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(xué)工程學(xué)院 杭州 311300)

噪聲污染看不見(jiàn)、摸不著，是一種物理性污染，但其對(duì)人類(lèi)社會(huì)造成的危害不容小覷。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，噪聲污染日趨嚴(yán)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(xì)妹， 2011)。按吸聲機(jī)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(lèi)(呂如榆，1983)，基于赫姆霍茲共振原理的穿孔板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在特定頻帶內(nèi)對(duì)噪聲具有良好的衰減能力(馬大猷， 2002)，被廣泛應(yīng)用于市場(chǎng)。為了拓寬赫姆霍茲共振器的吸聲頻帶，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)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(xué)特性； Chenaud(1997)分析了共振腔形狀對(duì)霍姆赫茲共振器固有頻率的影響； Selamet等(1999； 2000； 2003)研究了延長(zhǎng)頸長(zhǎng)以及改變腔體截面形狀對(duì)赫姆霍茲共振器聲學(xué)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(duì)赫姆霍茲共振器的影響； Tang(2005)探討了錐形頸部對(duì)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(dǎo)出相關(guān)估算公式； 范錢(qián)旺等(2007)通過(guò)推導(dǎo)數(shù)學(xué)模型，仿真計(jì)算了赫姆霍茲共振消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)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(duì)消聲性能的影響； 何立燕等(2010)分析了孔截面變化對(duì)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(duì)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(guò)改變共振腔形狀或內(nèi)置吸聲材料來(lái)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(duì)赫姆霍茲共振器吸聲性能的影響鮮見(jiàn)報(bào)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(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，仿生出一種有別于普通穿孔吸聲材料的復(fù)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(duì)3D打印仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能影響，以期為開(kāi)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(jì)

木材是一種天然多孔材料，其內(nèi)部導(dǎo)管與木纖維、管胞、軸向薄壁細(xì)胞和射線薄壁細(xì)胞之間形成的大量紋孔對(duì)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(jì)出木材吸聲結(jié)構(gòu)，并依據(jù)前期試驗(yàn)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(guó)利等(1996)研究表明，聲波斜入射時(shí)會(huì)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(guò)傾斜穿孔角度(圖1B)使聲波入射時(shí)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(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以ABS為原料，采用ZORTRAX M200 3D打印機(jī)制備試件。根據(jù)測(cè)試方法要求，分別制備高頻測(cè)試板和中低頻測(cè)試板，高頻測(cè)試板直徑30 mm，板厚15 mm，板后空腔50 mm； 中低頻測(cè)試板直徑100 mm，板厚15 mm，板后空腔50 mm。

1.3 試驗(yàn)方案

對(duì)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(duì)3D打印仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能影響。試驗(yàn)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(cè)試方法

1.4.1 測(cè)試系統(tǒng) 采用阻抗管測(cè)試系統(tǒng)對(duì)3D打印仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能進(jìn)行測(cè)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(zhǔn)器CA111，功率放大器PA50，四通道聲學(xué)分析儀MC3242，噪聲振動(dòng)測(cè)試軟件VA-Lab。

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

1.4.3 測(cè)試環(huán)境 在大氣溫度20.0 ℃、相對(duì)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(jìn)行測(cè)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(gè)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(dòng)，吸聲系數(shù)峰值總體呈上升趨勢(shì)，峰值均達(dá)0.8以上，吸聲性能較好。這主要是因?yàn)殡S穿孔傾斜角度增大，3D打印穿孔板的穿孔長(zhǎng)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(jìn)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(dòng)。

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(wú)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(shí)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(diǎn)振動(dòng)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(gè)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(gè)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(dòng)，吸聲系數(shù)峰值總體呈上升趨勢(shì)，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(wú)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(dòng)，吸聲系數(shù)峰值變化無(wú)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(gè)復(fù)孔結(jié)構(gòu)可看作一個(gè)赫姆霍茲共振器，該結(jié)構(gòu)的腔體中空氣具有彈性，相當(dāng)于彈簧，孔中空氣柱具有一定質(zhì)量，相當(dāng)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(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生摩擦，使聲能轉(zhuǎn)化為熱能消耗，當(dāng)入射聲波頻率與共振器固有頻率一致時(shí)，產(chǎn)生共振頻率(黃學(xué)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(jì)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(duì)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(guò)改變共振腔形狀或內(nèi)置吸聲材料來(lái)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(jiàn)將傾斜穿孔角度與共振腔形狀相結(jié)合來(lái)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(gè)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(duì)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(gè)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(jiàn)的。

目前，對(duì)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(gè)頻段聲音的穿孔板，為實(shí)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(gè)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(gè)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(duì)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(dòng)，吸聲系數(shù)峰值呈上升趨勢(shì)，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(wú)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(duì)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(dòng)，吸聲系數(shù)峰值均在0.8以上，吸聲性能較好。同時(shí)，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(jì)奠定理論基礎(chǔ)。

本研究結(jié)果為實(shí)現(xiàn)可設(shè)計(jì)吸聲頻率的新型復(fù)合材料提供一個(gè)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。