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。
华中科技大学史玉升教授团队，在研究中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。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2022.100036
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。
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。
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。
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%。
结论
这项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%。
前景与应用
这项研究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。
l 论文信息
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).
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