Metamaterials as underwater acoustic barriers

Offshore wind turbines installation produce a very high amount of noise which is propagating in water in a wide area surrounding the site. It can reach up to 200 [dB] if unmitigated. As such, solutions to reduce the noise propagating in the surrounding water must be implemented when installations take place to avoid permanent damages to sh and mammals. Currently available solutions are able to reduce the noise of maximum 20 dB and are still associated to high costs for handling and deployment, i.e. bubble curtains. It follows that the research for a better and more man- ageable noise reducing solution is evident. In this thesis, an alternative solution, composed of Locally Resonant Acoustic Metamaterials (LRAMs) directly attached to the pile, is employed. Metamaterials are structures which are able to showcase features not available in common materials, such as bandgaps, i.e. regions in frequency where waves in the structure cannot propagate. By employing the proposed methodology, the aim is to verify the performances of LRAMs, alongside proposing a more economical and manageable solution. After the selection of a case study, a numeri- cal model capable of evaluating the dangerous radial modes associated to the selected pile was developed. Then, the alternative solution based on LRAMs was developed by selecting some starting resonator shapes and optimizing them using a generic algorithm-based scheme, which promotes designs with wider bandgaps at the frequency where the most dangerous radial modes were identi ed. Once optimized, numerical simulations were performed, and a numerical reduction of 12 dB was found. To further re- inforce the bounty of this result, an experimental validation at a smaller scale than the real one was conducted during the stage at PhononicVibes. After having selected a proper tube for testing, resonators which target radial modes were designed and tested in air. Results proved a reduction of the radial acceleration of 20 [dB]. Tests were performed also in water after a re-tuning process of the resonators, since water has an e ect on radial modes equivalent to that of an addition of mass. Tests in water also showcased the power of the proposed barrier, reducing the pressure of propagating waves of 16 [dB].

L'installazione di turbine eoliche in mare causa la propagazione di rumore in acqua su un'area attorno al sito molto estesa e, se non mitigata, può raggiungere 200 [dB]. Per questo motivo, soluzioni che mitigano il rumore prodotto sono necessarie durante il processo di installazione, per evitare di arrecare danni alla fauna marina. Quelle disponibili ad oggi sono in grado di portare un e etto di riduzione massimo pari a 20 [dB] in alcune speci che con gurazioni. Inoltre sono soggette a costi di posizionamento e manteni- mento in esercizio elevati, come il caso delle Bubble Curtains. La necessità di avere soluzioni performanti che siano più agevoli da posizionare è, quindi, evidente. In questo lavoro di tesi, viene proposta una soluzione mitigante alternativa, composta da metamateriali localmente risonanti (LRAMs) at- taccati direttamente al tubo da installare. I metamateriali sono strutture che, grazie ad una peculiare disposizione dei suoi costituenti nello spazio, permettono di ottenere proprietà non ottenibili con i materiali conven- zionali, per esempio bandgaps , ovvero regioni in frequenza dove nessun tipo di onda può propagare. In questo modo, l'obiettivo è duplice: testare l'e cacia dei metamateriali localmente risonanti rispetto alle soluzioni es- istenti e, allo stesso tempo, proporre un'alternativa più facilmente posizion- abile rispetto a quelle attuali. Innanzitutto, dopo aver scelto un caso studio, è stato sviluppato un modello numerico che permettesse di individ- uare i modi radiali della struttura che più contribuiscono all'emissione di rumore in acqua. Una volta ottenuta l'informazione, sono state progettate le geometrie di metamateriali localmente risonanti adatte all'applicazione in esame. Per fare ciò, sono state selezionate delle forme geometriche di partenza che sono state ottimizzate mediante l'utilizzo di algoritmi ge- netici, in modo da promuovere geometrie con un bandgap totale il più ampio possibile alla frequenza d'interesse. Una volta ottenute le geometrie ottimali dei risonatori, è stata simulata numericamente un'e cacia della soluzione proposta pari a 15 [dB]. Per confermare ulteriormente la bontà dei risultati ottenuti, una campagna di validazione sperimentale è stata e ettuata durante lo stage in PhononicVibes, previsto dalla borsa di dot- torato PON. Dopo aver selezionato un tubo da testare su una scala ridotta, sono stati realizzati risonatori con un bandgap alle frequenze dei modi ra- diali della struttura pensata in aria. Risultati sperimentali mostrano un abbattimento in aria dell'accelerazione radiale di 20 [dB]. I test sono stati ripetuti anche in acqua, a seguito di un processo di ri-sintonizzazione dei risonatori, in quanto la dinamica del tubo e dei risonatori stessi cambia quando vengono immersi in acqua, per via di un e etto equivalente di massa aggiunta. I test in acqua hanno rinforzato ulteriormente l'e cacia della metodologia proposta, riducendo la pressione dell'onda propagante di 16 [dB].