華中科技大學史玉升教授團隊：具有自適應低頻吸聲性能的3D打印超薄超材料

來源：機械工程學報

引用論文

Junxiang Fan, Lei Zhang, Xiaobo Wang, Zhi Zhang, Shuaishuai Wei, Bo Song, Aiguo Zhao, Xiao Xiang, Xuefeng Zhu, Yusheng Shi. 3D Printed Ultra-thin Acoustic Metamaterials with Adaptable Low-frequency Absorption Performance. Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers, 2022, 1(3).

https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2022.100036.

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研究背景及目的

傳統(tǒng)的吸聲材料,，如多孔材料等，需要相當?shù)暮穸炔拍塬@得良好的低頻噪聲吸收效果,，難以實際應用。聲學超材料可以在遠小于工作波長的尺寸下實現(xiàn)低頻噪聲的完美吸收，但卻存在著吸聲頻寬窄的問題,。本研究設計了一種具有自適應吸聲性能的超薄吸聲超材料，可以根據(jù)外界噪聲環(huán)境調(diào)節(jié)厚度而獲得相應的吸聲性能,，進而解決吸聲頻寬窄的問題,。

圖1 (a)雙耦合聲通道吸聲超材料的結(jié)構(gòu)示意圖, (b)卷曲空間的俯視圖, (c)-(d) 吸聲超材料的初始狀態(tài)圖和深度改變后的圖

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論文亮點

a) 所設計的吸聲超材料的厚度僅為工作波長的1/50。

b) 制備的吸聲超材料可以根據(jù)外界噪聲環(huán)境動態(tài)調(diào)節(jié)吸收頻率,。

c) 通過陣列多個吸聲超材料單胞陣列實現(xiàn)了寬頻吸聲,。

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試驗方法

a）3D打印成形：采用聚乳酸（PLA）通過熔融沉積技術（FDM）成形了吸聲超材料樣品。

b）有限元分析：利用多物理場有限元分析軟件COMSOL Multiphysics分析了吸聲超材料的吸聲性能,、聲壓場,、粒子速度場和聲阻抗。選用的多物理場為壓力聲學-熱粘性聲學多物理場,。

c）吸聲測試：利用聲阻抗管測試了吸聲超材料的吸聲性能,。

d）顯微組織：利用光學顯微鏡觀察了3D打印吸聲超材料樣品的微觀結(jié)構(gòu)。主要觀察了孔和隔板附近的區(qū)域,，它們的制造精度和對AAM的吸收性能有顯著影響,。

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結(jié)果

通過將兩個聲通道耦合在一個單胞中，在181 Hz和306 Hz處出現(xiàn)了兩個吸收峰,。在給定的參數(shù)下,，自適應吸聲超材料的深度可從從10 mm調(diào)整到20 mm，且隨著深度的增加,，吸聲頻率逐漸降低,，對應的兩個吸收峰的吸收頻率分別從206 Hz下降到179 Hz和從379 Hz下降到298 Hz，變化幅度分別達到27 Hz和81 Hz,。此外,，通過將4個不同吸聲性能的超材料單元組合在一起，兩個吸聲頻帶的吸聲頻寬分別提高了288%和470%,。

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結(jié)論

本研究通過結(jié)構(gòu)設計提出了一種具有自適應吸聲性能的超薄吸聲超材料,，并利用3D打印技術成形出了超材料樣品。在給定的參數(shù)下,，超材料的深度可以從10 mm調(diào)整到20 mm,，對應的兩個峰值吸收頻率分別從206 Hz下降到179 Hz和379 Hz下降到298 Hz，變化分別達到27 Hz和81 Hz,。此外,，兩個通道耦合在一個單元中，在有限的空間內(nèi)實現(xiàn)更寬的吸收帶寬,。將4個不同吸聲性能的單元排列在一起,，兩個吸聲頻帶的吸聲頻寬分別提高了288%和470%,。

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前景與應用

所提出的自適應吸聲性能的超材料在智能設備中具有較大的應用潛力，通過與頻率噪聲頻率檢測器相結(jié)合,，所提出的吸聲超材料能夠有選擇性地,、智能地濾除一定頻段內(nèi)的聲波，在聲學工程領域具有廣泛的應用前景,。

團隊帶頭人介紹

史玉升,，華中科技大學華中學者領軍崗特聘教授，兼任全國增材制造標準化技術委員會專用材料工作組副主任委員,、中國航天科技集團有限公司增材制造工藝技術中心專家委員會主任,、數(shù)字化材料加工技術與裝備國家地方聯(lián)合工程實驗室（湖北）主任，中國機械工程學會增材制造分會和特種加工分會副主任委員,、湖北省3D打印聯(lián)盟理事長等職務,。獲國家科技進步二等獎2項、國家技術發(fā)明二等獎1項,、中國十大科技進展1項,、中國智能制造十大科技進展1項、省部一等獎10項,、省部二等獎8項,、發(fā)明創(chuàng)業(yè)獎特等獎暨當代發(fā)明家、十佳全國優(yōu)秀科技工作者提名獎,、國務院政府特殊津貼、武漢市科技重大貢獻獎個人獎,、湖北省五一勞動獎章等稱號,。領導的團隊入選湖北省和教育部創(chuàng)新團隊。

作者介紹

宋波（本文通訊作者）,，2019年獲基金委優(yōu)青,，2022年機械工業(yè)科技創(chuàng)新領軍人才，美國斯坦福大學2021全球前2％頂尖科學家榜單,。華中科技大學科學與發(fā)展院院長助理,，教育部聯(lián)合基金創(chuàng)新團隊項目負責人，軍委科技委國防創(chuàng)新特區(qū)“4D打印技術”主題專家,。擔任12個期刊的編委與客座主編,。在Materials Today、Acta Materialia,、等期刊發(fā)表SCI論文100余篇,，SCI他引6000+次，封面論文2篇,、ESI高被引論文5篇,、熱點論文1篇,，2021年機械工程學報優(yōu)秀論文，機械工程學報2020高影響力論文（10篇之一）,，電加工技術與模具40年百篇論文,。參與制定3項增材制造相關國家標準，授權發(fā)明專利30余項,，主編學術專著4部（ELSEVIER英文專著2部）,。20余次擔任國內(nèi)外學術會議共同主席或邀請報告。主辦“第一屆全國4D打印論壇”系列會議（2017至今已經(jīng)舉辦6屆）,。相關成果獲湖北省技術發(fā)明一等獎（排5）,、2022年度機械工業(yè)科學技術二等獎（排1），2022年中國有色金屬十大進展1項（排1）,，2021年度生產(chǎn)力促進（創(chuàng)新發(fā)展）二等獎（排1）,。增材制造超材料相關理論成果被國家基金委網(wǎng)站報道，金屬增材制造粉末設計制備及產(chǎn)業(yè)化獲批武漢經(jīng)開區(qū)未來創(chuàng)新研究院首批中試項目,。