華中科技大学の石宇勝教授のチーム：適応型低周波音吸収性能を備えた3Dプリントの超薄型メタマテリアル

出典: 中国機械工学ジャーナル

引用論文

Junxiang Fan、Lei Zhang、Xiaobo Wang、Zhi Zhang、Shuaishai Wei、Bo Song、Aiguo Zhao、Xiao Xiang、Xuefeng Zhu、Yusheng Shi。適応性のある低周波吸収性能を備えた3Dプリントされた超薄型音響メタマテリアル。中国機械工学ジャーナル：積層造形最前線、2022年、1(3)。

https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2022.100036.

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研究の背景と目的

多孔質材料などの従来の吸音材では、良好な低周波ノイズ吸収効果を得るためにはかなりの厚さが必要であり、実際に適用するのは困難です。音響メタマテリアルは、動作波長よりもはるかに小さいサイズで低周波ノイズを完全に吸収できますが、音響吸収帯域幅が狭いという問題があります。本研究では、適応型吸音性能を備えた超薄型吸音メタマテリアルを設計しました。外部の騒音環境に応じて厚さを調整することで、対応する吸音性能が得られ、吸音帯域幅が狭いという問題を解決します。

図1 (a) デュアル結合音響チャネル吸音メタマテリアルの構造の概略図、(b) カール空間の上面図、(c)-(d) 吸音メタマテリアルの初期状態と深さ変更後の画像

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論文のハイライト

a) 設計された吸音メタマテリアルの厚さは、動作波長のわずか 1/50 です。

b) 作製した吸音メタマテリアルは、外部の騒音環境に応じて吸収周波数を動的に調整することができます。

c) 複数の吸音メタマテリアルユニットセルを配列することにより、広帯域の吸音を実現します。

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試験方法

a) 3D プリント: 吸音メタマテリアルサンプルは、熱溶解積層法 (FDM) によりポリ乳酸 (PLA) を使用して形成されました。

b) 有限要素解析：マルチフィジックス有限要素解析ソフトウェア COMSOL Multiphysics を使用して、吸音メタマテリアルの吸音性能、音圧場、粒子速度場、音響インピーダンスを解析しました。選択されたマルチフィジックスフィールドは、圧力音響 - 熱粘性音響マルチフィジックスフィールドです。

c) 吸音試験：音響インピーダンスチューブを使用して、吸音メタマテリアルの吸音性能をテストしました。

d) 微細構造: 3D プリントされた吸音メタマテリアルサンプルの微細構造を光学顕微鏡を使用して観察しました。私たちは主に、AAM の製造精度と吸収特性に大きな影響を与える穴とスペーサーの近くの領域を観察しました。

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結果

1 つのユニットセルに 2 つの音響チャネルを結合すると、181 Hz と 306 Hz に 2 つの吸収ピークが現れました。与えられたパラメータの下で、適応型吸音メタマテリアルの深さは 10 mm から 20 mm まで調整可能で、深さが増すにつれて、吸音周波数は徐々に低下します。対応する 2 つの吸音ピークの吸音周波数は、それぞれ 206 Hz から 179 Hz と 379 Hz から 298 Hz に低下し、変化範囲はそれぞれ 27 Hz と 81 Hz です。さらに、異なる吸音特性を持つ4つのメタマテリアルユニットを組み合わせることで、2つの吸音帯域の吸音帯域幅がそれぞれ288%と470%増加しました。

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結論は

本研究では、構造設計により適応型吸音特性を有する超薄型吸音メタマテリアルを提案し、3Dプリント技術を用いてメタマテリアルサンプルを形成した。与えられたパラメータの下では、メタマテリアルの深さは 10 mm から 20 mm まで調整でき、対応する 2 つのピーク吸収周波数はそれぞれ 27 Hz と 81 Hz の変化で 206 Hz から 179 Hz と 379 Hz から 298 Hz に低下します。さらに、2つのチャンネルを1つのユニットに結合し、限られたスペースでより広い吸収帯域幅を実現します。吸音性能の異なるユニットを4つ組み合わせることで、2つの吸音帯域の吸音帯域幅がそれぞれ288%と470%増加しました。

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展望と応用

適応型吸音性能を備えた提案されたメタマテリアルは、スマートデバイスに大きな応用可能性を秘めています。周波数ノイズ周波数検出器と組み合わせることで、提案された吸音メタマテリアルは、特定の周波数帯域内の音波を選択的かつインテリジェントにフィルタリングすることができ、音響工学の分野で幅広い応用の見通しを持っています。

チームリーダー紹介

石宇勝氏は華中科技大学の華中学者リーダーシップポストの名誉教授です。国家付加製造標準化技術委員会の特殊材料ワーキンググループの副委員長、中国航天科技集団の付加製造プロセス技術センターの専門委員会の主任、国家および地方のデジタル材料処理技術および設備の共同エンジニアリング実験室（湖北）の主任、中国機械工学会の付加製造部門および特殊処理部門の副委員長、湖北3Dプリント連盟の会長も務めています。国家科学技術進歩賞準賞2回、国家技術発明賞準賞1回、中国科学技術進歩トップ10、中国インテリジェント製造科学技術進歩トップ10、省・部署レベルの一等賞10回、省・部署レベルの二等賞8回、発明・起業家精神特別賞、現代発明家賞、全国優秀科学技術労働者トップ10推薦賞、国務院政府特別手当、武漢科学技術重要貢献賞個人賞、湖北省五一労働勲章などの賞を受賞。彼が率いるチームは湖北省と教育省のイノベーションチームに選ばれました。

著者について

宋波（本論文の責任著者）は、2019年に中国国家自然科学基金優秀若手学者、2022年に機械産業科学技術イノベーションリーダー人材を受賞し、2021年には米国スタンフォード大学で世界の科学者の上位2％に選ばれました。華中科技大学科学発展学院長補佐、教育部共同基金イノベーションチームプロジェクトリーダー、中央軍事委員会科学技術委員会国防イノベーションゾーン「4Dプリント技術」テーマ専門家。彼は 12 誌の編集委員および客員編集者を務めています。 Materials Today、Acta Materialiaなどの雑誌に100本以上のSCI論文が掲載され、SCI引用回数は6,000回以上、表紙論文2本、ESI高引用論文5本、注目論文1本、Journal of Mechanical Engineeringの2021 Excellent Papers、Journal of Mechanical Engineeringの2020 High Impact Papers（10本の論文のうちの1本）、40年間の電気加工技術と金型に関する論文100本などを受賞しています。彼は、積層造形に関連する 3 つの国家標準の策定に参加し、30 件を超える発明特許を認可し、4 つの学術論文を編集しました (そのうち 2 つは ELSEVIER によって英語で出版されました)。国内外の20以上の学術会議で共同議長や招待講演者を務めている。「第1回全国4Dプリンティングフォーラム」シリーズの会議を主催（2017年以降6回のセッションを開催）。当該成果は、湖北省科学技術発明一等賞（第5位）、2022年機械工業科学技術二等賞（第1位）、2022年中国非鉄金属分野トップ10進歩の一つ（第1位）、2021年生産性促進（革新と発展）二等賞（第1位）を受賞した。積層造形メタマテリアルに関する理論的成果が中国国家自然科学基金のウェブサイトで発表され、金属積層造形粉末の設計、製造、産業化が武漢経済技術開発区未来イノベーション研究所の第一陣パイロットプロジェクトとして承認された。

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