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用于寬帶吸聲的3D打印模塊化超材料

供稿人:張童童、李滌塵 供稿單位:西安交通大學精密微納制造技術(shù)全國重點實驗室  發(fā)布日期:2025-05-20

噪聲污染已經(jīng)成為影響人類和其他生物體的普遍和有害的問題,然而,以前的超材料或超表面大多是基于目標頻率范圍設計的固定結(jié)構(gòu),并且一旦制成就不能重新配置,從而限制了它們的通用性并與在各種場景中的應用。因此,需要開發(fā)一種聲學超材料,其在吸聲和空氣通風系統(tǒng)中均表現(xiàn)出優(yōu)異的寬帶吸聲,以滿足各種環(huán)境中的各種降噪要求。

中國科學院大學的Mei Zhongjian 提出一種可重構(gòu)的聲學超材料,它由多個吸收模塊堆疊而成,可以在封閉空間和通風系統(tǒng)中實現(xiàn)有效的寬帶吸聲。每個模塊呈現(xiàn)出較寬的工作頻帶,并且可以通過修改模塊的幾何參數(shù)來調(diào)整吸收頻率范圍。此外,通過重新配置吸收模塊,可以容易地定制聲學超材料以實現(xiàn)期望的吸收光譜。為了說明設計概念,提出了一種由五層吸收模塊組成的超材料,在450-2000 Hz范圍內(nèi)的平均吸收系數(shù)為0.92。在階梯井底部保持開放的另一種情況下,超材料可用作通風屏障,允許氣流循環(huán)并抑制650-2400 Hz范圍內(nèi)高達90%的聲能。

圖1 吸聲結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程及不同方案對應的吸聲系數(shù)曲線。(a)具有固定工作頻帶的串聯(lián)耦合超材料吸收器,(B)具有多個工作頻帶的串聯(lián)-并聯(lián)耦合超材料吸收器和(c)具有可擴展工作頻帶的可重構(gòu)模塊化超材料吸收器

通過如圖1(c)所示周期性地布置單個超材料來構(gòu)建更大的結(jié)構(gòu)。在吸聲結(jié)構(gòu)的中間是一個倒置的階梯狀井,每一個臺階對應一層聲學模塊,模塊堆疊在一起。當階梯井的底部是封閉端時,超材料可用作吸收器。對于在底部具有開口端的階梯式井,超材料也可以用作通風消聲器。隨著堆疊模塊的數(shù)量增加,較低模塊的吸聲性能不斷提高。模塊越多,超材料中間的階梯井越深,下部模塊的聲電容增加越多,導致下部模塊的吸收性能逐漸提高。

圖2 (a)所設計的由五層模塊組成的寬帶超材料的示意圖。(b)模塊化超材料吸聲曲線的理論計算與數(shù)值模擬

設計了由20個失諧HRET單元組成的五層模塊化超材料,每層具有相同的厚度,通過理論計算和有限元模擬預測了模塊化超材料的吸收系數(shù)??梢杂^察到,理論和模擬結(jié)果顯示出良好的一致性,在450 Hz-2000 Hz的范圍內(nèi)獲得的寬帶吸收光譜,表現(xiàn)出約0.92的平均吸收系數(shù)。

圖3(a) 寬帶模塊化超材料的實驗驗證。(a)3D打印原型照片和實驗裝置示意圖。(b)實驗測量和理論計算的超材料的聲吸收譜。(c)實驗測量和理論計算的歸一化電阻和電抗的超材料

使用光固化技術(shù)制備樣件后在阻抗管中進行吸聲系數(shù)測試,在圖3(c)中描繪了歸一化為空氣的特性阻抗的表面阻抗。歸一化電阻和電抗曲線分別在[1,2]和[-1,0]范圍內(nèi)波動。這種良好匹配的聲阻抗確保了在450 Hz和2000 Hz之間的持續(xù)高效吸收。本研究提出了一個模塊化的概念框架,用于設計寬帶聲學超材料,提高其可復用性,可維護性,可擴展性和可開發(fā)性。

參考文獻:

  1. Z. Mei, T. Shi, Y. Lyu, X. Li, X. Cheng, and J. Yang, “Reconfigurable modular acoustic metamaterial for broadband sound absorption,” Mechanical Systems and Signal Processing, vol. 226, p. 112348, Mar. 2025.
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