華科史玉升教授團隊：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

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。南極熊獲悉，華中科技大學史玉升教授團隊開發(fā)出了一種具有自適應低頻吸聲性能的3D打印超薄超材料，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

論文亮點
a) 所設(shè)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。

試驗方法
a）3D打印成形：采用聚乳酸（PLA）通過熔融沉積技術(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。

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%。

結(jié)論
本研究通過結(jié)構(gòu)設(shè)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(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%。

前景與應用
所提出的自適應吸聲性能的超材料在智能設(shè)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(lǐng)域具有廣泛的應用前景。

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