学术前沿 | 用于隔音和吸音的功能梯度泡沫的增材制造

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2024-09-14 09:00

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声学泡沫和泡沫填充超材料具有出色的吸音性能，但通常表现出较低的声音传输损失 (STL)。与均匀泡沫相比，精确集成可调形状、密度梯度以及开孔和闭孔区域之间过渡的泡沫有可能同时增强吸收和 STL。然而，即使对于由几千个单元组成的小样品，这些材料的制造也具有挑战性。在这里，我们展示了通过增材制造功能梯度泡沫，这是一种产生气泡并将气泡堆积成三维固体泡沫结构的方法，吞吐量高达 100 毫升/分钟。对均质和分级泡沫的密度、孔形态、流动电阻率和动态机械行为进行了表征。作为参考案例，在阻抗管中测试了频率在 200 Hz 至 2600 Hz 之间的均质样品的 STL 和吸收。随后对分级样品进行了评估，结果显示，对于夹在两个高密度层之间的低密度芯的闭孔泡沫，STL 峰值显着增强（高达 ∼ 68 dB）。夹在两个低密度层之间的高密度芯特别拓宽了频率范围，具有高吸音性，并且仍然增强了 STL。这些结果表明，功能梯度闭孔泡沫是实现结构诱导耗散的一条有前途的途径，满足具有高吸收率和高 STL 的材料的要求。

打印具有梯度密度的泡沫结构，以评估其隔音和吸收。使用最近一种被称为“直接气泡书写”的方法，通过调整印刷过程中气泡产生的压力来控制打印样品的密度。更高的压力（从5.5 kPa到8.5 kPa）降低了泡沫的密度（从125 kg/m3到255 kg/m3），因为更多的气体被封闭在印刷样品中。在印刷过程中，气体压力在5.5 kPa和8.5 kPa之间，分别创建刚性和软切片的夹层结构。具有梯度设计的泡沫提供了低至300 Hz以上频率的宽带吸收（α > 0.5），同时与均匀泡沫相比，增强了1000 Hz以上频率的STL。STL甚至达到了60 dB以上的峰值。初步研究证明，与均匀泡沫相比，系统地调整梯度泡沫的性能可以强烈地增强其声学性能。我们的泡沫还没有超过商业泡沫，可能是因为聚合物不是严格的粘弹性。因此，未来的工作可能集中在粘弹性聚合物的耗散，从而增强，从而增加STL和吸收。

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