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，需要相當的厚度才能獲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，可以根據外界噪聲環(huán)境調節(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構示意圖, (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外界噪聲環(huán)境動態(tài)調節(jié)吸收頻率。

c) 通過陣列多個吸聲超材料單胞陣列實現了寬頻吸聲。

試驗方法
a）3D打印成形：采用聚乳酸（PLA）通過熔融沉積技術（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構。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處出現了兩個吸收峰。在給定的參數下，自適應吸聲超材料的深度可從從10 mm調整到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%。

結論
本研究通過結構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。在給定的參數下，超材料的深度可以從10 mm調整到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，在有限的空間內實現更寬的吸收帶寬。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的聲波，在聲學工程領域具有廣泛的應用前景。

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