Yousaf, Sara (2026) Investigating the Acoustics Performance of Ai-Driven 3d-Printed Metamaterials for Sound Absorption in Building Applications. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Thesis-G202216240-Revised.pdf Restricted to Repository staff only until 6 July 2027. Download (5MB)

Arabic Abstract

تبحث هذه الدراسة تجريبياً في الأداء الصوتي للمواد الفوقية الصوتية ذات الهياكل الشبكية من نوع "Voronoi "، المصممة بمساندة الذكاء الاصطناعي والمطبوعة ثلاثياً، لامتصاص الصوت وعزله في تطبيقات البناء. باستخدام التصميم التوليدي المدعوم بالذكاء الاصطناعي والنمذجة البارامترية، نُفذت هياكل "Voronoi " العشوائية غير الدورية عبر تقنية "صهر وتجميع الخيوط" (FFF) باستخدام مواد لدائن حرارية متنوعة، حيث اختيرت مادة "Acrylonitrile Styrene Acrylate " (ASA) لإجراء تحسين بارامتري شامل. وقُدّمت التقييمات التجريبية باستخدام طريقة "Impedance Tube" (125-6300 هرتز) لتقييم تأثيرات سماكة الدعامات، وكثافة الخلايا، وشروط الحدود، والتوجيه الديناميكي للطبقات. أظهرت النتائج أن هياكل "Voronoi " المصممة هندسياً تفصل بفعالية بين الكتلة والأداء الصوتي، مع الحفاظ على كثافات منخفضة (413-752 كجم/م³). وأدى إغلاق حدود الشبكة إلى تكوين تجاويف رنانة عززت بشكل ملحوظ امتصاص الترددات المنخفضة والمتوسطة؛ حيث حقق التصميم المحسّن مغلَق الأطراف (ASA-300-C) المكون من 300 خلية، "معامل تخفيض الضوضاء" (NRC) بقيمة 0.35، وصُنّف ضمن "الفئة د" لامتصاص الصوت (αw = 0.45). علاوة على ذلك، أسفر التكديس الديناميكي للطبقات والدوراني عن امتصاص شبه مثالي (بنسبة ~98%) عند تردد 2000 هرتز. وفيما يخص العزل الصوتي، حسّنت التكوينات مغلقة الأطراف "فقدان الانتقال الصوتي" (TL) ا بشكل كبير، لتصل قيمته إلى 45 ديسيبل عند 500 هرتز، وذلك عبر حبس الطاقة الصوتية وتعزيز الانعكاسات الداخلية. وفي المحصلة، يثبت البحث أن المواد الفوقية من نوع "Voronoi " المطبوعة ثلاثياً توفر بدائل عالية القابلية للضبط، وخفيفة الوزن، وفعّالة مقارنة بالمواد المسامية التقليدية، وذلك إمكانات أكثر للتحكم المستهدف في الضوضاء في المباني.

English Abstract

This study experimentally investigates the acoustic performance of AI-assisted, 3D-printed Voronoi lattice acoustic metamaterials (AMMs) for sound absorption and transmission loss in building applications. Utilizing AI-assisted generative design and parametric modeling, non-periodic stochastic Voronoi structures were fabricated via Fused Filament Fabrication (FFF) using various thermoplastics, with Acrylonitrile Styrene Acrylate (ASA) selected for comprehensive parametric optimization. Experimental evaluations using the impedance tube method (125 – 6300 Hz) assessed the effects of strut thickness, cell density, boundary conditions, and dynamic layer orientation. Results demonstrate that engineered Voronoi geometries effectively decouple mass from acoustic performance while maintaining low bulk densities (~ 413 – 752 kg/m³). Sealing the lattice boundaries created resonant cavities that substantially enhanced low- to mid-frequency absorption; the optimized closed-end ASA-300-C design (300 cells) achieved a Noise Reduction Coefficient (NRC) of 0.35 and Sound Absorption Class D (αw = 0.45). Furthermore, dynamic layer stacking and rotational disorder yielded near-perfect absorption (~98%) at 2000 Hz. For sound insulation, closed-end configurations significantly improved Transmission Loss (TL), reaching up to 45 dB at 500 Hz by trapping acoustic energy and enhancing internal reflections. Ultimately, the research validates that 3D-printed Voronoi AMMs provide highly tunable, relatively lightweight, and efficient alternatives to conventional porous materials for targeted architectural noise control.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Architectural Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Architectural Engineering and Construction Management
Thesis Advisor:	Adel Abdou,
Thesis Committee Members:	Ismail Budaiwi, Mohammed Mohammed,
Depositing User:	SARA YOUSAF
Date Deposited:	08 Jul 2026 06:11
Last Modified:	08 Jul 2026 06:11
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144642