VPP 3d打印大变形、低频振动控制下吸声不变的多功能手性超材料

文摘   2024-12-22 12:28   安徽  

声学超材料为降低低频噪声和振动提供了独特的途径;然而,大多数的特点是其单一的功能,例如吸声或抑制振动。我们提出了一种3d打印的多功能手性超材料(MCM),其双螺旋结构的灵感来自耳蜗和DNA,具有优异的声学,机械,隔振和减缓性能。通过阻抗匹配,在+25% ~ - 25%的应变范围内,可以获得近乎完美的吸声,并且在低频范围内始终保持吸声,这一点得到了标准阻抗管测试的证实。双螺旋结构提供了多种机械性能,包括可压缩性、可拉伸性和可恢复性。通过隔振与减振试验和仿真,验证了该带隙策略在94 Hz范围内具有良好的隔振性能,在199 ~ 254 Hz范围内具有较强的弹性波衰减性能。这种3D打印结构为多路径噪声控制提供了一种有前途的解决方案,为生物学启发的多功能材料树立了典范。


综上所述,我们从耳蜗和DNA的结构中获得灵感,提出了一种新型多功能手性声学超材料的设计范式,该材料具有有效的吸声、力学性能、出色的隔振和减振。这种超材料具有灵活的可设计性,并已成功地利用3D打印技术制造出来。实验表明,所设计的MCM具有近乎完美的低频吸声性能,并且在结构变形+25% ~−25%的情况下仍能保持不变的宽带吸声性能。阻抗匹配设计和多腔结构的组合使其具有优异的声学性能。MCM具有可拉伸性、可压缩性、势能吸收应用和可恢复性。通过20次循环压缩试验,尼龙塑料材料3D打印MCM在最大压缩应变为25%的情况下,强度为3.0 MPa,能量损失系数为30.1%。这要归功于螺旋结构的优势和基础材料的粘弹性。

最后,通过实验和仿真验证了MCM具有良好的振动控制能力。振动台试验表明,在94hz以上的频率范围内,MCM能达到良好的隔振效果。MCM的色散曲线呈现出一个定向带隙和一个完整的弯曲波带隙。减振试验验证了MCM的弹性波衰减能力,在199 ~ 254 Hz的低频范围内,带隙内振动能量的最大衰减水平达到- 115 dB。通过分析不同激励频率下MCM的振动形态,进一步阐明了弹性波的传播特性和隔振机理。总的来说,我们提出的MCM通过三种降噪策略来降低空气中的低频噪声.吸声、隔振、弹性波(结构声)传播衰减。这种新颖的设计可以在材料变形的情况下控制噪声、振动和保持稳定的吸声,增强现代声结构材料的多功能应用。此外,MCM的优越性能为低噪声工业设计开辟了一条创新的道路,如机舱降噪、水下航行器、变形飞机等。




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