声学超材料及其增材制造方法与流程

本发明涉及声学超材料及其制造领域。

背景技术：

1、声吸收器具有广泛的应用。特别地，这些应用包括航空，在航空应用中，这样的元件用于至少部分地吸收航空发动机所产生的噪声并由此减少其向外部环境的传输。涡轮风扇发动机是最常见的航空发动机之一。一种涡轮风扇发动机包括风扇和燃气发生器，该燃气发生器至少包括压缩机、燃烧室、涡轮和喷嘴。因此，由这样的涡轮风扇发动机产生的总噪声可以包括喷射噪声、燃烧噪声、风扇噪声、压缩机噪声和涡轮噪声。然而，最主要的噪声通常是风扇发出的噪声，其可以延及到较宽的频带上，如图16所示，其中音调分量对应于风扇叶片的通过频率。为了提高涡轮风扇发动机的能效，总的趋势是增加它们的旁通比(即，由风扇驱动的气流相较于燃气发生器中用于燃烧的气流的比例)，并因此增大风扇的直径。因此，最新一代涡轮风扇发动机的风扇往往旋转得更慢，并因此以较低的频率发出噪声。

2、因此，为了减少航空发动机发出的噪声，通常会用声吸收器(诸如蜂窝夹芯板)覆盖某些区域(诸如容纳这些发动机的舱)。在这种类型的声吸收器中，蜂窝中的每个小室都可以作为亥姆霍兹谐振器(helmholtz resonator)来衰减噪声。然而，这样的吸收器的声学衰减的频率范围是有限的，并且为了在低频下有效，它们必定特别笨重，因为这对于极高旁通比涡轮风扇发动机而言使得要覆盖的表面会非常大，所以甚至更为不利。

3、因此，作为蜂窝夹芯板的一种替代方案，已经提出使用多孔材料，其各个孔隙充当亥姆霍兹谐振器。然而，大多数可用的多孔材料具有太低的机械强度，而最为结实的材料(诸如例如us 7,963,364 b2中公开的金属材料)过于沉重。此外，它们仅在共振频率下提供显著衰减，而不能在宽频率范围内吸收噪声。

4、z.liu、j.zhan、m.fard和j.l.davy在《材料快报(material letters)》第181卷第296-299页(2016年10月)的“通过增材制造生产的多孔聚碳酸酯材料的声学特性(acousticproperties of a porous polycarbonate material produced by additivemanufacturing)”中提出了将增材制造用于生产包括微通道在内的声吸收器。然而，这些声吸收器也只有相当窄的吸收频率范围。

5、例如qian,y.j.、kong,d.y.、liu,s.m.、sun,s.m.和zhao,z.在《应用声学(appliedacoustics)》第74(7)卷第931-935页(2013年)的“具有超微细穿孔的微穿孔板吸收器的研究(investigation on micro-perforated panel absorber with ultra-microperforations)”中提出了使用微穿孔板作为声吸收器。为了拓宽声吸收的频率范围，liu,z.、zhan,j.、fard,m.和davy,j.在《应用声学(applied acoustics)》第121卷第25-32页(2017年)的“具有3d打印微穿孔板的多层声吸收器的声学特性(acoustic properties ofmultilayer sound absorbers with a 3d printed micro-perforated panel)”中以及yang,w.、bai,x.、zhu,w.、kiran,r.、an,j.、chua,c.k.和zhou,k.在《聚合物(polymers)》第12(2)卷第360页(2020年)的“用于可调谐宽带声吸收的聚合物多层微穿孔板的3d打印(3dprinting of polymeric multi-layer micro-perforated panels for tunablewideband sound absorption)”中还提出将若干这样的板叠加并通过增材制造来生产它们。然而，这些相对脆弱的声吸收器似乎很难应用于它们将会受到磨损或其他机械应力的环境(诸如特别是航空发动机的舱)中。

6、在法国专利申请公开fr 1 761 722以及guild,m.d.、rohde,c.、rothko,m.c.和sieck,c.f.在“欧洲噪声研讨会(proceedings of euronoise)”(2018年)的“使用功能梯度式声波晶体的3d打印声学超材料声吸收器(3d printed acoustic metamaterial soundabsorbers using functionally-graded sonic crystals)”中提出了通过增材制造生产的具有在厚度方向上叠加的多个层的超材料。声学超材料可以理解为周期性结构介质，其周期性重复的组成单元共同影响声波的通过。在上述超材料的情况下，每个叠加的层可以具有周期性不同的格构以便拓宽其衰减频率范围。

技术实现思路

1、在第一方面，本公开意在提出一种声学超材料，该声学超材料将高水平的声吸收与良好的机械强度(包括磨损性)相结合。该声学超材料可以包括多个通道，每个通道具有水力半径在5μm到300μm之间的相同横截面，这些通道以2μm到600μm之间的相邻通道之间的周期性间隔布置。因此，可以获得高密度的声学微通道阵列，其可以在宽频带上提供最佳的声吸收和/或声阻抗，并且至少在某些低频处(诸如那些在高和极高旁通比涡轮风扇发动机的风扇的发射光谱中占主导地位的频率处)具有最大的吸收。

2、这些通道可以具有大致多边形的横截面，例如三角形、正方形、矩形或六边形的横截面。“大致多边形”是指横截面的角由于制造限制而可以进行圆角化处理。然而，横截面也可以是大致圆形或椭圆形。“大致圆形或椭圆形”是指横截面的轮廓同样由于制造限制而也可以具有平点。

3、为了拓宽其声吸收频带，声学超材料可以包括若干组多个通道，各组多个通道具有不同的横截面和/或通道的周期性间隔。特别地，这些不同的多个通道可以在超材料的厚度方向上布置在直接相邻的层中，使得声学超材料包括在厚度方向上叠置的若干个层，各个层包括具有不同横截面和/或周期性通道间隔的多个通道。然而，也可以在垂直于超材料的厚度方向的平面中改变横截面和/或通道间隔。

4、为了在不增加声学超材料的厚度的情况下增加通道的长度，通道中的一个或更多个通道可以相对于超材料的厚度方向倾斜，并且特别地是螺旋形的。可替代地或附加地，它们可以被弯曲以增加它们的长度。

5、本发明的第二方面涉及第一方面的声学超材料的增材制造方法。该增材制造方法可以包括若干个连续的材料沉积步骤，以在各步骤中形成包括由壁分隔的多个周期性重复的小室的层。在连续的材料沉积步骤中沉积而成的层可以叠置，它们各自的小室对准以形成通道。

6、在根据该第二方面的方法中使用的材料可以包括热塑性聚合物，因此可以通过熔丝沉积进行沉积，以便允许制造足够精细的结构。然而，可替代地，在该方法中使用的材料可以包括热固性树脂，则可以通过该热固性树脂的挤出而以类似于熔丝沉积的方式进行材料的沉积。为了机械地增强声学超材料，在该方法中使用的材料除了热塑性聚合物或热固性树脂之外还可以包括悬浮固体颗粒，诸如特别是纤维，更特别是碳纤维。也可以是其他类型的固体颗粒，诸如特别是纳米颗粒或微珠，特别是由二氧化硅制成的。由于这些固体颗粒，声学超材料将能够具有显著的机械强度和耐热性以及耐磨性。

7、本公开的第三方面涉及另一种用于制造声学超材料的方法，该方法还将高水平的声吸收与良好的机械强度(包括磨损性)相结合。在该用于制造声学超材料的方法的第一增材制造步骤中，可以通过沉积多个叠置的层来制造模具，所述叠置的层中的每一个层都可以包括由壁分隔的多个周期性重复的小室，该多个叠置的层的小室可以被对准以形成通道。在该方法的第二步骤中，可以用流体材料填充通道，然后可以在去除模具之前使流体材料固化。

8、通过遵循此第三方面的方法，可以生产包括高度密集的周期性排列的柱的超材料，其也可以在宽频带上提供最佳的声吸收和/或声阻抗，并且至少在某些低频处(诸如那些在高和极高旁通比涡轮风扇发动机的风扇的发射频谱中占主导地位的频率处)具有最大吸收。

9、中空的小室特别是可以具有在5μm到300μm之间的水力半径，以便在声学超材料中获得相应宽度的柱，而壁可以具有在2μm到600μm之间的最小宽度，以由此在柱之间获得相应的横向距离。利用这些尺寸，可以获得在包括高和极高旁通比涡轮风扇发动机的风扇的发射频谱中的主导频率的宽频率范围内具有最佳吸收和声阻抗的声学晶体。

10、模具通道可以具有在1mm和150mm之间的长度，以便获得相应高度的柱。因此，通过该方法获得的声学超材料可以具有几乎不大于该长度的厚度，从而有利于其集成，特别是在航空发动机中及其周围。

11、小室可以是大致多边形、圆形或椭圆形，以便在所得的声学超材料中获得具有相同横截面的柱。也可以将不同形状的小室组合在同一模具中、甚或在模具的同一层中。

12、此外，在叠置的层中，不同层的小室的形状和/或大小可以不同，以便在通道的长度上改变通道的横截面并由此改变柱的横截面，特别是为了优化声学超材料在若干频带处的声学响应。

13、模具还可以包括通道之间的一个或更多个横向导管，以便在它们以流体材料填充以及流体材料的固化期间，在声学超材料的柱之间形成间隔结构和其他横向增强件。

14、为了便于去除模具的步骤，其可以由水溶性材料制成，该水溶性材料包括例如聚乙烯醇(pva)、丁二醇和乙烯醇的共聚物(bvoh)或聚乳酸(pla)。去除模具的步骤然后可以通过沥滤、特别是通过在超声波浴中沥滤来进行。

15、为了允许制造足够精细的结构，模具的增材制造可以通过沉积挤出材料的丝材、特别是通过熔丝沉积方法来进行。因此，用于制造模具的材料可以包括热塑性聚合物，但也可以是热固性树脂。

16、在模具填充步骤中使用的流体材料可以包括树脂(诸如例如环氧树脂)，则固化模具材料的步骤包括树脂的聚合。这种聚合反应可以被热活化和/或热加速，但是其他活化手段(例如通过紫外线)也是可以的。此外，也可以在填充步骤中使用熔融的热塑性聚合物作为流体材料。

17、为了机械地增强所得到的声学超材料，流体材料可以包括悬浮的固体颗粒，诸如特别是二氧化硅微珠或纳米颗粒、或纤维(特别是碳纤维)。

18、本公开的第四方面涉及通过第三方面的制造方法制造的且包括从公共基底延伸的多个柱的声学超材料。

19、最后，本公开的第五方面涉及涡轮机，特别是诸如涡轮风扇发动机的燃气涡轮发动机，其包括第一方面或第四方面的声学超材料作为声吸收器。特别地，在涡轮风扇发动机中，声学超材料可以集成到限定风扇气流路径的壁中和/或集成到燃气发生器壳体中。