3D設(shè)計(jì)打印的石膏基多孔超材料有著更顯著的吸聲效果

多孔材料通常用于噪音控制。科研人員在不同多孔材料的吸聲特性方面已經(jīng)進(jìn)行了許多研究。根據(jù)孔的互連性，多孔材料通常可分為開孔結(jié)構(gòu)和閉孔結(jié)構(gòu)。對多孔材料聲學(xué)應(yīng)用的現(xiàn)有文獻(xiàn)表明，開孔結(jié)構(gòu)具有更好的吸聲性能。

多孔材料也可以分類為天然多孔結(jié)構(gòu)，例如海綿、毛氈等，以及通過不同制造方法生產(chǎn)的晶格結(jié)構(gòu)，比如人工或超材料多孔結(jié)構(gòu)。現(xiàn)有的文獻(xiàn)還表明，許多關(guān)于多孔材料的聲學(xué)應(yīng)用研究都是基于這些傳統(tǒng)的多孔結(jié)構(gòu)。然而，近年來，隨著諸如3D打印技術(shù)的發(fā)展，超材料替代吸聲結(jié)構(gòu)的研究成為新的發(fā)展趨勢。

眾所周知，影響多孔材料吸聲性能的最重要參數(shù)是流動阻力、曲折度和孔隙率。流動阻力是材料中氣流的阻力，它通過粘性作用吸收聲能；曲折度反映了聲波傳播到多孔材料的路徑的復(fù)雜性，聲波在多孔材料中彎曲的傳播路徑越多，吸聲率越高；孔隙率（＝Vg/Vt）定義為材料中多孔部分的體積（Vg）與總體積（Vt）的比率，高孔隙率使聲波能夠滲透到材料中。

好的多孔吸聲材料必須具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以使聲波能夠穿入，傳播以達(dá)到吸收聲能的效果。換句話說，孔隙率、流動阻力和曲折度高是好的吸聲材料的特性。在這項(xiàng)研究中，我們使用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)了具有不同開孔結(jié)構(gòu)的石膏基多孔超材料，并根據(jù)孔結(jié)構(gòu)和孔隙率比較了它們的吸聲性能。

研究結(jié)果表明，與無孔隙參考樣品相比，3D設(shè)計(jì)打印的石膏基多孔超材料有更顯著的吸聲效果。研究還發(fā)現(xiàn)，有孔隙錯綜交叉的晶格結(jié)構(gòu)的超材料比由獨(dú)立的圓柱孔隙組成的開孔結(jié)構(gòu)具有更好的吸聲性能。對比三個孔隙錯綜交叉的開孔結(jié)構(gòu)，具有八角形桁架晶格結(jié)構(gòu)的超材料顯示出更高的吸聲性能。

數(shù)值計(jì)算的流動分析都支持了這一發(fā)現(xiàn)，在該流動分析中發(fā)現(xiàn)八角形桁架晶格結(jié)構(gòu)具有較高的流動阻力和曲折度。另一方面，實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，骨骼、陀螺和八角形桁架晶格結(jié)構(gòu)的吸聲行為隨著孔隙率的增加而變差。

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