Periodic sound scatterers structures with Helmholtz resonators in ventilation ducts

openaccess, Vol. 636 (8) 2025 / czwartek, 28 sierpnia, 2025

Periodyczne struktury rozpraszaczy dźwięku z rezonatorami Helmholtza w kanałach wentylacyjnych

(Open Access)

DOI: 10.15199/33.2025.08.24

citation/cytuj: Radosz J. Periodic sound scatterers structures with Helmholtz resonators in ventilation ducts. Materiały Budowlane. 2025. Volume 636. Issue 08. Pages 202-212. DOI: 10.15199/33.2025.08.24

Increasing demands for noise reduction are driving the search for new sound attenuation methods, particularly in ventilation ducts where airflow must be maintained. In this context, wave-based structures, especially sonic crystals and the integration of Helmholtz resonators, are gaining growing interest. This paper presents a study on noise reduction in ventilation ducts using sound-scattering structures with local resonators. Finite element simulations were carried out to analyze the effects of resonator geometry, slit orientation, and the potential for tuning resonance frequencies. The results showed that integrating resonators significantly improves attenuation in the low andmidfrequency ranges. Experimental measurements of physical models confirmed the effectiveness of the attenuation, while also highlighting the influence of material and geometric imperfections on the accuracy of the results.

Rosnące wymagania dotyczące redukcji hałasu sprawiają, że poszukiwane są nowe metody tłumienia dźwięku, szczególnie w kanałach wentylacyjnych, gdzie konieczny jest przepływ powietrza. W tym kontekście coraz większe zainteresowanie budzą struktury bazujące na zjawiskach falowych, w tym przede wszystkim tzw. kryształy dźwiękowe oraz integracja rezonatorów Helmholtza w tych strukturach. W artykule przedstawiono badania nad redukcją hałasu w kanałach wentylacyjnych z wykorzystaniem struktur rozpraszaczy dźwięku z lokalnymi rezonatorami. Symulacje wykonano metodą elementów skończonych, analizując wpływ geometrii rezonatorów, orientacji szczelin i możliwości strojenia częstotliwości rezonansowych. Wyniki wykazały, że integracja rezonatorów znacznie poprawia tłumienie w zakresie niskich i średnich częstotliwości. Pomiary eksperymentalne modeli fizycznych potwierdziły skuteczność tłumienia, wskazując jednocześnie na wpływ niedoskonałości materiałowych i geometrycznych na dokładność wyników.
sonic crystals; noise; Helmholtz resonator; sound attenuation.

kryształy dźwiękowe; hałas; rezonator Helmholtza; tłumienie dźwięku.
  1. Radosz J. Sound Insulation of an Acoustic Barrier with Layered Structures of Sonic Crystals – Comparative Studies of Physical and Theoretical Models. Archives of Acoustics. 2024. DOI: 10.24425/aoa. 2024.148810.
  2.  Qin X, Ni A, Chen Z, Fang M, Li Y. Numerical modeling and field test of sonic crystal acoustic barriers. Environ Sci Pollut Res Int. 2023. DOI: 10.1007/s11356-022-23109-2.
  3.  Ni A, Shi Z. Broadband wave attenuation and topological transport in novel periodic pile barriers. Engineering Structures. 2022. DOI: 10.1016/j.engstruct. 2022.114378.
  4.  Montiel F, Chung H, Karimi M, Kessissoglou N. An analytical and numerical investigation of acoustic attenuation by a finite sonic crystal. Wave Motion. 2017. DOI: 10.1016/j.wavemoti.2016.12.002.
  5. Sánchez-Pérez JV i in. Sound Attenuation by a Two-Dimensional Array of Rigid Cylinders. Phys. Rev. Lett. 1998. DOI: 10.1103/PhysRevLett. 80.5325.
  6. Sigalas MM, Economou EN. Elastic and acoustic wave band structure. Journal of Sound and Vibration. 1992. DOI: 10.1016/0022-460X (92) 90059-7.
  7.  Redondo J, Ramírez-Solana D, Picó R. Increasing the Insertion Loss of Sonic Crystal Noise Barriers with Helmholtz Resonators. Applied Sciences. 2023. DOI: 10.3390/app13063662.
  8. Goodini J, Younesian D. A new Helmholtz type sonic crystal for wide-band sound attenuation. Sound & Vibration. 2025. DOI: 10.59400/sv2315.
  9. LimK-M, LeeHP. Sound absorption using sonic crystalswith coupled Helmholtz resonators. INTER-NOISE and NOISE-CON Congress and Conference Proceedings. 2023. DOI: 10.3397/IN_2023_0404.
  10.  Cenedese M, Belloni E, Braghin F. Interaction of Bragg scattering bandgaps and local resonators in mono-coupled periodic structures. Journal of Applied Physics. 2021. DOI: 10.1063/5.0038438.
  11.  Plé J, Kone TC, Lehocine AB, Panneton R. Sonic Crystal Acoustic AttenuationApplied to ExhaustAir Systems. CanadianAcoustics. 2023; t. 51, nr 3, Art. nr 3, paź. 2023.
  12.  Czwielong F, Hruška V, Bednařík M, Becker S. On the acoustic effects of sonic crystals in heat exchanger arrangements. Applied Acoustics. 2021. DOI: 10.1016/j.apacoust.2021.108253.
  13.  Lee HM, Wang Z, Lim KM, Xie J, Lee HP. Novel plenum window with sonic crystals for indoor noise control. Applied Acoustics. 2020. DOI: 10.1016/j.apacoust. 2020.107390.
  14.  Radosz J.Acoustic performance of noise barrier based on sonic crystals with resonant elements. Applied Acoustics. 2019. DOI: 10.1016/j.apacoust. 2019.06.003.
  15.  D’Orazio T, Asdrubali F, Godinho L, Veloso M, Amado-Mendes P. Experimental and NumericalAnalysis ofWooden Sonic CrystalsApplied as Noise Barriers. Environments. 2023. DOI: 10.3390/environments10070116.
  16.  Lee HM, Hua Y, Xie J, Lee HP. Parametric Optimization of Local Resonant Sonic Crystals Window on Noise Attenuation by Using Taguchi Method and ANOVAAnalysis. Crystals. 2022. DOI: 10.3390/cryst12020160.
  17.  Szczepański G, Podleśna M, Łada K, Włudarczyk A. Sprawdzenie przydatności metamateriału akustycznego do redukowania hałasu średnioi wysokoczęstotliwościowego – symulacje numeryczne. Bezpieczeństwo Pracy: nauka i praktyka. 2023. DOI: 10.54215/BP. 2023.04.9. Szczepansk.
  18.  Fredianelli L, Del Pizzo LG, Licitra G. Recent Developments in Sonic Crystals as Barriers for Road Traffic Noise Mitigation. Environments. 2019. DOI: 10.3390/environments6020014.
  19.  Gupta A. Areview on sonic crystal, its applications and numerical analysis techniques. Acoust. Phys. 2014. DOI: 10.1134/S1063771014020080.
  20.  Ang LYL, Cui F, Lim K-M, Lee HP. A Systematic Review of Emerging Ventilated Acoustic Metamaterials for Noise Control. Sustainability. 2023. DOI: 10.3390/su15054113.
dr inż. Jan Radosz, Centralny Instytut Ochrony Pracy – Państwowy Instytut Badawczy
ORCID: 0000-0001-8542-7799

dr inż. Jan Radosz, Centralny Instytut Ochrony Pracy – Państwowy Instytut Badawczy
ORCID: 0000-0001-8542-7799

Correspondence address: jarad@ciop.pl

Full paper:

DOI: 10.15199/33.2025.08.24

Article in PDF file

Received: 27.03.2025 / Artykuł wpłynął do redakcji: 27.03.2025 r.
Revised: 13.05.2025 / Otrzymano poprawiony po recenzjach: 13.05.2025 r.
Published: 21.08.2025 / Opublikowano: 21.08.2025 r.