華中科技大學(xué)史玉升教授團(tuán)隊(duì)：具有自適應(yīng)低頻吸聲性能的3D打印超薄超材料

來(lái)源：機(jī)械工程學(xué)報(bào)

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(dāng)?shù)暮穸炔拍塬@得良好的低頻噪聲吸收效果，難以實(shí)際應(yīng)用,。聲學(xué)超材料可以在遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)的尺寸下實(shí)現(xiàn)低頻噪聲的完美吸收,，但卻存在著吸聲頻寬窄的問(wèn)題。本研究設(shè)計(jì)了一種具有自適應(yīng)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(yīng)的吸聲性能,，進(jìn)而解決吸聲頻寬窄的問(wèn)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(diǎn)

a) 所設(shè)計(jì)的吸聲超材料的厚度僅為工作波長(zhǎng)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(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)吸收頻率,。

c) 通過(guò)陣列多個(gè)吸聲超材料單胞陣列實(shí)現(xiàn)了寬頻吸聲。

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試驗(yàn)方法

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

b）有限元分析：利用多物理場(chǎng)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(chǎng)、粒子速度場(chǎng)和聲阻抗,。選用的多物理場(chǎng)為壓力聲學(xué)-熱粘性聲學(xué)多物理場(chǎng),。

c）吸聲測(cè)試：利用聲阻抗管測(cè)試了吸聲超材料的吸聲性能。

d）顯微組織：利用光學(xué)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(duì)AAM的吸收性能有顯著影響。

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結(jié)果

通過(guò)將兩個(gè)聲通道耦合在一個(gè)單胞中,，在181 Hz和306 Hz處出現(xiàn)了兩個(gè)吸收峰,。在給定的參數(shù)下，自適應(yīng)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(duì)應(yīng)的兩個(gè)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(dá)到27 Hz和81 Hz。此外,，通過(guò)將4個(gè)不同吸聲性能的超材料單元組合在一起,，兩個(gè)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(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了一種具有自適應(yīng)吸聲性能的超薄吸聲超材料,，并利用3D打印技術(shù)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(duì)應(yīng)的兩個(gè)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(dá)到27 Hz和81 Hz,。此外，兩個(gè)通道耦合在一個(gè)單元中,，在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更寬的吸收帶寬,。將4個(gè)不同吸聲性能的單元排列在一起，兩個(gè)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(yīng)用

所提出的自適應(yīng)吸聲性能的超材料在智能設(shè)備中具有較大的應(yīng)用潛力,，通過(guò)與頻率噪聲頻率檢測(cè)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(xué)工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

團(tuán)隊(duì)帶頭人介紹

史玉升,，華中科技大學(xué)華中學(xué)者領(lǐng)軍崗特聘教授,，兼任全國(guó)增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)專用材料工作組副主任委員、中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司增材制造工藝技術(shù)中心專家委員會(huì)主任,、數(shù)字化材料加工技術(shù)與裝備國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室（湖北）主任,，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造分會(huì)和特種加工分會(huì)副主任委員、湖北省3D打印聯(lián)盟理事長(zhǎng)等職務(wù),。獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng),、國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、中國(guó)十大科技進(jìn)展1項(xiàng),、中國(guó)智能制造十大科技進(jìn)展1項(xiàng),、省部一等獎(jiǎng)10項(xiàng)、省部二等獎(jiǎng)8項(xiàng),、發(fā)明創(chuàng)業(yè)獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)暨當(dāng)代發(fā)明家,、十佳全國(guó)優(yōu)秀科技工作者提名獎(jiǎng)、國(guó)務(wù)院政府特殊津貼,、武漢市科技重大貢獻(xiàn)獎(jiǎng)個(gè)人獎(jiǎng),、湖北省五一勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)碌确Q號(hào)。領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)入選湖北省和教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì),。

作者介紹

宋波（本文通訊作者）,，2019年獲基金委優(yōu)青，2022年機(jī)械工業(yè)科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才,，美國(guó)斯坦福大學(xué)2021全球前2％頂尖科學(xué)家榜單,。華中科技大學(xué)科學(xué)與發(fā)展院院長(zhǎng)助理，教育部聯(lián)合基金創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人,，軍委科技委國(guó)防創(chuàng)新特區(qū)“4D打印技術(shù)”主題專家,。擔(dān)任12個(gè)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(diǎn)論文1篇，2021年機(jī)械工程學(xué)報(bào)優(yōu)秀論文,，機(jī)械工程學(xué)報(bào)2020高影響力論文（10篇之一）,，電加工技術(shù)與模具40年百篇論文。參與制定3項(xiàng)增材制造相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),，授權(quán)發(fā)明專利30余項(xiàng),，主編學(xué)術(shù)專著4部（ELSEVIER英文專著2部）。20余次擔(dān)任國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議共同主席或邀請(qǐng)報(bào)告,。主辦“第一屆全國(guó)4D打印論壇”系列會(huì)議（2017至今已經(jīng)舉辦6屆）,。相關(guān)成果獲湖北省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)（排5）、2022年度機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)（排1）,，2022年中國(guó)有色金屬十大進(jìn)展1項(xiàng)（排1）,，2021年度生產(chǎn)力促進(jìn)（創(chuàng)新發(fā)展）二等獎(jiǎng)（排1）。增材制造超材料相關(guān)理論成果被國(guó)家基金委網(wǎng)站報(bào)道,，金屬增材制造粉末設(shè)計(jì)制備及產(chǎn)業(yè)化獲批武漢經(jīng)開區(qū)未來(lái)創(chuàng)新研究院首批中試項(xiàng)目,。