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(shè)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(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。

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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(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。

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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(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%。

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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(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。

團隊帶頭人介紹

史玉升，華中科技大學華中學者領(lǐng)軍崗特聘教授，兼任全國增材制造標準化技術(shù)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(shù)中心專家委員會主任、數(shù)字化材料加工技術(shù)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(wù)。獲國家科技進步二等獎2項、國家技術(shù)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(wù)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?wù)碌确Q號。領(lǐng)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(lǐng)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(shù)”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(shù)與模具40年百篇論文。參與制定3項增材制造相關(guān)國家標準，授權(quán)發(fā)明專利30余項，主編學術(shù)專著4部（ELSEVIER英文專著2部）。20余次擔任國內(nèi)外學術(shù)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(guān)成果獲湖北省技術(shù)發(fā)明一等獎（排5）、2022年度機械工業(yè)科學技術(shù)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(guān)理論成果被國家基金委網(wǎng)站報道，金屬增材制造粉末設(shè)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。