研究 | 增材制造吸声超材料综述

科技   2024-12-12 18:31   江苏  




噪声污染已成为全球性的环境问题,对人类健康和野生动物构成威胁。传统的声学修复方法昂贵,而吸声材料作为替代方案,其研究重点逐渐转向超材料。超材料具有独特拓扑结构,能实现常规材料无法达到的功能,其中声学超材料(AC-Meta)在声学领域展现出巨大潜力。增材制造(AM)技术的出现,为制造复杂结构的声学超材料提供了新途径。


声学超材料在声学现象中表现出独特性能,其应用包括声学斗篷、声学成像、声波导和声学控制等,主要通过声学传输损耗和吸声系数来评估其声学效果。本文主要关注通过增材制造的吸声超材料(ACA-Meta),因其在多个领域具有潜在应用价值,且相比其他声学材料具有一定优势。


吸声超材料的分类

1.穿孔型 ACA-Meta

结构特点为带有穿孔,通过粘性摩擦吸声,在中高频有较好吸声能力,低频吸声有限。其穿孔直径和面板厚度通常较小,如微穿孔板(MPP)。不同穿孔参数影响吸声性能,如穿孔比影响共振频率,穿孔体积影响吸声效果,密度变化也会对吸声系数产生影响。此外,几何因素如孔隙率、孔直径、样品高度和穿孔角度等也对声学性能有重要作用。

2.开槽型 ACA-Meta

具有类似穿孔型的功能,以槽代替圆形穿孔。在低频吸声方面表现良好,其声学性能受槽的长度、宽度、数量和间距等因素影响。如多腔螺旋槽结构在低频有良好吸声效果,其共振频率和吸声系数受槽数量影响;阻抗匹配层的引入可提高宽带吸声性能。


3.多孔型 ACA-Meta

包括蜂窝结构、支柱结构、壳 / 板结构和骨架 / 韧带结构等。
  • 蜂窝结构的吸声受样本高度、密度、填充模式和拓扑结构等因素影响,不同拓扑结构的蜂窝在不同频率范围表现出不同的吸声性能,且材料密度和填充方式的调整可优化吸声系数。

  • 支柱结构研究主要集中在表面粗糙度对声学性能的影响,以及连续渐变结构对吸声能力的提升。

  • 壳 / 板结构中,不同的单胞几何形状(如球体、施瓦茨 D 形、菱形和螺旋形等)表现出不同的吸声特性,且几何参数(如高度、单元尺寸和体积百分比等)对吸声性能有显著影响。

  • 骨架 / 韧带结构主要研究了增材制造技术对其声学性能的影响,以及非周期性的 Spinodoid 结构的声学特性。


4.混合型 ACA-Meta

结合了多种结构的特点,如希尔伯特分形与螺旋结构的融合、空心桁架 - 板混合结构、穿孔与蜂窝结构的组合等。这些组合结构在低频吸声和宽带吸声方面表现出色,为声学材料的设计提供了更多可能性。


ACA-Meta的增材制造技术

1.光固化成型

(Vat Photopolymerization)

如立体光刻(SLA)和数字光处理(DLP),通过光固化树脂层层构建物体。优点是精度高、表面光洁度好,适用于制造复杂形状的声学超材料,如用于研究微尺度结构声学性能的样本。但存在材料限制,如光聚合物树脂成本较高,且构建过程相对较慢。



2.粉末床融合(Powder Bed Fusion)

包括选择性激光烧结(SLS)、选择性激光熔化(SLM)和直接金属激光烧结(DMLS)等技术。通过激光将粉末材料逐层熔化或烧结来制造零件,能使用多种材料,适用于制造航空航天等领域的高性能声学部件。然而,该技术速度较慢、能耗高,且在粉末融合过程中可能产生较多孔隙,影响材料性能。


3.材料喷射(Material Jetting)

如 PolyJet(PJ)和多喷头打印(MJP),利用液体光聚合物制造功能部件,具有高精度和低浪费的优点,可实现多材料混合打印,适用于制造高精度的声学组件,如生物医学和航空领域的部件。但材料选择有限,且设备成本较高。


4.粘结剂喷射(Binder Jetting)

通过逐层喷射粘结剂将粉末颗粒粘结在一起,具有经济、高速的特点,可处理不同材料,无需额外支撑结构,适用于大规模制造。但对机械性能有一定影响,需要在设计时加以考虑。



5.直接能量沉积(Direct Energy Deposition)

如激光工程化净成形(LENS)、直接金属沉积(DMD)等,利用高能量密度热源熔化材料并逐层堆积。能制造高质量的打印件,适用于修复和制造大型金属部件,但材料选择有限,且设备成本较高。


6.材料挤出(Material Extrusion)

如熔融沉积建模(FDM)和直接墨水书写(DIW),通过挤出材料逐层构建物体。经济实惠且材料选择多样,但精度相对较低,常用于制造结构相对简单的声学部件或原型。


吸声原理与测量技术

1.吸声原理

吸声主要通过热耗散、材料或结构的物理振动以及粘性边界层的摩擦耗散三种机制实现。吸声系数用于衡量材料吸收声能的能力,其范围在 0 到 1 之间,吸声系数为1表示完全吸收,而系数为0表示无吸收。可通过反射系数和特定声阻抗计算得出。


2.测量技术
  • 数值模拟方法:有限元分析(FEA)用于估算 ACA-Meta 结构的 SAC,模拟声学现象时考虑粘性边界损失和热损失,常用软件如 COMSOL Multiphysics。
  • 解析模型方法:针对穿孔、开槽和多孔材料有不同的解析模型,如 Maa 模型用于预测穿孔板的吸声性能,Delany-Bazley 模型用于均质各向同性材料,Johnson-Champoux-Allard 模型则考虑了更多材料参数。
  • 实验测量方法
  • 驻波管法:通过测量管内驻波的声压和粒子速度来计算样品的吸声,适用于测量小块材料,包括单麦克风法和双麦克风法,测试设备包括噪声源、麦克风、阻抗管等,其测量频率范围受阻抗管长度和直径限制。
  • 混响室法:在特制房间内,通过测量不同方向声波碰撞材料表面后的混响时间变化来计算吸声,适用于测量较大尺寸材料,需满足房间表面反射条件和容量要求,相关标准有 ASTM C423 和 ISO 354。


实验研究

研究人员对不同类型的增材制造吸声超材料(ACA-Meta)进行了多方面的研究,以探究其声学吸收性能受各种因素的影响,为优化材料设计和应用提供依据。

1.穿孔型 ACA-Meta 研究

  • 穿孔比与穿孔体积影响

改变穿孔比影响共振频率和吸声系数,增加穿孔比提高峰值吸声系数的共振频率。穿孔体积(厚度和直径)增加会降低早期吸声峰值,因其对声波与材料相互作用方式影响大。


  • 密度影响

3D 打印填充密度影响质量和共振特性,降低填充密度可在保持最大吸声系数同时降低质量且不改变共振频率范围。

  • 几何因素影响
孔直径对吸声影响不明显,样品高度影响显著,较高样品在中低频吸收更好。穿孔角度改变影响吸声,合理调整并结合空气间隙可提高低频吸声性能。
  • 材料特性与结构设计影响
可生物降解材料(如聚乳酸)不同横截面穿孔形状影响吸声,收敛 - 发散型更优。金属材料(如钛合金)特定穿孔设计可提高吸声性能,材料组成和结构设计是关键因素。
  • 多层结构与背衬材料影响

多层穿孔 ACA-Meta 结构可增强吸声性能,如特定结构在低频范围吸声效果好,增加层数能保持高吸声系数并拓宽频率带宽,空气间隙和穿孔比影响共振频率和吸声带宽。


2.开槽型 ACA-Meta 研究

  • 低频吸声性能与结构参数关系
多腔螺旋槽结构在低频吸声性能受结构长度、槽宽度和槽数量影响,槽数量增加可提升低频吸声效果。
  • 阻抗匹配层影响

传统螺旋槽超结构因反射大吸声频谱不佳,引入阻抗匹配层(改变槽间距)可提升宽带吸声性能。
  • 谐振器设计影响

六边形凹槽内谐振器在特定频率范围引入吸声峰值,不同频率范围峰值对谐振器长度波动敏感度不同。可配置穿孔率的六边形声学超材料单元通过调整穿孔率在不同目标频率范围实现高吸声系数,具有多种优点适用于实际降噪。
  • 其他结构设计影响

微螺旋超材料吸声系数依赖槽深度和螺旋前庭几何尺寸。分形声学超材料(如希尔伯特分形和螺旋几何)可控制宽频率范围吸声,最大吸声值与粒子空气速度场相关。基于特定谐振器配置的吸收器具有多种优点,单共振亥姆霍兹谐振器引入有损多孔介质可实现宽带完美吸声。


3.多孔型 ACA-Meta 研究

  • 蜂窝结构相关研究
样本高度和密度影响蜂窝结构吸声,薄吸收器有背部空气间隙时在中频段吸声类似亥姆霍兹谐振器,厚吸收器可通过降低填充密度调节但要避免降低低 - 中频吸收。拓扑结构影响吸声性能,不同拓扑结构的蜂窝吸收器密度和吸声峰值频率不同,特定拓扑配置在实现最大吸声系数方面表现不同,且改变单元尺寸和拓扑结构可控制吸声频率和幅度,制造缺陷会影响声学预测。
  • 支柱结构相关研究

表面粗糙度影响支柱型结构吸声性能,不同 3D 打印技术制造的结构因表面粗糙度不同吸声峰值有变化。连续渐变支柱型结构比均匀结构吸声性能更好。

  • 壳 / 板结构相关研究
聚合物分层壳基结构不同单胞几何形状吸声性能不同,球体在约 2400Hz 吸声最佳,菱形在高频吸声系数可达 0.55,施瓦茨 D 形和螺旋形在约 1650Hz 吸声系数为 0.56 - 0.61,但低频吸声不足。基于三重周期最小表面的聚合物蜂窝结构,钻石表面在中高频宽带宽上吸声能力最佳,单元尺寸和样本高度影响吸声性能,螺旋形结构的共振频率不受表面厚度影响但吸声系数随壳厚度增加而增加,分级孔隙率可提高吸声能力。
  • 骨架 / 韧带结构相关研究

不同增材制造技术复制骨架基吸声样本时测量结果存在差异,归因于制造过程中的缺陷和整体制造质量等因素。非周期性骨架结构(Spinodoid 结构)声学特性由相对密度和波数决定,不同类型在低频吸声行为上有差异。


4.混合型 ACA-Meta 研究

混合型 ACA-Meta 融合多种结构展现独特声学性能,如希尔伯特分形与螺旋结构融合、空心桁架 - 板混合结构等在低频吸声和宽带吸声方面表现出色。三明治结构、具有可调节螺旋槽的超材料等在不同频率范围吸声优异,新型设计(如穿孔蜂窝 - 波纹混合结构等)为声学材料科学开辟新方向,分层超材料等在宽频率范围实现噪声衰减,展示出在多领域的潜在应用前景。



总结与展望

1.设计视角

不同类型的 ACA-Meta 在声学性能上各有特点,穿孔型适用于中高频,开槽型在低 - 中频表现良好,多孔型经优化可覆盖全频段,混合型在低频和宽带吸声方面具有优势。未来可通过优化周期性多孔结构的参数(如密度、单元尺寸和拓扑结构)以及探索更多结构组合来提升声学性能,同时加强对非周期性多孔结构声学特性的研究。


2.增材制造视角

当前增材制造技术在制造声学超材料方面存在材料和工艺的局限性,如部分材料研究较少,部分工艺存在缺陷或尚未用于声学超材料制造。未来有望通过微 / 纳米 3D 打印、体积增材制造、4D 打印和混合 3D 打印等技术的发展,提高制造精度、速度和材料性能,实现复杂结构声学超材料的大规模制造,满足各行业对高性能声学材料的需求。



结论

声学超材料的研究和应用正在迅速发展,3D打印技术的进步为制造这些高性能声学材料提供了新的机会。随着材料科学、制造技术和声学设计的进步,声学超材料有望在未来的噪声控制和声学设计中发挥更加重要的作用。



更多信息:Vignesh Sekar, Wesley J. Cantwell, Kin Liao, et al. Additively manufactured metamaterials for acoustic absorption: a review[J]. Virtual and Physical Prototyping, 2024, 19(1): e2435562.

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