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3D打印仿生木材吸声结构吸声性能的影响研究
发布时间:2019-07-04

摘要

  本研究模拟木材内部导管和纹孔的天然结构,设计并利用3D打印技术制备出了仿生木材吸声结构。利用阻抗管传递函数法探究了填充度、穿孔率、孔径、侧孔深度、上下孔径比例、穿孔倾斜角度等结构特征对3D打印仿生木材吸声结构吸声性能的影响规律,建立了上下孔径比例、穿孔倾斜角度对3D打印仿生木材吸声结构吸声性能影响规律的数学模型,为定制频率的吸声结构设计提供了研究基础。本研究主要获得以下结论:

  (1)利用3D打印技术制备的仿生木材吸声结构,在中低频范围内具有与木质穿孔板同样的吸声性能,穿孔率、孔径等因素对3D打印吸声结构的影响规律也与木质穿孔板基本一致。

  (2)在中高频范围内,3D打印仿生木材吸声结构具有木质穿孔板所不具备的良好吸声性能。穿孔倾斜角度为30°的3D打印仿生木材吸声结构在5992Hz处吸声系数峰值可达0.93,共振频率跨度1900Hz.

  (3)上下穿孔比例对3D打印仿生木材吸声结构的吸声性能具有较大影响。在50-600Hz的中低频范围内,随3D打印仿生木材吸声结构主孔上下穿孔比例的升高,共振频率向低频方向移动,吸声系数峰值升高。在3500Hz左右的中高频范围内,随主孔上下穿孔比例的升高,共振频率基本不变,吸声系数峰值降低。

  (4)穿孔倾斜角度对3D打印仿生木材吸声结构的吸声性能具有显着影响。在50-600Hz的中低频范围内,随倾斜角度增大,3D打印仿生木材吸声结构的共振频率向低频方向移动,吸声系数峰值呈上升趋势;在3500Hz左右的中高频范围内,有共振频率但其吸声性能较差;在4000Hz-6400Hz的中高频范围内,随穿孔倾斜角度增大,3D打印仿生木材吸声结构的共振频率向低频方向移动。

  (5)根据3D打印仿生木材吸声结构的不同结构特征对吸声性能的影响规律,分别建立了上下孔径比例与共振频率的数学模型:y=-167x+501(频率范围:50-600Hz);穿孔倾斜角度与共振频率的数学模型:y=-167x+501(频率范围:50-600Hz),y=-0.79x2+16.8x+6168(频率范围:4000-6400Hz)。

  关键词:木材仿生;3D打印;穿孔板;吸声性能

林业

ABSTRACT

  This paper simulates the natural structure of the inner conduits and pits of wood, and designs and uses 3D printing technology to prepare the sound-absorbing structure of bionic wood. The impedance tube transfer function method was used to investigate the influence of structural characteristics such as filling degree, perforation rate, aperture, side hole depth, upper and lower aperture ratio, and

  perforation tilt angle on the sound absorption performance of 3D printed bionic wood sound absorption structure, and the perforation rate was established. The mathematical model of the influence of the ratio of the upper and lower apertures and the inclination angle of the perforation on the sound absorption performance of the 3D printed bionic wood sound absorption structure provides a research basis for the design of the sound absorption structure of the customized frequency. The study mainly obtained the following conclusions:

  (1) The bionic wood sound absorption structure prepared by 3D printing technology has the same sound absorption performance as the wood perforated plate in the middle and low frequency range. The influence of perforation rate and aperture on the 3D printing sound absorption structure is also related to the wood perforation. The boards are basically the same.

  (2) In the mid-high frequency range, the 3D printed bionic wood sound absorbing structure has good sound absorption performance not possessed by the wood perforated plate. The 3D printed bionic wood sound absorbing structure with a perforation angle of 30° has a peak sound absorption coefficient of 0.93 at 5992 Hz.

  (3) The ratio of upper and lower perforations has a great influence on the sound absorption performance of the 3D printed bionic wood sound absorbing structure. In the mid-low frequency range of 50-600 Hz, the ratio of the upper and lower perforations of the main hole of the 3D printed bionic wood sound absorption structure increases, the resonance frequency moves toward the low frequency direction, and the peak of the sound absorption coefficient increases. In the mid-high frequency range of about 3500 Hz, the resonance frequency is basically the same as the ratio of the upper and lower perforations of the main hole increases, and the peak of the sound absorption coefficient decreases.

  (4) The perforation angle has a significant influence on the sound absorption performance of the 3D printed bionic wood sound absorbing structure. In the mid-low frequency range of 50-600 Hz, as the tilt angle increases, the resonance frequency of the 3D printed bionic wood sound absorption structure moves toward the low frequency direction, and the peak of the sound absorption coefficient rises; in the middle and high frequency range of about 3500 Hz, There is a resonant frequency but its sound absorption performance is poor; in the mid-high frequency range of 4000 Hz-6400 Hz, as the tilt angle of the perforation increases, the resonant frequency of the 3D printed bionic wood sound absorbing structure moves toward the low frequency direction.

  (5) According to the influence of different structural features of 3D printing bionic wood sound absorption structure on sound absorption performance, the mathematical model of upper and lower aperture ratio and resonance frequency is established respectively: y=-167x+501 (frequency range: 50-600 Hz); perforation Mathematical model of tilt angle and resonant frequency: y = -167x + 501 (frequency range: 50-600 Hz), y = -0.79x2 + 16.8x + 6168 (frequency range: 4000-6400 Hz)。

  Keywords:wood bionic;3D printing;perforated panel;sound absorption

目录

  1 绪论

  1.1 研究背景与意义

  1.1.1 研究背景

  噪声是当今社会四大污染之一[1],长期处于噪声环境中,会对人体的身心健康造成极大的损伤,这种伤害不仅不会随时间推移而减缓,反而会不断累积,给人们工作生活带来严重的困扰 [2-3].随着社会生活节奏的加快,人们对噪声的容忍度越来越低,对吸声材料的需求越来越高[4].一般来说,人耳可听到的音域范围为 20-20000 Hz,人们将其分为低频、中频、高频三个频段:低频为 200 Hz 以下;中频为 200-6000 Hz;高频为 6000 Hz-20000 Hz.缓解噪音污染的方式有声源控制和过程控制两种。声源控制,是降低声源噪声,通过改进产生噪声的设备结构,减少噪声的产生。过程控制主要是指在噪声传播过程中利用吸声材料吸收部分噪音,从而达到减少噪声污染目的。事实证明,声源控制成本过高且难以实现,而过程控制通过利用高效吸声材料可以有效的治理噪声污染。吸声材料的吸声性能可以用吸声系数(α)表述,一般材料的吸声系数在 0~1 之间,α >0.4 的材料才被视为是吸声材料[5],吸声系数越大,表明材料的吸声性能越好。高效吸声结构材料是现阶段饱受热议的研究课题,其中吸声系数高的全频段吸声结构材料是目前研究的热点和难点目前,应用最多的吸声材料为共振型吸声材料和多孔型吸声材料[6].共振型吸声材料大多为穿孔板,当声波入射到该结构时,穿孔中的空气柱在振动过程中与孔壁剧 烈摩擦产生粘滞阻力和热传导从而耗散声能。当声波频率与材料固有频率一致时,穿孔结构内空气柱振动最剧烈,消耗大量声能,此时吸声效果最好。穿孔吸声结构一般通过改变穿孔率、空腔深度或填充其他吸声材料,来设计其声学所需的吸声频率特性。穿孔板的加工方式为数控打孔、机械加工,受限于这种加工方式,目前穿孔板孔型大多为圆柱形穿孔和少量的方形穿孔,孔型较为单一。这类穿孔板的吸声频段较窄,对频率选择性较强,主要集中在中低频[7],使得共振吸声材料的使用范围受到很大的限制。多孔型吸声材料大多为纤维板和发泡板,质量轻、材质疏松,材料内部存在大量彼此联通的孔隙,声波传至材料内部时,由于空气的粘滞性以及材料的传导效应,使声能不断损耗,从而起到吸声的作用。多孔材料一般在高频有较好的吸声性能,但在中低频段吸声性能较差。多孔型吸声材料生产成本较低,然而在使用过程中,这类多孔吸声结构的阻燃性能较差,强度较低[8].木材是一种天然多孔材料,不仅具有良好的装饰性,也具备良好的吸声性能[9],吸声系数最高可达 0.97[10],是理想的环保吸声材料。但是木材在生长过程中,在细胞结构和应力的作用下,木材内部绝大多数孔隙被封闭,导致声波作用在木材表面时被反射,吸声性能极不稳定[88].此外,木材结构复杂,难以量化生产,因此木材本身拥有的复杂多孔性结构未被真正应用于吸声领域。

  1.1.2 研究意义

  目前被广泛应用的多孔和共振吸声结构在吸声频率上都存在局限,多孔吸声结构在高频段有较好的吸声性能,共振结构在中低频有较好的吸声性能,未有一种吸声结构能在低频、中频、高频都有较好的吸声性能。虽然有些研究在共振吸声结构中添加了吸音棉,以提高其在高频段的吸声性能,但是单从结构方面来看,没有较好的全频段吸声结构的研究。因此,低中高全频率的吸声结构有待进一步地探索。此外,这些吸声结构材料的吸声频率都是相对固定的,并不能选择场内特定频率的声音进行吸收。据了解一些特殊的声学场所,对特定频率的声音有严格的要求,例如影剧院、音乐厅、报告厅等场所,但是目前市面上未见可定制吸声频率的结构材料。因此,可定制吸声频率的吸声结构研究也亟待展开。 本研究旨在仿生木材天然多孔结构,利用 3D 打印技术制备出一种各吸声频段都有较好吸声性能的仿生吸声结构,并探究穿孔率、孔径、孔型等因素对这种仿生结构吸声性能的影响。此外,更将定量研究影响不同频段共振频率的结构特征,并建立数学模型,为吸声频率可定制提供实验基础。本研究最终设计出一种 3D 打印仿生木材吸声结构,在一定程度上可实现定制吸声频率的要求,这将会弥补目前吸声材料定制市场的空缺,对声学材料研究具有重要意义。

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  1.2国内外研究现状
  1.2.1多孔吸声结构研究现状
  1.2.2共振吸声结构研究现状

  1.3研究目标与内容
  1.3.1研究目标
  1.3.2主要研究内容
  1.3.3技术路线

  2 3D打印仿生木材结构基本特征对吸声性能的影响研究
  2.1引言
  2.2仿生木材吸声结构的设计

  2.3仿生木材吸声结构的制备
  2.3.1实验材料
  2.3.2实验设备
  2.3.3测试方法
  2.3.43D打印仿生木材吸声结构的制备

  2.43D打印仿生木材结构基本结构特征对吸声性能的影响分析
  2.4.1填充度
  2.4.2穿孔率
  2.4.3孔径
  2.4.4侧孔深度
  2.5小结

  3上下孔径比例对3D打印仿生木材结构吸声性能的影响研究
  3.1引言
  3.2实验材料与方法
  3.2.1实验材料
  3.2.2实验设备
  3.2.3测试方法
  3.2.4变截面穿孔3D打印仿生木材结构的设计与制备

  3.3上下孔径比例对3D打印仿生木材结构吸声性能的影响分析
  3.3.1上下孔径比例对直孔结构吸声性能的影响
  3.3.2上下孔径比例对仿生木材结构吸声性能的影响
  3.4小结

  4穿孔倾斜角度对3D打印仿生木材结构吸声性能的影响研究
  4.1引言
  4.2实验材料与方法
  4.2.1实验材料
  4.2.2实验设备
  4.2.3测试方法
  4.2.4倾斜穿孔3D打印仿生木材吸声结构的设计与制备

  4.3穿孔倾斜角度对3D打印仿生木材结构吸声性能的影响分析
  4.3.1倾斜角度对直孔结构吸声性能的影响分析
  4.3.2倾斜角度对仿生木材结构吸声性能的影响分析
  4.4小结

  5 3D打印仿生木材吸声结构数学模型研究
  5.1引言
  5.2数据分析
  5.3 3D打印仿生木材结构特征与吸声频率的数学模型
  5.3.1上下孔径比例与吸声频率的数学模型
  5.3.2穿孔倾斜角度与吸声频率的数学模型
  5.4小结

6结论与建议

  6.1结论

  本研究模拟木材内部导管和纹孔的天然结构,设计并利用3D打印技术制备出了仿生木材吸声结构。利用阻抗管传递函数法探究了填充度、穿孔率、孔径、侧孔深度、上下孔径比例、穿孔倾斜角度等结构特征对3D打印仿生木材吸声结构吸声性能的影响规律,建立了上下孔径比例、穿孔倾斜角度对3D打印仿生木材吸声结构吸声性能影响规律的数学模型,为定制频率的吸声结构设计提供了研究基础。本研究主要获得以下结论:

  (1)利用3D打印技术制备的仿生木材吸声结构,在中低频范围内具有与木质穿孔板同样的吸声性能,穿孔率、孔径等因素对3D打印吸声结构的影响规律也与木质穿孔板基本一致。

  (2)在中高频范围内,3D打印仿生木材吸声结构具有木质穿孔板所不具备的良好吸声性能。穿孔倾斜角度为30°的3D打印仿生木材吸声结构在5992Hz处吸声系数峰值可达0.93,共振频率跨度1900Hz.

  (3)上下穿孔比例对3D打印仿生木材吸声结构的吸声性能具有较大影响。在50-600Hz的中低频范围内,随3D打印仿生木材吸声结构主孔上下穿孔比例的升高,共振频率向低频方向移动,吸声系数峰值升高。在3500Hz左右的中高频范围内,随主孔上下穿孔比例的升高,共振频率基本不变,吸声系数峰值降低。

  (4)穿孔倾斜角度对3D打印仿生木材吸声结构的吸声性能具有显着影响。在50-600Hz的中低频范围内,随倾斜角度增大,3D打印仿生木材吸声结构的共振频率向低频方向移动,吸声系数峰值呈上升趋势;在3500Hz左右的中高频范围内,有共振频率但其吸声性能较差;在4000Hz-6400Hz的中高频范围内,随穿孔倾斜角度增大,3D打印仿生木材吸声结构的共振频率向低频方向移动。

  (5)根据3D打印仿生木材吸声结构的不同结构特征对吸声性能的影响规律,分别建立了上下孔径比例与共振频率的数学模型:y=-167x+501(频率范围:50-600Hz);穿孔倾斜角度与共振频率的的数学模型:y=-167x+501(频率范围:50-600Hz),y=-0.79x2+16.8x+6168(频率范围:4000-6400Hz)。

  6.2创新点

  (1)本研究根据木材天然多孔吸声结构,设计出仿生吸声结构,并利用3D打印技术解决了传统加工方式无法加工复杂孔型的问题。

  (2)3D打印仿生木材吸声结构在中低频与中高品都具有良好的吸声性能,优于传统的木质吸声结构,尤其是在高频处的高吸声性能,是木制吸声板无法企及的。

  (3)建立了3D打印仿生木材吸声结构特征与吸声频率的数学模型,为频率定制吸声结构设计奠定数据基础。

  6.3建议

  根据目前取得的研究成果,对3D打印仿生木材吸声结构今后的进一步研究,提出以下两点建议:

  (1)本论文采用的3D打印材料为ABS,希望在今后的研究中尝试使用其他3D打印材料,探究是否能产生更好的吸声性能。

  (2)本论文利用3D打印技术制备出吸声性能良好的的仿生木材吸声结构,由于3D打印技术的效率较低、成本较高,希望以后能开发出一种新的加工方式,可以有效提高生产效率同时降低生产成本。

  参考文献

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