多孔材料增材制造與吸聲特性研究*

陳文炯，常潤鑫，王小鵬

（大連理工大學(xué)，大連 116023）

多孔材料因具備相互連通的微通道，使得聲波產(chǎn)生黏性損失和熱損失，從而實現(xiàn)聲能耗散，在噪聲控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1–2]。例如在航空領(lǐng)域，發(fā)動機進氣道內(nèi)壁需要敷設(shè)聲襯 （纖維多孔材料）以降低發(fā)動機噪聲[3]；在汽車領(lǐng)域，多孔材料也被廣泛用于發(fā)動機艙和車廂噪聲的吸收，優(yōu)化車輛NVH（Noise，Vibration，Harshness） 性能[4]。此外，建筑、高速公路等也大量采用多孔材料進行噪聲的控制[5–6]。當前研究表明，孔隙率、微結(jié)構(gòu)尺寸、孔結(jié)構(gòu)形式等參數(shù)對于多孔材料吸聲性能具有顯著影響[7–9]。傳統(tǒng)工藝 （如燒結(jié)、壓制等）在多孔材料制備方面已經(jīng)相當成熟，然而采用傳統(tǒng)工藝制備的多孔材料是無序的，無法精確控制材料的微觀孔結(jié)構(gòu)。因此，發(fā)展能夠精確控制多孔材料微觀孔結(jié)構(gòu)的制備方法，構(gòu)建制備工藝參數(shù)與材料吸聲特性的關(guān)系具有十分重要的意義。

增材制造可以實現(xiàn)更為復(fù)雜、更為精細、性能更好的多孔材料。通過微觀孔結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，使得材料在具備高效吸聲的同時，有望實現(xiàn)多功能特性（如高剛度、隔熱、電磁等）[10]。近期，開展面向增材制造多孔材料的研究已經(jīng)成為熱點工作。Liu 等[11–12]采用光固化成形 （SLA）技術(shù)制備了含圓柱形孔的穿孔板，研究了多層及穿孔角度變化對材料聲學(xué)性能的影響。Huang 等[13]研究了基于麥稈仿生的諧振腔式聲學(xué)超材料，采用熔融沉積成形 （FDM）技術(shù)實現(xiàn)了材料的制備，并研究了其吸聲性能。Kennedy等[14]研究了周期性諧振腔式吸聲材料內(nèi)部的連通方式，通過FDM 技術(shù)構(gòu)建了不同的連通形式，試驗測試了特性頻率的吸聲效果。Opiela 等[15]采用FDM 技術(shù)設(shè)計并制備了具有可調(diào)節(jié)吸聲特性的多孔材料。Yang 等[16]采用選擇性激光燒結(jié) （SLS）技術(shù)制備了多層穿孔板吸聲材料，并驗證了其具備寬頻吸聲特性。此后，Yang 等[17]采用立體光固化成形 （SLA）增材制造技術(shù)制備了極小曲面多孔材料，并研究了其聲學(xué)特性。Cavalieri 等[18]采用FDM 技術(shù)制備了一類具有寬頻吸聲能力的多尺度聲學(xué)超表面結(jié)構(gòu)。Kim 等[19]采用FDM 技術(shù)發(fā)展了主動吸聲材料。近期，Johnston 等[20]首次針對纖維多孔材料，提出了基于FDM 技術(shù)的橋連與拉絲兩種制備方式，并測試了材料性能。上述研究表明，基于增材制造技術(shù)開展吸聲材料的研究主要集中在多孔諧振腔類材料方面，對于多孔材料制備工藝的研究工作還較少，探索更為便捷的多孔材料制備方法具有重要的意義。

本文基于FDM 增材制造技術(shù)，構(gòu)建可快速實現(xiàn)多孔材料制備的直接填充法，建立工藝參數(shù)與多孔材料結(jié)構(gòu)參數(shù)的聯(lián)系。采用雙傳聲器阻抗管測試吸聲系數(shù)，系統(tǒng)研究多孔材料的厚度、絲線尺寸、孔結(jié)構(gòu)形式等對吸聲性能的影響規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 基于FDM 技術(shù)的直接填充法

本文構(gòu)建了一種基于熔融沉積成形技術(shù)的多孔材料制備方法——直接填充法。該方法僅需將樣品的STL 文件導(dǎo)入切片軟件Simplify3D，生成用于指導(dǎo)打印機噴頭運動的G代碼，高溫噴頭將低熔點絲狀材料熔化成液體并從噴頭均勻地擠出，通過層層編織、堆疊的方式就可實現(xiàn)多孔材料的制備。該方法的優(yōu)點在于，首先，通過設(shè)定打印件厚度、填充形式、填充率、打印線寬、打印層高、鋪層角度等工藝參數(shù)，可以有效控制多孔材料的厚度、孔結(jié)構(gòu)形式、孔隙率、絲線寬度、絲線高度、絲線角度等關(guān)鍵因素；其次，避免了繁瑣的大量微結(jié)構(gòu)詳細建模過程，極大地提高了設(shè)計與制備效率。

本文樣品均使用INFINITY3DP打印機打印，使用直徑0.35 mm 的擠出機噴頭，打印回抽速度和打印速度保持1800 mm/min[21]，所有打印樣品均為直徑29.9 mm 的圓柱體，材料均選用聚乳酸（PLA）線材。在聲傳播過程中，當材料與空氣的聲阻抗（Z=ρc）值相差較大時，通常將其視為剛性界面，進而忽略材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)微振動對吸聲性能的影響[22–23]，經(jīng)計算聚乳酸 （ρ=1248 kg/m3，縱向彈性波cp= 1943 m/s）是空氣（ρ0= 1.25 kg/m3，c0= 343 m/s）聲阻抗值的5.6×103倍，因此固體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的聲傳播效應(yīng)和剪切模態(tài)可以安全忽略。目前受到試驗條件和設(shè)備的限制，只使用了聚乳酸這一種材料進行了研究，針對不同材料對吸聲性能影響的研究將在后續(xù)的工作中進行。表1 顯示了不同填充形式下的打印預(yù)覽圖、樣品圖和在工業(yè)顯微鏡下觀測的首層網(wǎng)格視圖。

表1 不同填充形式下的打印預(yù)覽圖、樣品圖和在工業(yè)顯微鏡下觀測的首層網(wǎng)格視圖Table 1 Print previews, sample drawings and first layer grid views observed with industrial microscopes of different filling forms

1.2 多孔材料樣品制備

圖1 給出了樣品結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖。樣品由絲線層層搭建而成，絲線的橫截面近似為橢圓形，其長軸d定義為絲線寬度，通過設(shè)定打印線寬來控制；短軸h定義為絲線高度，通過設(shè)定打印層高來控制；同一層絲線平行排列，相鄰兩條絲線之間的距離s為絲線間距，通過設(shè)定孔隙率P形成不同體積的空腔結(jié)構(gòu)來控制；上下相鄰兩層絲線之間的角度θ為絲線角度，通過設(shè)定鋪層角度來控制；材料厚度為H。直接填充法工藝參數(shù)與多孔材料結(jié)構(gòu)參數(shù)對應(yīng)關(guān)系如表2 所示。

本文選取的變量分別是材料厚度H、孔隙率P、絲線間距s、絲線高度h、絲線寬度d、絲線角度θ和填充形式。表3列出了所有樣品的結(jié)構(gòu)參數(shù)。為了后續(xù)表述方便，定義樣品SP–4、WI–2、FO–1 與樣品TH–2 參數(shù)一致。

1.3 多孔材料吸聲特性測量方法

采用雙傳聲器傳遞函數(shù)測量方法[24]，分別測量了表3 中所有樣品的吸聲系數(shù)。測量原理如圖2（a）所示，在阻抗管中用兩個相距一定距離的相同特性的傳聲器，分別接受管中的隨機聲壓信號，其輸出電信號饋送到信號采集分析儀的接收端后，可有效地分離出入射波和反射波，分離后的入射波和反射波代入傳遞函數(shù)可計算出材料的聲學(xué)性能。

阻抗管中的入射波pi和反射波pr可分別表示為

圖1 樣品結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.1 Sample structure parameters diagram

式中，Pi和Pr分別為材料表面 （基準面x= 0）處的入射波pi和反射波pr的幅值；k0為復(fù)波數(shù)。兩傳聲器位置的聲壓p1和p2分別為

定義入射波傳遞函數(shù)Hi為

表2 打印件工藝參數(shù)與多孔材料結(jié)構(gòu)參數(shù)對應(yīng)關(guān)系Table 2 Correspondence between process parameters of printed parts and structural parameters of porous materials

表3 所有樣品結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3 Structural parameters of all samples

定義反射波傳遞函數(shù)Hr為

因此總聲場的傳遞函數(shù)H12為

將式（5）、式（6）代入式（7），得到反射系數(shù)r，即

因此，測得傳遞函數(shù)、距離S、l及波數(shù)k0，可由式（8）確定基準面（x= 0）上的反射系數(shù)r，那么吸聲系數(shù)為

測試裝置的實物圖如圖2（b）所示。樣品被放置在內(nèi)徑30 mm 的試件管 （SW030–S）中，樣品背面沒有空腔（具有聲學(xué)剛性背襯）。內(nèi)置信號發(fā)生器發(fā)出白噪聲信號后，白噪聲信號通過功率放大器 （BSWA，PA300）驅(qū)動阻抗管 （BSWA，SW477）中的內(nèi)置揚聲器發(fā)出20～8000 Hz 的白噪聲，安裝在樣品左側(cè)的2 個傳聲器 （BSWA，MPA416）接收發(fā)聲管中的隨機聲壓信號，并將電信號饋送到信號采集分析儀 （BSWA，MC3242A）的接收端，最后聲壓信號通過信號采集分析儀輸入計算機測試軟件進行信號處理，最終得到多孔材料的吸聲系數(shù)。本研究測量的所有樣品的吸聲系數(shù)頻率范圍為1000～6000 Hz。

圖2 雙傳聲器傳遞函數(shù)法原理圖和測試裝置Fig.2 Schematic diagram of dual microphone transfer function method and test device

2 結(jié)果與討論

2.1 多孔材料吸聲特性測量結(jié)果

為了研究直接填充法制備的多孔材料的厚度、絲線尺寸、孔結(jié)構(gòu)形式等參數(shù)對吸聲性能的影響規(guī)律，進行了6 組對比試驗，對應(yīng)發(fā)生變化的參數(shù)分別為材料厚度H、孔隙率P、絲線間距s、絲線高度h、絲線寬度d、絲線角度θ和填充形式。

2.1.1 材料厚度的影響

試驗測試了TH–1～TH–5 5 組材料厚度不同、其他參數(shù)相同的多孔材料，如圖3（a）所示。圖3（b）為5組不同厚度材料的吸聲系數(shù)試驗測試曲線?？芍S著厚度的增大，吸聲峰值的變化較小，峰值對應(yīng)的共振頻率逐漸向中低頻擴展。這是由于在孔隙率等參數(shù)一定的情況下，隨著厚度的增大，進入材料的聲波經(jīng)過孔隙通道也就越長，受到曲折通道的阻擋次數(shù)增多，聲波在材料內(nèi)部發(fā)生的能量損失也越多，而高頻聲波主要在材料的表面被吸收，中低頻聲波的吸收主要在材料內(nèi)部，因此，中低頻吸聲系數(shù)隨厚度的增加而增加，高頻吸聲系數(shù)隨厚度的增加而下降。

圖3 不同厚度的樣品及材料厚度對吸聲性能的影響Fig.3 Samples with different thickness and effect of sample thickness on sound absorption performance

2.1.2 孔隙率（絲線間距）的影響

孔隙率的定義是材料內(nèi)部空氣體積與材料總體積之比。在絲線尺寸等參數(shù)相同的情況下，絲線間距的大小是通過設(shè)定不同孔隙率進而形成不同體積的空腔結(jié)構(gòu)來控制的。因此，改變孔隙率或絲線間距對材料吸聲性能的影響規(guī)律是一致的。

試驗測試了SP–1～SP–5 5 組孔隙率（絲線間距）不同、其他參數(shù)相同的多孔材料，如圖4 所示?？梢钥闯觯海?）隨著孔隙率的增加，吸聲峰值對應(yīng)的共振頻率逐漸向高頻擴展。（2）當孔隙率低于30%時，吸聲峰值隨著孔隙率的減小而減小。當孔隙率高于30%時，吸聲峰值隨著孔隙率的增大而減小。當孔隙率為30%（絲線間距為0.6 mm）時，材料的吸聲峰值達到最大值，接近于1。（3）孔隙率過高，材料整體的吸聲性能較差，這是由于在其他參數(shù)一定的情況下，孔隙率（絲線間距）過大，材料內(nèi)部通道過于簡單，聲波容易進入材料但難以被耗散，導(dǎo)致材料的吸聲性能降低。反之，孔隙率 （絲線間距）過低，材料內(nèi)部通道過于復(fù)雜，聲波不易進入材料內(nèi)部，也會導(dǎo)致材料的吸聲性能降低。

圖4 不同孔隙率的樣品及孔隙率對吸聲性能的影響Fig.4 Samples with different porosities and effect of different porosities on thesound absorption performance

2.1.3 絲線高度的影響

試驗測試了HE–1～HE–3 3 組絲線高度不同、其他參數(shù)相同的多孔材料，如圖5（a）所示。圖5（b）為3 組材料的吸聲系數(shù)試驗測試曲線?？梢钥闯觯?（1）隨著絲線高度的增加，吸聲峰值對應(yīng)的共振頻率逐漸向高頻擴展； （2）隨著絲線高度的增加，吸聲峰值減小，材料的吸聲性能降低，這是由于在其他參數(shù)一定的情況下，絲線高度值越大，材料的編織層數(shù)越少，整體的絲線數(shù)量越少，材料內(nèi)部孔隙數(shù)量越少，比表面積越小，聲波在材料內(nèi)部發(fā)生的能量損失越少，導(dǎo)致材料的吸聲性能降低。反之，隨著絲線高度的減小，材料的吸聲性能提升。

圖5 不同絲線高度的樣品和絲線高度對吸聲性能的影響Fig.5 Samples with different bar heights and effect of bar heights on the sound absorption performance

實際打印過程中，如果絲線高度太小，打印耗材和打印時長增加，打印效率較低。如果絲線高度太大，絲線高度和絲線寬度的比值大于0.8，將會導(dǎo)致不良的層黏合，因此，要根據(jù)具體條件來選擇合適的絲線高度。

2.1.4 絲線寬度的影響

試驗測試了WI–1～WI–6 6 組絲線寬度不同、其他參數(shù)相同的多孔材料，如圖6（a）所示。圖6（b）為上述6 組材料的吸聲系數(shù)試驗測試曲線?？梢钥闯觯?（1）隨著絲線寬度的增加，吸聲峰值對應(yīng)的共振頻率逐漸向高頻擴展。（2）當絲線寬度小于0.4 mm，吸聲峰值隨著絲線寬度的減小而減小，當絲線寬度大于0.4 mm，吸聲峰值隨著絲線寬度的減小而增大，且當絲線寬度等于0.4 mm 時，材料的吸聲峰值達到最大值，接近于1。（3）當頻率低于3250 Hz 時，同一頻率下，絲線寬度越小，吸聲系數(shù)越大；當頻率在3250～5000 Hz 時，絲線寬度越小，其吸聲峰值對應(yīng)的共振頻率越??；當頻率高于5000 Hz 時，絲線寬度對吸聲系數(shù)的影響不明顯。（4）絲線寬度過高，材料整體的吸聲性能較差，這是由于在孔隙率等參數(shù)一定的情況下，絲線寬度過高，材料內(nèi)部通道過于簡單，聲波容易進入材料但難以被耗散，導(dǎo)致材料的吸聲性能降低。反之，絲線寬度過低，材料內(nèi)部通道過于復(fù)雜，聲波不易進入材料內(nèi)部，也會導(dǎo)致材料的吸聲性能降低。

2.1.5 絲線角度的影響

試驗測試了AN–1～AN–3 3 組絲線角度 （上下相鄰兩層絲線夾角）不同、其他參數(shù)相同的多孔材料，如圖7（a）所示。圖7（b）為上述3組材料的吸聲系數(shù)試驗測試曲線。結(jié)果表明，隨著絲線角度的增大，吸聲峰值增大，吸聲峰值對應(yīng)的共振頻率逐漸向中低頻擴展；反之，隨著絲線角度的減小，吸聲峰值減小，吸聲峰值對應(yīng)的共振頻率向高頻擴展；當絲線角度為90°時，材料的吸聲峰值達到最大值，約為0.8。

2.1.6 填充形式的影響

試驗測試了FO–1～FO–3 3 組填充形式 （正交形、三角形和波浪線形）不同、其他參數(shù)相同的多孔材料，如圖8（a）所示。圖8（b）為上述3 組材料的吸聲系數(shù)試驗測試曲線。結(jié)果表明，材料的填充形式為正交型時，吸聲性能要優(yōu)于三角型和波浪線型。

圖9 單一參數(shù)改變時多孔材料吸聲峰值的變化曲線Fig.9 Variation curves of sound absorption peak of porous materials with single parameter changing

圖10 單一參數(shù)改變時多孔材料吸聲峰值對應(yīng)的共振頻率的變化曲線Fig.10 Variation curves of resonance frequency corresponding to the sound absorption peak of porous materials with single parameter changing

2.2 試驗結(jié)果對比分析

直接填充法制備的多孔材料的厚度、絲線尺寸、孔結(jié)構(gòu)形式等參數(shù)對吸聲峰值、吸聲峰值對應(yīng)的共振頻率的影響規(guī)律分別如圖9和10所示。

表4 列出了每個參數(shù)改變時多孔材料吸聲峰值和吸聲峰值對應(yīng)的共振頻率的改變量，可知，單一參數(shù)改變時多孔材料吸聲峰值的改變量由大到小依次為0.38、0.34、0.24、0.15、0.12、0.07，對應(yīng)的參數(shù)分別為孔隙率（絲線間距）、填充形式、絲線寬度、絲線高度、絲線角度、材料厚度；單一參數(shù)改變時多孔材料吸聲峰值對應(yīng)的共振頻率的改變量由大到小依次為4250 Hz、1500 Hz、1450 Hz、1250 Hz、500 Hz、250 Hz，對應(yīng)的參數(shù)分別為材料厚度、孔隙率 （絲線間距）、填充形式、絲線寬度、絲線高度、絲線角度。

表4 單一參數(shù)改變時多孔材料吸聲峰值和吸聲峰值對應(yīng)的共振頻率的改變量Table 4 Change of sound absorption peak and resonance frequency corresponding to sound absorption peak of porous materials with single parameter changing

3 結(jié)論

圖6 不同絲線寬度的樣品和絲線寬度對吸聲性能的影響Fig.6 Samples with different bar widths and effect of bar widths on the sound absorption performance

圖7 不同絲線角度樣品和絲線角度對吸聲性能的影響Fig.7 Samples with different bar angles and effect of bar angle on sound absorption performance

（1）基于FDM 增材制造技術(shù)構(gòu)建了直接填充法，不僅可以實現(xiàn)具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多孔材料的快速制備，還能夠精確控制多孔材料微觀孔結(jié)構(gòu)形式、孔隙率、絲線尺寸、絲線角度等幾何參數(shù)，為特定吸聲性能需求的多孔材料的定制提供了技術(shù)手段，有望廣泛應(yīng)用于噪聲污染防控領(lǐng)域。

圖8 不同填充形式樣品和填充形式對吸聲性能的影響Fig.8 Samples with different filling forms and effect of filling forms on the sound absorption performance

（2）采用基于雙傳聲傳遞函數(shù)法的阻抗管進行吸聲測試，系統(tǒng)研究了利用直接填充法制備的多孔材料的厚度、絲線尺寸、孔結(jié)構(gòu)形式等參數(shù)對吸聲性能的影響規(guī)律，為下一步多孔材料在噪聲控制中的廣泛應(yīng)用提供了有益的指導(dǎo)。6 個參數(shù)對吸聲峰值大小的影響由強到弱依次為孔隙率 （絲線間距）、填充形式、絲線寬度、絲線高度、絲線角度、材料厚度； 6 個參數(shù)對吸聲峰值對應(yīng)的共振頻率大小的影響由強到弱依次為材料厚度、孔隙率（絲線間距）、填充形式、絲線寬度、絲線高度、絲線角度。