[发明专利]兼具低频吸声与承载的多功能超材料及其增材制造方法

说明书

本发明属于声学超材料相关技术领域，其公开了一种兼具低频吸声与承载的多功能超材料及其增材制造方法，所述超材料包括多个单胞，多个所述单胞呈阵列排布；所述单胞形成有贯穿孔及多个单腔，所述贯穿孔贯穿所述单胞，多个所述单腔围绕所述贯穿孔设置，所述贯穿孔通过多个微孔分别与多个所述单腔一一相连通，以形成多个亥姆霍茲共振腔；其中，多个所述单腔之间不直接相连通。本发明引入了贯穿孔，单腔之间的间隔为单胞提供了有效的支撑，提高了结构整体的稳定性，且同时形成了多个共振腔，可以在远小于噪声波长的条件下实现低频吸声。

技术领域

本发明属于声学超材料相关技术领域，更具体地，涉及一种兼具低频吸声与承载的多功能超材料及其增材制造方法。

背景技术

传统的吸声材料如穿孔板和吸声海绵等，可以在中高频声波范围内取得良好的吸声效果，被广泛应用于消声室和建筑材料的吸声。然而，当噪声频率太低时，这类多孔材料降噪的能力将大打折扣，无法有效的实现降噪的目的。超材料的出现为解决低频噪声降噪提供了一个新的解决方案。超材料的研究起源于物理学家Veselago提出的左手材料，指同时具有负磁导率和负介电常数的物质，这与自然材料的电磁特性参数完全相反，表现出来的电磁性能也完全相反。后来超材料逐渐发展为泛指人工设计的具有自然材料所不具备的物理特性的结构或复合材料，所涉及的领域涵盖电磁学、声学、热学、力学等领域，在航空航天、生物医疗、工程应用等领域都有着广阔的应用前景。

声学超材料的研究近年来取得了显著的成果，发展出了以声隐身斗篷超材料、声聚焦超材料、吸声超材料为代表的声学超材料。在吸声超材料方面，低频噪声降噪问题成为主要的研究重点，通过精心的结构设计，可以使得结构单元的声阻抗与空气的声阻抗完全匹配。根据吸声理论，当吸声体与空气声阻抗完全匹配时，入射声波将不会产生反射，且由于吸声体的阻隔作用，声波也不会发生透射，声能量将会完全在吸声体内部耗散，达到完美吸声的效果。尽管基于共振的吸声超材料的工作频率范围很窄，然而，通过组合具有不同吸声特性的单胞，吸声频宽将得到显著增强。然而，目前的吸声结构设计的研究仅关注其吸声特性，对于其力学性能并不关注，这会导致在实际应用时，尽管吸声性能良好，但是无法承受来自外界的冲击。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种兼具低频吸声与承载的多功能超材料及其增材制造方法，所述超材料兼具了低频吸声性能及承载性能，其引入了贯穿孔及连接壁(单腔之间的间隔壁)，为单胞提供了有效的支撑，且连接壁将单胞内的空腔隔成多个与贯穿孔相连通的腔体结构，提高了结构整体的稳定性，且同时形成了多个共振腔，可以在远小于噪声波长的条件下实现低频吸声。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种兼具低频吸声与承载的多功能超材料，所述超材料包括多个单胞，多个所述单胞呈阵列排布；

所述单胞形成有贯穿孔及多个单腔，所述贯穿孔贯穿所述单胞，多个所述单腔围绕所述贯穿孔设置，所述贯穿孔通过多个微孔分别与多个所述单腔一一相连通，以形成多个亥姆霍茲共振腔；其中，多个所述单腔之间不直接相连通。

进一步地，所述单胞包括外筒壳、贯穿孔体、上盖板、下盖板及多个连接壁，所述外筒壳为两端开口的筒状体，所述贯穿孔体开设有所述贯穿孔；所述贯穿孔体设置在所述外筒壳内，多个所述连接壁相背的两端分别连接所述贯穿孔体及所述外筒壳的内壁，以形成多个所述单腔；所述贯穿孔体还开设有多个所述微孔，所述微孔连通所述贯穿孔及对应的单腔，以形成多个亥姆霍兹共振腔；所述上盖板及所述下盖板分别设置在所述外筒壳相背的两端，且分别覆盖所述外筒壳的两个开口；所述上盖板及所述下盖板分别开设有通槽，两个所述通槽分别与所述贯穿孔的两端相连接，使得所述贯穿孔与外界相通。

进一步地，所述外筒壳垂直于自身高度方向的横截面的形状与所述贯穿孔体垂直于自身高度方向的横截面的形状相同。

进一步地，多个所述单腔的体积相同或者不完全相同。