穿孔傾斜角度對3D打印仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能影響*

董明銳 賈世芳 劉靜怡 林賢銑 薛倩雯 孫偉圣

(浙江農(nóng)林大學工程學院 杭州 311300)

噪聲污染看不見、摸不著，是一種物理性污染，但其對人類社會造成的危害不容小覷。隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展，噪聲污染日趨嚴重，研制良好的吸聲降噪材料成為人們?nèi)找骊P(guān)注的課題(苑改紅等， 2006； 鄭細妹， 2011)。按吸聲機制不同，吸聲材料可分為共振吸聲結(jié)構(gòu)材料和多孔吸聲結(jié)構(gòu)材料兩大類(呂如榆，1983)，基于赫姆霍茲共振原理的穿孔板結(jié)構(gòu)簡單，在特定頻帶內(nèi)對噪聲具有良好的衰減能力(馬大猷， 2002)，被廣泛應用于市場。為了拓寬赫姆霍茲共振器的吸聲頻帶，國內(nèi)外學者開展了一系列研究，如Dickey等(1996)探討了一維小腔體赫姆霍茲共振器的聲學特性； Chenaud(1997)分析了共振腔形狀對霍姆赫茲共振器固有頻率的影響； Selamet等(1999； 2000； 2003)研究了延長頸長以及改變腔體截面形狀對赫姆霍茲共振器聲學性能的影響； Nagaya等(2001)研制了二階赫姆霍茲共振器組成的消聲器； Meissner(2002)研究了入射氣流對赫姆霍茲共振器的影響； Tang(2005)探討了錐形頸部對赫姆霍茲共振器吸聲性能的影響； 田漢平(2005)分析了赫姆霍茲共鳴器的共振頻率特性，并導出相關(guān)估算公式； 范錢旺等(2007)通過推導數(shù)學模型，仿真計算了赫姆霍茲共振消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)對其消聲性能的影響； 張京明等(2010)研究了赫姆霍茲共振腔結(jié)構(gòu)形狀對消聲性能的影響； 何立燕等(2010)分析了孔截面變化對厚微穿孔板吸聲性能的影響； 蓋曉玲等(2012)研究了內(nèi)置吸聲材料對赫姆霍茲共振器吸聲性能的影響。在以往研究中，研究者們大多通過改變共振腔形狀或內(nèi)置吸聲材料來拓寬吸聲材料的吸聲頻帶，且均為垂直穿孔，聲波入射后與材料產(chǎn)生的共振頻率單一，而將傾斜穿孔角度與共振腔形狀相結(jié)合探究對赫姆霍茲共振器吸聲性能的影響鮮見報道。

鑒于此，本研究基于木材內(nèi)部天然多孔構(gòu)造，利用Rhinoceros三維建模軟件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，仿生出一種有別于普通穿孔吸聲材料的復孔吸聲結(jié)構(gòu)——仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)，并采用3D打印技術(shù)制備樣品，研究穿孔傾斜角度對3D打印仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能影響，以期為開發(fā)仿生木材吸聲材料奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

木材是一種天然多孔材料，其內(nèi)部導管與木纖維、管胞、軸向薄壁細胞和射線薄壁細胞之間形成的大量紋孔對木材的吸聲性能具有重要作用(徐有明， 2006； 王東等， 2015)。本研究基于木材內(nèi)部天然多孔構(gòu)造仿生設(shè)計出木材吸聲結(jié)構(gòu)，并依據(jù)前期試驗得出的最佳穿孔率3.06%、主孔孔徑3 mm、側(cè)孔直徑4 mm、側(cè)孔深度3 mm確定3D打印仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)尺寸，如圖1A所示。

劉國利等(1996)研究表明，聲波斜入射時會產(chǎn)生一些附加共振，有別于垂直入射的共振模式。本研究通過傾斜穿孔角度(圖1B)使聲波入射時能夠更多地與孔壁接觸，從而消耗更多噪聲。

圖1 3D打印仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)

1.2 試件制備

利用 Rhinoceros三維建模軟件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，以ABS為原料，采用ZORTRAX M200 3D打印機制備試件。根據(jù)測試方法要求，分別制備高頻測試板和中低頻測試板，高頻測試板直徑30 mm，板厚15 mm，板后空腔50 mm； 中低頻測試板直徑100 mm，板厚15 mm，板后空腔50 mm。

1.3 試驗方案

對比傾斜穿孔角度的普通3D打印穿孔板，探究穿孔傾斜角度對3D打印仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能影響。試驗分為2組： 一組為3D打印穿孔板，另一組為3D打印仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)。主孔與豎直線間的夾角a(0°

1.4 測試方法

1.4.1 測試系統(tǒng) 采用阻抗管測試系統(tǒng)對3D打印仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能進行測試分析。高頻采用小管板，阻抗管SW477，直徑30 mm； 中低頻采用大管板，阻抗管SW422，直徑100 mm。校準器CA111，功率放大器PA50，四通道聲學分析儀MC3242，噪聲振動測試軟件VA-Lab。

1.4.2 測量方法 依據(jù)ISO10534-2∶1998《聲學 阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻的測量第2部分： 傳遞函數(shù)法》進行測量，頻率范圍80～6 300 Hz，取1/3倍頻程中心位置對應的吸聲系數(shù)。

1.4.3 測試環(huán)境 在大氣溫度20.0 ℃、相對濕度50.0%、大氣壓力101 325.0 Pa、大氣密度1.2 kg·m-3、聲速343.237 m·s-1的條件下進行測試，空氣特征阻抗412 568 Pa·s·m-1。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同傾斜角度的3D打印穿孔板吸聲系數(shù)

如圖2所示，傾斜穿孔角度的3D打印穿孔板分別在中低頻、中高頻處產(chǎn)生2個共振頻率，與普通木質(zhì)穿孔板有很大不同(朱廣勇， 2015)，木質(zhì)穿孔板僅在中低頻有單一的共振頻率(圖3)。

在中低頻處，隨穿孔傾斜角度增大，3D打印穿孔板的共振頻率向低頻方向移動，吸聲系數(shù)峰值總體呈上升趨勢，峰值均達0.8以上，吸聲性能較好。這主要是因為隨穿孔傾斜角度增大，3D打印穿孔板的穿孔長度增加，有效空氣柱質(zhì)量增加，空氣柱與孔壁的摩擦增加，聲阻、聲抗均增大，聲波進入板內(nèi)損耗增多(朱廣勇等， 2015)，吸聲系數(shù)峰值也隨之增加，共振頻率向低頻方向移動。

在中高頻處，隨穿孔傾斜角度變化，3D打印穿孔板的共振頻率和吸聲系數(shù)峰值均有所改變，但無明確規(guī)律，其吸聲系數(shù)峰值在0.2左右，吸聲性能較差。此處產(chǎn)生共振頻率可能是3D打印材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)所造成的，3D打印材料與一般穿孔板材料不同，其內(nèi)部不是密實而是網(wǎng)格狀的，排布有大量規(guī)整的孔隙，近似于閉孔型多孔吸聲材料，高頻聲波使孔隙間空氣質(zhì)點振動速度加快，空氣與孔壁的熱交換加快(齊共金等， 2002)，消耗聲能，產(chǎn)生共振頻率。

圖2 不同傾斜角度的3D打印穿孔板吸聲系數(shù)

圖3 不同穿孔率木質(zhì)穿孔板的吸聲系數(shù)

2.2 不同傾斜角度的3D打印仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)

如圖4所示，傾斜穿孔角度的3D打印仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)分別在中低頻、中高頻、高頻處產(chǎn)生3個共振頻率，與具有單一共振頻率的木質(zhì)穿孔板或具有2個共振頻率的3D打印穿孔板差異顯著，尤其表現(xiàn)在其出色的高頻吸聲性能。

在中低頻處，隨穿孔傾斜角度增大，3D打印仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)的共振頻率向低頻方向移動，吸聲系數(shù)峰值總體呈上升趨勢，且峰值均在0.8以上，具有較好的吸聲性能，與3D打印穿孔板在中低頻處的共振規(guī)律相一致。

在中高頻處，隨穿孔傾斜角度變化，3D打印仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)的共振頻率和吸聲系數(shù)峰值均有所改變，但無明確規(guī)律，此處吸聲系數(shù)峰值在0.3左右，吸聲性能較差，與3D打印穿孔板在中低頻處的共振現(xiàn)象基本相符。

在高頻段6 300 Hz以內(nèi)，隨穿孔傾斜角度增大，3D打印仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)的共振頻率向低頻移動，吸聲系數(shù)峰值變化無明顯規(guī)律，峰值均在0.8以上，吸聲性能較好。此處產(chǎn)生共振頻率的原因可能是，每個復孔結(jié)構(gòu)可看作一個赫姆霍茲共振器，該結(jié)構(gòu)的腔體中空氣具有彈性，相當于彈簧，孔中空氣柱具有一定質(zhì)量，相當于質(zhì)量塊，因此可以將其看作質(zhì)量-彈簧共振系統(tǒng)。聲波入射到共振器上，空氣柱在孔中往復運動，產(chǎn)生摩擦，使聲能轉(zhuǎn)化為熱能消耗，當入射聲波頻率與共振器固有頻率一致時，產(chǎn)生共振頻率(黃學輝等， 2007)。

此外，隨著穿孔傾斜角度變化，3D打印仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)在高頻處的共振頻率跨度較大，為全頻率吸聲結(jié)構(gòu)的設(shè)計研究奠定一定基礎(chǔ)。

圖4 不同傾斜角度的3D打印仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)

3 討論

本研究基于木材內(nèi)部天然多孔構(gòu)造，仿生出一種有別于直孔的仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)，并采用3D打印技術(shù)制備樣品，研究穿孔傾斜角度對3D打印仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能影響。前人在共振穿孔板吸聲頻率的研究中，大多通過改變共振腔形狀或內(nèi)置吸聲材料來拓寬吸聲材料的吸聲頻帶，穿孔均為垂直穿孔，聲波入射后與材料產(chǎn)生的共振頻率單一，而鮮見將傾斜穿孔角度與共振腔形狀相結(jié)合來探究穿孔板吸聲頻率。

3D打印仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)是一種異型穿孔結(jié)構(gòu)，前期研究表明，垂直穿孔的3D打印仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)具有2個共振頻率，分別位于中低頻和中高頻處，而現(xiàn)有穿孔板吸聲頻率集中在中低頻； 在中低頻段，穿孔率、孔徑等因素對3D打印仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能影響與普通木質(zhì)穿孔板規(guī)律基本一致(董明銳等， 2018)。本研究發(fā)現(xiàn)，不同傾斜角度的3D打印仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)具有3個共振頻率，分別位于中低頻、中高頻和高頻處，尤其在高頻處的共振頻率跨度大，涵蓋頻段廣，是穿孔板吸聲性能研究中前所未見的。

目前，對于3D打印仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)的研究仍處于起步階段，高頻處產(chǎn)生的共振頻段有待深入探究，期待以后能研究出可吸收低中高整個頻段聲音的穿孔板，為實現(xiàn)可定制頻率的吸聲結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

1) 3D打印穿孔板有2個共振頻率，分別位于中低頻和中高頻處； 而3D打印仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)具有3個共振頻率，分別位于中低頻、中高頻和高頻處，木質(zhì)穿孔板僅在中低頻具有共振頻率，二者差異顯著。

2) 穿孔傾斜角度對3D打印穿孔板的吸聲性能有一定影響。隨穿孔傾斜角度增大，3D打印穿孔板的共振頻率向低頻方向移動，吸聲系數(shù)峰值呈上升趨勢，峰值均在0.8以上，吸聲性能較好； 在中高頻處，隨穿孔傾斜角度變化，3D打印穿孔板的共振頻率和吸聲系數(shù)峰值均有所改變，但無明確規(guī)律，其吸聲系數(shù)峰值在0.2左右，吸聲性能較差。

3) 穿孔傾斜角度對3D打印仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能有較大影響。中低頻和中高頻處的共振規(guī)律與3D打印穿孔板相一致； 在高頻處，隨穿孔傾斜角度增大，3D打印仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)的共振頻率向低頻方向移動，吸聲系數(shù)峰值均在0.8以上，吸聲性能較好。同時，在高頻處，不同傾斜角度3D打印仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)的共振頻率跨度較大，可為以后全頻率吸聲結(jié)構(gòu)的設(shè)計奠定理論基礎(chǔ)。

本研究結(jié)果為實現(xiàn)可設(shè)計吸聲頻率的新型復合材料提供一個新的研究方向，在一些特殊吸聲環(huán)境領(lǐng)域具有較好的發(fā)展前景。