Проектирование звукопоглощающих сотовых материалов с геометрией трижды периодических поверхностей минимальной энергии (ТППМЭ)

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Предложено использование сотовых материалов с геометрией трижды периодических поверхностей минимальной энергии (ТППМЭ) для создания прочных сотовых материалов с управляемыми акустическими характеристиками. Были разработаны однородные элементарные ячейки с топологией Primitive, Diamond, FRD и Gyroid разной пористости и определены их акустические параметры. С использованием полуфеноменологической модели Джонсона-Шампу-Алларда-Лафаржа-Прайда была оценена звукопоглощающая способность материалов с данной геометрией. Было показано, что, варьируя размер элементарной ячейки и толщину образца, можно управлять акустическими характеристиками и средним коэффициентом звукопоглощения в диапазоне от 0.2 до 0.8. Достоверность расчетов подтверждена экспериментально с использованием аддитивно изготовленных образцов. Полученные результаты демонстрируют потенциал применения ТППМЭ для создания материалов с контролируемой геометрией пор для достижения предсказуемых характеристик звукопоглощения.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Е. И. Сысоев

Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН; Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ”

Автор, ответственный за переписку.
Email: jsysev@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

М. М. Сычев

Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН; Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

Email: jsysev@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

Л. Н. Шафигуллин

Казанский федеральный университет

Email: jsysev@gmail.com
Россия, Казань

С. В. Дьяченко

Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН; Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

Email: jsysev@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Tao Y., Ren M., Zhang H., Peijs T. Recent progress in acoustic materials and noise control strategies – A review // Appl. Mater. Today. 2021. V. 24. P. 101141. https://doi.org/10.1016/j.apmt.2021.101141
  2. Ashby M.F., Evans T., Fleck N.A., Hutchinson J.W., Wadley H.N.G., Gibson L.J. Metal foams: a design guide. Boston: Elsevier, 2000. 272 p.
  3. Costanza G., Solaiyappan D., Tata M.E. Properties, Applications and Recent Developments of Cellular Solid Materials: A Review // Materials. 2023. V. 16. № 22. P. 7076. https://doi.org/10.3390/ma16227076
  4. Akiwate D.C., Date M.D., Venkatesham B., Suryakumar S. Acoustic properties of additive manufactured narrow tube periodic structures // Appl. Acoust. 2018. V. 136. P. 123–131. https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2018.02.022
  5. Peng X., Ji J., Jing Y. Composite honeycomb metasurface panel for broadband sound absorption // J. Acoust. Soc. Am. 2018. V. 144. № 4. P. EL255–EL261. https://doi.org/10.1121/1.5055847
  6. Xie S., Yang Sh., Yang Ch., Wang D. Sound absorption performance of a filled honeycomb composite structure // Appl. Acoust. 2020. V. 162. P. 107202. https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2019.107202
  7. Li X., Chua J.W., Yu X., Li Z., Zhao M., Wang Z., Zhai W. 3D‐Printed Lattice Structures for Sound Absorption: Current Progress, Mechanisms and Models, Structural‐Property Relationships, and Future Outlook // Adv. Sci. 2024. V. 11. № 4. P. 2305232. https://doi.org/10.1002/advs.202305232
  8. Wang Y., Li C., Chen X., Zhang C., Jin Q., Zhou G., Wang C., Zhao W. Sound absorption performance based on auxetic microstructure model: A parametric study // Mater. Des. 2023. V. 232. P. 112130. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.112130
  9. Deshmukh S., Ronge H., Ramamoorthy S. Design of periodic foam structures for acoustic applications: Concept, parametric study and experimental validation // Mater. Des. 2019. V. 175. P. 107830. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.107830
  10. Yang W., An J., Chua C.K., Zhou K. Acoustic absorptions of multifunctional polymeric cellular structures based on triply periodic minimal surfaces fabricated by stereolithography // Virtual Phys. Prototyp. 2020. V. 15. № 2. P. 242–249. https://doi.org/10.1080/17452759.2020.1740747
  11. Kushwaha B., Dwivedi K., Ambekar R.S., Pal V., Jena D.P., Mahapatra D.R., Tiwary C.S. Mechanical and Acoustic Behavior of 3D‐Printed Hierarchical Mathematical Fractal Menger Sponge // Adv. Eng. Mater. 2021. V. 23. № 4. P. 2001471. https://doi.org/10.1002/adem.202001471
  12. Opiela K.C., Zieliński T.G. Microstructural design, manufacturing and dual-scale modelling of an adaptable porous composite sound absorber // Compos. B: Engineering. 2020. V. 187. P. 107833. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.107833
  13. Li Z., Li X., Chua J.W., Lim C.H., Yu X., Wang Z., Zhai W. Architected lightweight, sound-absorbing, and mechanically efficient microlattice metamaterials by digital light processing 3D printing // Virtual Phys. Prototyp. 2023. V. 18. № 1. P. e2166851. https://doi.org/10.1080/17452759.2023.2166851
  14. Shevchenko V.Y., Sychev M.M., Lapshin A.E., Lebedev L.A., Gruzdkov A.A., Glezer A.M. Polymer Structures with the Topology of Triply Periodic Minimal Surfaces. Glass Phys. Chem. 2017. V. 43. P. 608–610. https://doi.org/10.1134/S1087659617060177
  15. Shevchenko V.Y., Balabanov S.V., Sychev M.M., Karimova L. Prediction of Cellular Structure Mechanical Properties with the Geometry of Triply Periodic Minimal Surfaces (TPMS) // ACS Omega. 2023. V. 8. № 30. P. 26895–26905. https://doi.org/10.1021/acsomega.3c01631
  16. Arsentev M.Yu., Sysoev E.I., Makogon A.I., Balabanov S.V., Sychev M.M., Hammouri M.H., Moshnikov V.A. High-Throughput Screening of 3D-Printed Architected Materials Inspired by Crystal Lattices: Procedure, Challenges, and Mechanical Properties // ACS Omega. 2023. V. 8. № 28. P. 24865–24874. https://doi.org/10.1021/acsomega.3c00874
  17. Zhang M., Liu C., Deng M., Li Y., Li J., Wang D. Graded Minimal Surface Structures with High Specific Strength for Broadband Sound Absorption Produced by Laser Powder Bed Fusion // Coatings. 2023. V. 13. № 11. P. 1950. https://doi.org/10.3390/coatings13111950
  18. Бобровницкий Ю.И., Томилина Т.М. Поглощение звука и метаматериалы (обзор) // Акуст. журн. 2018. Т. 64. № 5. С. 517–525. https://doi.org/10.1134/S1063771018040024
  19. Агафонов А.А., Коробов А.И., Изосимова М.Ю., Кокшайский А.И., Одина Н.И. Особенности распространения волн Лэмба в клине из АБС-пластика с параболическим профилем // Акуст. журн. 2022. Т. 68. № 5. С. 467–474. https://doi.org/10.1134/S1063771022050025
  20. Писарев П.В., Паньков А.А., Аношкин А.Н., Ахунзянова К.А. Моделирование акустических процессов взаимодействия ячеек звукопоглощающих конструкций авиационных двигателей // Акуст. журн. 2023. Т. 69. № 6. С. 745–755. https://doi.org/10.1134/S1063771023600912
  21. Володарский А.Б., Кокшайский А.И., Одина Н.И., Коробов А.И., Михалев Е.С., Ширгина Н.В. Экспериментальные исследования влияния 3D-печати при 100% заполнении на упругие свойства нитевидных образцов полимера PLA // Акуст. журн. 2023. Т. 69. № 4. С. 410–416. https://doi.org/10.1134/S1063771022600693
  22. He W., Liu M., Peng X., Xin F., Lu T.J. Sound absorption of petal shaped micro-channel porous materials // Phys. Fluids. 2021. V. 33. № 6. P. 063606. https://doi.org/10.1063/5.0053059
  23. Zieliński T.G., Dauchez N., Boutin T., Leturia M., Wilkinson A., Chevillotte F., Bécot F., Venegas R. Taking advantage of a 3D printing imperfection in the development of sound-absorbing materials // Appl. Acoust. 2022. V. 197. P. 108941. https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2022.108941
  24. Feng J., Fu J., Yao X., He Y. Triply periodic minimal surface (TPMS) porous structures: From multi-scale design, precise additive manufacturing to multidisciplinary applications // Int. J. Extreme Manuf. 2022. V. 4. № 2. P. 022001. https://doi.org/10.1088/2631-7990/ac5be6
  25. Allard J.F., Atalla N. Propagation of Sound in Porous Media: Modelling Sound Absorbing Materials, Second Edition. Wiley, 2009. 376 p.
  26. Opiela K.C., Zieliński T.G., Attenborough K. Limitations on validating slitted sound absorber designs through budget additive manufacturing // Mater. Des. 2022. V. 218. P. 110703. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110703
  27. Levi E., Sgarbi S., Piana E.A. Acoustic Characterization of Some Steel Industry Waste // Materials. Appl. Sci. 2021. V. 11 № 13. P. 5924. https://doi.org/10.3390/app11135924
  28. Al‐Ketan O., Abu Al‐Rub R.K. Multifunctional mechanical metamaterials based on triply periodic minimal surface lattices // Adv. Eng. Mater. 2019. V. 21. № 10. P. 1900524. https://doi.org/10.1002/adem.201900524
  29. Zieliński T.G., Venegas R., Perrot C., Cervenka M., Chevillotte F., Attenborough K. Benchmarks for microstructure-based modelling of sound absorbing rigid-frame porous media. // J. Sound Vib. 2020. V. 483 P. 115441. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2020.115441
  30. Zieliński T.G. Microstructure-based calculations and experimental results for sound absorbing porous layers of randomly packed rigid spherical beads // J. Appl. Phys. 2014. V. 116. № 3. P. 034905. https://doi.org/10.1063/1.4890218
  31. Al‐Ketan O., Abu Al‐Rub R.K. MSLattice: A free software for generating uniform and graded lattices based on triply periodic minimal surfaces // Mater. Des. Process. Commun. 2021. V. 3. № 6. P. e205. https://doi.org/10.1002/mdp2.205
  32. International Organization for Standardization. ISO 10534-2, Acoustics-Determination of Sound Absorption Coefficient and Impedance in Impedance Tubes-Part 2: Transfer-Function Method // International Organization for Standardization. — 1998.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. (а) — Процесс моделирования элементарной ячейки ТППМЭ с геометрией Primitive; (б) — 3D модели пор с разной геометрией ТППМЭ и параметром t

Скачать (195KB)
Метаданные
3. Рис. 2. (а) — Спроектированные модели звукопоглощающих материалов с различной геометрией ТППМЭ; (б) — напечатанные образцы по технологии LCD

Скачать (284KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Схема импедансной трубы: 1 — источник звука; 2 — микрофоны; 3 — звукопоглощающий материал; 4 — плоская волна; 5 — жесткая заглушка

Скачать (79KB)
Метаданные
5. Рис. 4. (а) — Контуры поля статической проницаемости, (б) — контуры поля напряженности и (в) — контуры теплового поля внутри поры с геометрией Gyroid

Скачать (223KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость акустических параметров модели JCALP от пористости для каждой структуры ТППМЭ: (а) — зависимость пористости элементарной ячейки от параметра t, зависимость (б) — статической вязкой и (в) — тепловой проницаемости от пористости, зависимость (г) — вязкой, (д) — тепловой и (е) — динамической извилистости от пористости, зависимость (ж) — вязкой и (з) — тепловой характеристических длин от пористости

Скачать (587KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Контурный график коэффициента звукопоглощения в зависимости от частоты и параметра t для структур ТППМЭ с геометрией (а) — Primitive, (б) — Diamond, (в) — FRD, (г) — Gyroid, (д) — характер звукопоглощения исследуемых геометрий при t = 0; (е) — зависимость среднего коэффициента звукопоглощения от пористости структуры ТППМЭ

Скачать (581KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимость среднего коэффициента звукопоглощения от (а) — толщины образца и (б) — параметра элементарной ячейки ТППМЭ

Скачать (154KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Сравнение экспериментальных и рассчитанных численно зависимостей коэффициента звукопоглощения напечатанных образцов

Скачать (159KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024