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3D设计打印的石膏基多孔超材料有着更显著的吸声

作者:EBET时间:2020-11-25 07:43

  多孔材料通常用于噪音控制。科研人员在不同多孔材料的吸声特性方面已经进行了许多研究。根据孔的互连性,多孔材料通常可分为开孔结构和闭孔结构。对多孔材料声学应用的现有文献表明,开孔结构具有更好的吸声性能。

  多孔材料也可以分类为天然多孔结构,例如海绵、毛毡等,以及通过不同制造方法生产的晶格结构,比如人工或超材料多孔结构。现有的文献还表明,许多关于多孔材料的声学应用研究都是基于这些传统的多孔结构。然而,近年来,随着诸如3D打印技术的发展,超材料替代吸声结构的研究成为新的发展趋势。

  众所周知,影响多孔材料吸声性能的最重要参数是流动阻力、曲折度和孔隙率。流动阻力是材料中气流的阻力,它通过粘性作用吸收声能;曲折度反映了声波传播到多孔材料的路径的复杂性,声波在多孔材料中弯曲的传播路径越多,吸声率越高;孔隙率(=Vg/Vt)定义为材料中多孔部分的体积(Vg)与总体积(Vt)的比率,高孔隙率使声波能够渗透到材料中。

  好的多孔吸声材料必须具有内部结构,以使声波能够穿入,传播以达到吸收声能的效果。换句话说,孔隙率、流动阻力和曲折度高是好的吸声材料的特性。在这项研究中,我们使用3D打印技术设计了具有不同开孔结构的石膏基多孔超材料,并根据孔结构和孔隙率比较了它们的吸声性能。

  研究结果表明,与无孔隙参考样品相比,3D设计打印的石膏基多孔超材料有更显著的吸声效果。研究还发现,有孔隙错综交叉的晶格结构的超材料比由独立的圆柱孔隙组成的开孔结构具有更好的吸声性能。对比三个孔隙错综交叉的开孔结构,具有八角形桁架晶格结构的超材料显示出更高的吸声性能。

  数值计算的流动分析都支持了这一发现,在该流动分析中发现八角形桁架晶格结构具有较高的流动阻力和曲折度。另一方面,实验和数值计算结果表明,骨骼、陀螺和八角形桁架晶格结构的吸声行为随着孔隙率的增加而变差。

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