华中科技大学史玉升教授团队：具有自适应低频吸声性能的3D打印超薄超材料

来源：机械工程学报

引用论文

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

传统的吸声材料，如多孔材料等，需要相当的厚度才能获得良好的低频噪声吸收效果，难以实际应用。声学超材料可以在远小于工作波长的尺寸下实现低频噪声的完美吸收，但却存在着吸声频宽窄的问题。本研究设计了一种具有自适应吸声性能的超薄吸声超材料，可以根据外界噪声环境调节厚度而获得相应的吸声性能，进而解决吸声频宽窄的问题。

图1 (a)双耦合声通道吸声超材料的结构示意图, (b)卷曲空间的俯视图, (c)-(d) 吸声超材料的初始状态图和深度改变后的图

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论文亮点

a) 所设计的吸声超材料的厚度仅为工作波长的1/50。

b) 制备的吸声超材料可以根据外界噪声环境动态调节吸收频率。

c) 通过阵列多个吸声超材料单胞阵列实现了宽频吸声。

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试验方法

a）3D打印成形：采用聚乳酸（PLA）通过熔融沉积技术（FDM）成形了吸声超材料样品。

b）有限元分析：利用多物理场有限元分析软件COMSOL Multiphysics分析了吸声超材料的吸声性能、声压场、粒子速度场和声阻抗。选用的多物理场为压力声学-热粘性声学多物理场。

c）吸声测试：利用声阻抗管测试了吸声超材料的吸声性能。

d）显微组织：利用光学显微镜观察了3D打印吸声超材料样品的微观结构。主要观察了孔和隔板附近的区域，它们的制造精度和对AAM的吸收性能有显著影响。

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结果

通过将两个声通道耦合在一个单胞中，在181 Hz和306 Hz处出现了两个吸收峰。在给定的参数下，自适应吸声超材料的深度可从从10 mm调整到20 mm，且随着深度的增加，吸声频率逐渐降低，对应的两个吸收峰的吸收频率分别从206 Hz下降到179 Hz和从379 Hz下降到298 Hz，变化幅度分别达到27 Hz和81 Hz。此外，通过将4个不同吸声性能的超材料单元组合在一起，两个吸声频带的吸声频宽分别提高了288%和470%。

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结论

本研究通过结构设计提出了一种具有自适应吸声性能的超薄吸声超材料，并利用3D打印技术成形出了超材料样品。在给定的参数下，超材料的深度可以从10 mm调整到20 mm，对应的两个峰值吸收频率分别从206 Hz下降到179 Hz和379 Hz下降到298 Hz，变化分别达到27 Hz和81 Hz。此外，两个通道耦合在一个单元中，在有限的空间内实现更宽的吸收带宽。将4个不同吸声性能的单元排列在一起，两个吸声频带的吸声频宽分别提高了288%和470%。

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前景与应用

所提出的自适应吸声性能的超材料在智能设备中具有较大的应用潜力，通过与频率噪声频率检测器相结合，所提出的吸声超材料能够有选择性地、智能地滤除一定频段内的声波，在声学工程领域具有广泛的应用前景。

团队带头人介绍

史玉升，华中科技大学华中学者领军岗特聘教授，兼任全国增材制造标准化技术委员会专用材料工作组副主任委员、中国航天科技集团有限公司增材制造工艺技术中心专家委员会主任、数字化材料加工技术与装备国家地方联合工程实验室（湖北）主任，中国机械工程学会增材制造分会和特种加工分会副主任委员、湖北省3D打印联盟理事长等职务。获国家科技进步二等奖2项、国家技术发明二等奖1项、中国十大科技进展1项、中国智能制造十大科技进展1项、省部一等奖10项、省部二等奖8项、发明创业奖特等奖暨当代发明家、十佳全国优秀科技工作者提名奖、国务院政府特殊津贴、武汉市科技重大贡献奖个人奖、湖北省五一劳动奖章等称号。领导的团队入选湖北省和教育部创新团队。

作者介绍

宋波（本文通讯作者），2019年获基金委优青，2022年机械工业科技创新领军人才，美国斯坦福大学2021全球前2％顶尖科学家榜单。华中科技大学科学与发展院院长助理，教育部联合基金创新团队项目负责人，军委科技委国防创新特区“4D打印技术”主题专家。担任12个期刊的编委与客座主编。在Materials Today、Acta Materialia、等期刊发表SCI论文100余篇，SCI他引6000+次，封面论文2篇、ESI高被引论文5篇、热点论文1篇，2021年机械工程学报优秀论文，机械工程学报2020高影响力论文（10篇之一），电加工技术与模具40年百篇论文。参与制定3项增材制造相关国家标准，授权发明专利30余项，主编学术专著4部（ELSEVIER英文专著2部）。20余次担任国内外学术会议共同主席或邀请报告。主办“第一届全国4D打印论坛”系列会议（2017至今已经举办6届）。相关成果获湖北省技术发明一等奖（排5）、2022年度机械工业科学技术二等奖（排1），2022年中国有色金属十大进展1项（排1），2021年度生产力促进（创新发展）二等奖（排1）。增材制造超材料相关理论成果被国家基金委网站报道，金属增材制造粉末设计制备及产业化获批武汉经开区未来创新研究院首批中试项目。