Analysis of a locally resonant metamaterial for interior noise mitigation in high-speed trains

In recent years, the railway transport industry has been characterised by a rising demand for passengers’ travel comfort. Acoustic comfort has become a growing concern due to increasing train speeds, requiring the development of acoustically optimised rail vehicles. Conventional sound insulation and absorption materials or structures have insufficient efficiency at low frequencies, due to their requisite mass, which is incompatible with the lightweight design needs of high-speed trains. The use of acoustic metamaterials offers a promising solution to manage low frequency noise and vibrations, hence meeting the requirements of high-speed train development. The main objective of this thesis is to model a locally resonant metamaterial, designed to reduce structure-borne noise in high-speed train cabins. Sensitivity analyses are con ducted, with the aim of defining design guidelines for optimising the metamaterial vibra tion attenuation properties. Then, local resonators are introduced on the floating floor of a reference rail vehicle, to suppress vibrations in the most critical frequency range. The effects of the metamaterial introduction have been demonstrated through numeri cal simulations. The results show a significant vibration reduction of the examined floor panel in the frequency range of interest, thereby validating the efficacy of metamaterials as lightweight solution for mitigating low frequency structure-borne noise in rail vehicles.

Negli ultimi anni, l’industria del trasporto ferroviario è stata caratterizzata da una crescente necessità di comfort di viaggio per i passeggeri. Il comfort acustico rappresenta una problematica sempre più rilevante a causa dell’aumento della velocità dei treni, ren dendo necessario lo sviluppo di veicoli ferroviari ottimizzati dal punto di vista acustico. I materiali e le tecniche convenzionali di isolamento e assorbimento acustico non sono adatti all’utilizzo alle basse frequenze, a causa della quantità di massa richiesta, incom patibile con i requisiti di leggerezza dei treni ad alta velocità. I metamateriali acustici rappresentano una soluzione promettente per la gestione del rumore e delle vibrazioni a bassa frequenza, soddisfacendo le esigenze legate allo sviluppo dei treni ad alta velocità. L’obiettivo principale di questa tesi è la modellazione di un metamateriale localmente risonante, progettato per attenuare il rumore strutturale nelle cabine dei treni ad alta velocità. Vengono presentate analisi di sensitività volte a definire linee guida progettuali, mirate all’ottimizzazione delle proprietà di attenuazione delle vibrazioni del metamateri ale. Successivamente, tali metamateriali sono applicati al pavimento flottante di un veicolo ferroviario di riferimento, al fine di sopprimere le vibrazioni nelle frequenze più critiche. Gli effetti derivanti dall’introduzione del metamateriale vengono valutati attraverso simulazioni numeriche. I risultati mostrano una significativa riduzione delle vibrazioni del pannello del pavimento esaminato nella gamma di frequenze di interesse, dimostrando così l’efficacia dei metamateriali come soluzione leggera per la mitigazione del rumore strutturale a bassa frequenza nei veicoli ferroviari.