special structure (covering layer + nanofibrous membrane) to the felt, which is commercially used in washing machines, provided an about 1,6 dBA improvement in sound power level. This 1,6 dBA decrease corresponds to a 30% decrease in sound power level. In addition to that, multiple criteria decision making (MCDM) was applied to the study. Technique for order preference by similarity to ideal solution (TOPSIS) together with analytic hierarchy process (AHP) was employed not only to determine the best performed nonwoven as a covering layer, but also to find out the optimized solution among the combined structures developed, so far as the acoustic behaviour was concerned. In conclusion, when the thesis study is evaluated as a whole, it is predicted that it has an important and unique contribution to the existing knowledge for the topics such as the design of the novel material and innovative measurement methods. It also has a potential as forming a basis for new fields of related studies. Therefore, the results of this study will produce unique scientific and technologic results both in national and international arenas. The innovative product that was developed within the thesis will form a basis to develop other unique projects since the studies carried out during the thesis will provide a collection of technical knowledge that can be used in developing and improving similar innovative materials. Finally, this study has a unique value in both repeatability of producing acoustic materials and in potential mass production processes with the help of the presented technical knowledge.