Acoustic analysis of new sustainable materials for heat pump structural solutions

Abstract

This work aims to identify the most effective materials for sound insulation in heat pumps, incorporating improvements in the testing procedure. The study focuses on the evaluation of bonded foam (provided by the company Flexicel) and geopolymer samples, utilizing both manual and automatic measurement methods. To enhance the testing process, a sample holder capable of measuring samples with various thicknesses and components for the correct fixation of the intensity probe were developed. A 3D printer was used has the basis for the automatic system and additionally G-Code commands were written to establish an automated scanning pattern. Through Scan & Paint measurements, the sound intensity for each frequency of each sample was obtained, and the pressure-intensity method was employed to calculate the sound transmission loss. The Scan & Paint technique was also used to assess the uniformity of sound fields, spatial distribution of sound intensity and potential sound leaks in order to gain comprehensive insight into the performance of the materials and ways to improve the testing conditions for each individual sample. Results highlight a low density coloured bonded foam with bitumen heavy layer exhibiting superior sound insulation capabilities among the bonded foam samples, followed by a polyurethane (PUR) foam with heavy layer as well. For these samples, sound transmission loss surpassed 30 dB from 2000 Hz onwards and revealed good results in the rest of the frequency range. Coloured foam sound transmission loss peaked at 5000 Hz with 41.5 dB. Moreover, the geopolymer samples, specifically those with 30 mm and 40 mm thickness, demonstrated promising sound transmission loss results. Evaluating results from both manual and automatic tests, it was proved that samples with a lower content of aluminium (0.10%) and bigger thickness provided overall better acoustic performances, presenting a peak of around 36.7 dB at 4000 Hz and also interesting results in lower frequencies. Surprisingly, the geopolymer sample that showed the highest sound transmission loss value was the one with 0.15% aluminium and thickness of 30 mm, presenting 36.8 dB at 4000 Hz. Notably, the integration of the automated scanning method improved the efficiency and accuracy of the testing procedure. However, significant disparities in sound transmission loss values were observed between the manual and automatic measurement methods, specially in geopolymer samples, although they were not nearly as pronounced in the bonded foam samples. Consequently, caution is warranted when interpreting the results obtained through the automated measurements, as it is suggested that the manual tests provide a more reliable basis for evaluating the sound insulation properties of the materials.

Este trabalho tem como objetivo identificar os materiais mais eficazes para isolamento acústico de bombas de calor, incorporando melhorias no procedimento de ensaio. O estudo centra-se na avaliação de amostras de aglomerados de espumas (fornecidas pela empresa Flexicel) e de geopolímeros, utilizando métodos de medição manuais e automáticos. Para melhorar o processo de ensaio, foram desenvolvidos um suporte de amostras capaz de medir amostras com várias espessuras e componentes para a correcta fixação da sonda de intensidade. Foi utilizada uma impressora 3D como base para o sistema automático e, adicionalmente, foram escritos comandos em código G para estabelecer um padrão de varrimento automatizado. Através das medições utilizando a técnica Scan & Paint, obteve-se a intensidade sonora para cada frequência de cada amostra e utilizou-se o método de pressão- intensidade para calcular a perda de transmissão sonora. A técnica Scan & Paint foi também utilizada para avaliar a uniformidade dos campos sonoros, a distribuição espacial da intensidade sonora e as potenciais fugas de som, de modo a obter uma visão abrangente do desempenho dos materiais e de formas de melhorar as condições de teste para cada amostra individualmente. Os resultados destacam uma espuma colorida de baixa densidade com camada dura de betume que apresenta capacidades superiores de isolamento sonoro entre as amostras de aglomerados de espumas, seguida de uma espuma de poliuretano (PUR) também com camada dura. Para estas amostras, a perda de transmissão sonora ultrapassou os 30 dB a partir dos 2000 Hz e revelou bons resultados no resto da gama de frequências. A perda de transmissão sonora da espuma colorida atingiu o pico a 5000 Hz com 41.5 dB. Para além disso, as amostras de geopolímeros, especificamente aquelas com 30 mm e 40 mm de espessura, demonstraram resultados promissores de perda de transmissão sonora. Em termos globais, avaliando os resultados dos ensaios manuais e automáticos, verificou-se que as amostras com menor conteúdo de alumínio (0,10%) e maior espessura proporcionaram melhores desempenhos acústicos, apresentando um pico de cerca de 36.7 dB nos 4000 Hz e também resultados interessantes em frequências mais baixas. Surpreendentemente, o geopolímero que apresentou o valor mais elevado de perda de transmissão sonora continha 0.15% de conteúdo de alumínio e uma espessura de 30 mm, apresentando 36.8 dB a 4000 Hz. É de salientar que a integração do método de varrimento automático melhorou a eficiência e a precisão do procedimento de ensaio. No entanto, foram observadas disparidades significativas nos valores de perda de transmissão sonora entre os métodos de medição manual e automático, especialmente nas amostras de geopolímeros, embora não tenham sido tão acentuadas nos aglomerados de espuma. Consequentemente, é necessária alguma precaução ao interpretar os resultados obtidos através das medições automáticas, uma vez que se sugere que os testes manuais fornecem uma base mais fiável para avaliar as propriedades de isolamento acústico dos materiais.