一种中低频吸声结构件及其制备方法

摘要

本发明公开了一种中低频吸声结构件及其制备方法，包括由高分子材料通过熔融沉积3D打印成型的结构件，所述结构件内设有若干用于吸收中低频声波的穿孔；所述穿孔的横截面为锯齿状。采用三维建模软件对吸声结构内部多级穿孔的孔径、角度以及数量进行设计；同时通过挤出成型设备制造出高分子丝状打印耗材，最后以丝状耗材为原料，利用3D打印机加工成型出具有不同斜穿角度和级数的吸声结构件。本发明的结构可以提高声波在材料内部的反射，增强吸声性能，制备方法简单易行、生产周期短，通过调整吸声结构的穿孔率、孔径大小、倾斜角度和斜穿级数等特征参数，可有效控制共振吸声峰频率以及强度，获得性能优异的中低频吸声结构件，便于大规模生产与应用。

权利要求

1.一种中低频吸声结构件，其特征在于：包括由高分子材料通过熔融沉积3D打印成型的结构件(1)，所述结构件内设有若干用于吸收低频率声波的穿孔(2)；所述穿孔(2)的横截面为锯齿状；

所述锯齿状为多级长度相等的孔道(21)以相同折叠角度排列形成，所述孔道的直径D为1.5 2.0mm，相邻孔道之间的夹角α为30 60°。

~ ~

2.根据权利要求1所述的中低频吸声结构件，其特征在于：所述穿孔(2)在结构件内均匀或非均匀排布，所述结构件(1)的穿孔率为7.6 33%。

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3.根据权利要求1所述的中低频吸声结构件，其特征在于：所述穿孔(2)的内壁为粗糙结构，通过熔融沉积3D打印成型方法调控内壁的粗糙度。

4.根据权利要求1所述的中低频吸声结构件，其特征在于：所述高分子材料包括聚乳酸、丙烯腈‑丁二烯‑苯乙烯塑料、聚碳酸酯或聚丙烯中的任一种。

5.根据权利要求1所述的中低频吸声结构件，其特征在于：所述结构件为圆柱形、立方柱形、球形或椭球形。

6.一种权利要求1‑5任一项所述的中低频吸声结构件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1) 先通过三维建模软件对吸声结构件内部穿孔的直径、弯折角度以及数量进行设计；

2) 然后通过挤出成型制备高分子丝状打印耗材；

3) 最后以丝状耗材为原料利用3D打印机加工成型出具有不同斜穿角度和级数的中低频吸声结构件。

7.根据权利要求6所述的中低频吸声结构件的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，挤出成型的具体步骤为：将高分子原料粉末与增韧剂混合均匀，在30 50℃下烘干2 3 h后，~ ~倒入挤出设备的进料口，加热至熔融状态并通过挤出丝状打印耗材；其中加热温度在170~

180 ℃，挤出设备螺杆的旋转速度为45‑65 r/min。

8.根据权利要求7所述的中低频吸声结构件的制备方法，其特征在于：所述高分子原料粉末与增韧剂的质量比为9：1   9.6：0.4。

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9.根据权利要求6所述的中低频吸声结构件的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，

3D打印机参数的具体设置为：打印速度30 60mm/s，填充密度20 50%，打印温度190 210℃，~ ~ ~平台温度50 55℃。

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说明书

一种中低频吸声结构件及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于一种吸声构件及制备方法，具体涉及一种利用熔融沉积成型3D打印制备具有多级斜孔的中低频吸声结构件。

背景技术

[0002] 噪声污染作为一种物理性污染，广泛存在于建筑工地、汽车以及高铁等，对人类的生活造成严重的危害，其中频率越低，噪音在波腹中的振幅最强，对人的健康危害最重。根据吸声机制的不同，吸声材料可分为共振型吸声结构材料以及多孔吸声材料两大类。多孔吸声材料内部有许多微观细孔直通材料表面或其内部有许多相互连通的气泡，由于粘滞性和热传导效应可将声能转变为热能而耗散。多孔吸声材料在中高频有较好的吸声性能，然而中低频吸声性能一般都较差。马大猷等人提出的一种共振吸声材料微穿孔板吸声结构，采用板厚、孔径均在1mm以下，穿孔率为1% 3%的薄金属板与背后空气层组成微穿孔板吸声~结构，在吸声系数和吸声频带方面皆显著优于传统的穿孔板。但是在用其吸收较低频率声波时，需要结构有20cm以上的空腔深度，这将显著制约它的应用效果。因而，研制出一种中低频吸声性能良好的材料迫在眉睫。

发明内容

[0003] 发明目的：本发明的目的在于提供一种在不增加材料体积或厚度的条件下提高低频区域吸声系数的吸声结构件；本发明的第二目的在于提供一种使用熔融沉积成型3D打印制备多级斜孔吸声结构件的方法。

[0004] 技术方案：本发明的一种中低频吸声结构件，包括由高分子材料通过熔融沉积3D打印成型的结构件，所述结构件内设有若干用于吸收低频率声波的穿孔；所述穿孔的横截面为锯齿状。

[0005] 上述的技术方案中，中低频声波的频段为100 1000Hz，通过设置锯齿状的穿孔，可~以在不改变吸收体结构件厚度的情况下，使得有效空腔深度增加，增加的空气柱提高了声波与孔壁之间的摩擦，使得声波进入板内损耗增多，吸声系数峰值随之增加，吸收频率向着低频移动；锯齿状的穿孔还可以改变背衬空腔内声波的传播路径，使得背衬空腔内形成多个共振腔，多个共振腔的共振频率不同会形成多个小共振峰值，进一步提高了吸声系数；除此之外，锯齿状的穿孔可以增加声波在空腔内部的反射次数有效地提高了声波在空气中的衰减路程，从而提高吸声性能。

[0006] 进一步的，为了便于3D打印参数设计以及降低打印过程的误差，所述锯齿状为多级长度相等的孔道以相同折叠角度排列形成，所述孔道的直径为1.5 2.0mm，相邻孔道之间~的夹角为30 60°。由于锯齿结构中孔道的长度相等且相邻孔道的夹角也相等，保证声波在~
穿孔中始终以互相垂直的方向传递，有效延长往复振荡空气柱长度，以及增加声波在材料内部的反射，从而提高低频吸声系数。锯齿状也不局限于这种等长的结构，还可以是不等长的孔道折叠排列，或者是将穿孔的截面设计为波浪形或具有曲面的S形结构。

[0007] 进一步的，所述穿孔在结构件内均匀或非均匀排布，所述结构件的穿孔率为7.6~33%。穿孔率实际上是指结构件横截面上穿孔的截面积总和与横截面总面积的比值，穿孔率直接影响结构件对不同频段声波的吸收效果。

[0008] 进一步的，所述穿孔的内壁为粗糙结构，通过熔融沉积3D打印成型方法调控内壁的粗糙度。利用3D打印技术，在切片软件中通过改变打印速度以及线材的填充密度等参数，可以有效控制构件中斜孔内壁的粗糙度以及致密度，使得穿孔的内壁为粗糙的结构，这种粗糙的结构包括间隔排列的沟道凸起，或者其他如孔状等结构，粗糙的表面可以有效的提高声波在构建内部的多重反射，从而提高吸声性能。

[0009] 进一步的，所述高分子材料包括聚乳酸、丙烯腈‑丁二烯‑苯乙烯塑料、聚碳酸酯或聚丙烯中的任一种。

[0010] 进一步的，所述结构件为圆柱形、立方柱形、球形或椭球形。

[0011] 本发明还保护一种中低频吸声结构件的制备方法，包括以下步骤：

[0012] 1) 先通过三维建模软件对吸声结构件内部穿孔的直径、弯折角度以及数量进行设计；

[0013] 2) 然后通过挤出成型制备高分子丝状打印耗材；

[0014] 3) 最后以丝状耗材为原料利用3D打印机加工成型出具有不同斜穿角度和级数的中低频吸声结构件。

[0015] 上述的方案中，3D打印技术可获得一些常规手段难以精确加工的复杂结构体。通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。熔融沉积成型3D打印是丝状热塑性聚合物线材，通过挤出头将线材融化并挤压成细条，逐层沉积在预定位置。这种打印技术是生产定制热塑性零件和原型的最具成本效益的方式，且通过调整打印参数，得到密度不同的网状结构，有助于吸声性能的提高。

[0016] 进一步的，所述步骤2)中，挤出成型的具体步骤为：将高分子原料粉末与增韧剂混合均匀，在30 50℃下烘干2 3 h后，倒入挤出设备的进料口，加热至熔融状态并通过挤出丝~ ~状打印耗材；其中加热温度在170 180 ℃，挤出设备螺杆的旋转速度为45‑65 r/min；所述~
高分子原料粉末与增韧剂的质量比为9：1   9.6：0.4。
~

[0017] 进一步的，所述步骤3)中，3D打印机参数的具体设置为：打印速度30 60mm/s，填充~密度20 50%，打印温度190 210℃，平台温度50 55℃。
~ ~ ~

[0018] 有益效果：与现有技术相比，本发明的具有如下显著优点：（1）本发明利用3D打印技术加工成型具有多级斜孔的中低频吸声结构，通过调整吸声结构的穿孔率、孔径大小、倾斜角度和斜穿级数，便可灵活控制共振吸声峰频率以及强度，最终获得性能优异的中低频吸声结构件；（2）本发明还可以有效控制构件中斜孔内壁的粗糙度以及致密度，通过穿孔内壁粗糙的表面可以有效的提高声波在构建内部的多重反射，从而提高吸声性能；（3）本发明的方法简单易行、生产周期短，便于大规模生产与应用，与传统的直孔板相比，多级斜孔吸声结构不仅仍可保证一定的穿孔率，还可在不增加材料结构厚度或体积的条件下有效延长往复振荡空气柱长度；同时，多级斜孔增加了声波在材料内部的反射，综合提高中低频吸声系数。

附图说明

[0019] 图1为本发明吸声结构件的局部剖面图；

[0020] 图2为实施例1中吸声结构件在100 6300Hz的吸声系数随频率的变化关系曲线；~

[0021] 图3为实施例1结构件中穿孔内壁的电镜图；

[0022] 图4为实施例2中吸声结构件在100 6300Hz的吸声系数随频率的变化关系曲线；~

[0023] 图5为实施例3中吸声结构件在100 6300Hz的吸声系数随频率的变化关系曲线；~

[0024] 图6为实施例4中吸声结构件在100 6300Hz的吸声系数随频率的变化关系曲线；~

[0025] 图7为实施例5中吸声结构件在100 6300Hz的吸声系数随频率的变化关系曲线；~

[0026] 图8为对比例2中吸声结构件在100 6300Hz的吸声系数随频率的变化关系曲线；~

[0027] 图9为对比例1中吸声结构件的结构示意图；

[0028] 图10为对比例1中吸声结构件在100 6300Hz的吸声系数随频率的变化关系曲线。~

具体实施方式

[0029] 下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。

[0030] 参见图1的一种中低频吸声结构件，包括结构件1和结构件1内的用于吸收低频率声波的穿孔2，穿孔2的横截面为锯齿状，由多级长度相等的孔道21以相同折叠角度排列形成。

[0031] 实施例1

[0032] 1）利用3ds max三维建模软件构建一个直径为29mm，高度为80mm的圆柱体，然后在圆柱体内部设计如下折线孔，其中的孔径为1.5mm，折线孔的弯折角度为40°，折线孔数量为18个，穿孔率14.08%。

[0033] 2）通过挤出成型设备制造出直径为1.75mm的聚乳酸（PLA）丝状打印耗材；将PLA粉末与增韧剂按照质量比为9：1进行配置并混合均匀；上述混合原料在30℃下烘干2 h后，倒入挤出设备的进料口，将原料加热至熔融状态，通过螺杆的旋转推动熔融原料从的挤出头中挤出线材，其中加热温度在170 ℃，螺杆的旋转速度为45r/min，挤出头的直径为1.75mm。

[0034] 3）利用3D打印机加工成型，设置3D打印机参数：打印速度30 mm/s，填充密度50%，打印温度190℃，平台温度50℃，最终打印出吸声结构件。

[0035] 本例制得的100 6300Hz频段吸声结构件的吸声系数利用AWA6290T型传递函数吸~声系数测量系统测试。

[0036] 对比例1

[0037] 1）利用3ds max三维建模软件构建一个直径为29mm，高度为80mm的圆柱体，然后在圆柱体内部设计如下直线孔，其中的孔径为1.5mm，孔数量为18个，穿孔率为4.8%。

[0038] 2）通过挤出成型设备制造出直径为1.75mm的聚乳酸（PLA）丝状打印耗材，具体制备同实施例1。

[0039] 3）利用3D打印机加工成型，设置3D打印机参数：打印速度30 mm/s，填充密度50%，打印温度190℃，平台温度50℃，最终打印出吸声结构件。

[0040] 本例制得的100 6300Hz频段吸声结构件的吸声系数利用AWA6290T型传递函数吸~声系数测量系统测试。

[0041] 参见图9为对比例1制备的吸声构件剖面结构示意图，其中，穿孔为直孔结果欧；参见图10，直孔的吸声结构件在低频560Hz处的吸声系数为 0.43。参见图2，相对于直孔的吸~声结构件，弯折角度为40°的吸声结构件的穿孔率明显提高，展现出了更多的共振频率，在频率为0 2000 Hz的吸声性能增强，特别是在480Hz和1500Hz处，吸声结构件的吸声系数分~
别达到 0.48和 0.42。参见图3，在制备得到的穿孔内壁中产生了粗糙的结构，说明了采用~ ~
3D打印技术可以实现控制构件中穿孔内壁的粗糙度。

[0042] 实施例2

[0043] 1）利用3ds max三维建模软件构建一个直径为29mm，高度为80mm的圆柱体，然后在圆柱体内部设计如下折线孔，其中的孔径为1.5mm，折线孔道的弯折角度为50°，折线孔数量为18个，穿孔率11.39%。

[0044] 2）通过挤出成型设备制造出直径为1.75mm的聚丙烯（PP）丝状打印耗材；将PP粉末与增韧剂按照质量比为9.6：0.4进行配置并混合均匀；上述混合原料在40℃下烘干3 h后，倒入挤出设备的进料口，将原料加热至熔融状态，通过螺杆的旋转推动熔融原料从的挤出头中挤出线材，其中加热温度在180 ℃，螺杆的旋转速度为65r/min，挤出头的直径为1.75mm。

[0045] 3）利用3D打印机加工成型，设置3D打印机参数：打印速度40 mm/s，填充密度30%，打印温度200℃，平台温度55℃，最终打印出吸声结构件。

[0046] 本例制得的100 6300Hz频段吸声结构件的吸声系数利用AWA6290T型传递函数吸~声系数测量系统测试。

[0047] 参见图4，随着折线孔弯折角度的增大，吸声结构件的穿孔率有一定的降低，吸收峰的频率逐渐向高频移动，且在488Hz和1500Hz处，吸声结构件的吸声系数具有一定提升分别达到 0.51和 0.41。~ ~

[0048] 实施例3

[0049] 1）利用3ds max三维建模软件构建一个直径为29mm，高度为80mm的圆柱体，然后在圆柱体内部设计如下折线孔，其中的孔径为1.5mm，折线孔的弯折角度为60°，折线孔数量为18个，穿孔率9.63%。

[0050] 2）通过挤出成型设备制造出直径为1.75mm的聚碳酸酯（PC）丝状打印耗材；将PC粉末与增韧剂按照质量比为9.2：0.8进行配置并混合均匀；上述混合原料在50℃下烘干3 h后，倒入挤出设备的进料口，将原料加热至熔融状态，通过螺杆的旋转推动熔融原料从的挤出头中挤出线材，其中加热温度在180 ℃，螺杆的旋转速度为50r/min，挤出头的直径为1.75mm。

[0051] 3）利用3D打印机加工成型，设置3D打印机参数：打印速度60 mm/s，填充密度400%，打印温度210℃，平台温度50℃，最终打印出吸声结构件。

[0052] 本例制得的100 6300Hz频段吸声结构件的吸声系数利用AWA6290T型传递函数吸~声系数测量系统测试。

[0053] 参见图5，折线孔的吸声结构件的弯折角度达到60°时，在580 Hz处，吸声结构件的吸声系数达到 0.6。~

[0054] 实施例4

[0055] 1）利用3ds max三维建模软件构建一个直径为29mm，高度为80mm的圆柱体，然后在圆柱体内部设计如下折线孔，其中的孔径为2.0mm，折线孔的弯折角度为30°，折线孔数量为18个，穿孔率33.08%。

[0056] 2）通过挤出成型设备制造出直径为1.75mm的聚乳酸（PLA）丝状打印耗材；将PLA粉末与增韧剂按照质量比为9：1进行配置并混合均匀；上述混合原料在30℃下烘干2 h后，倒入挤出设备的进料口，将原料加热至熔融状态，通过螺杆的旋转推动熔融原料从的挤出头中挤出线材，其中加热温度在170 ℃，螺杆的旋转速度为45r/min，挤出头的直径为1.75mm。

[0057] 3）利用3D打印机加工成型，设置3D打印机参数：打印速度30 mm/s，填充密度50%，打印温度190℃，平台温度50℃，最终打印出吸声结构件。

[0058] 本例制得的100 6300Hz频段吸声结构件的吸声系数利用AWA6290T型传递函数吸~声系数测量系统测试。

[0059] 参见图6，增加折线孔的孔径、降低弯折角度可以极大地提高吸声构件的穿孔率，在744 Hz处的吸声系数可以达到 1，对该频率的声波基本可达到完全吸收；除此之外，其它~共振峰的吸收强度也都极大地提升，有效地扩宽了吸声频宽。

[0060] 实施例5

[0061] 1）利用3ds max三维建模软件构建一个直径为29mm，高度为80mm的圆柱体，然后在圆柱体内部设计如下折线孔，其中的孔径为1.5mm，折线孔的弯折角度为50°，折线孔数量为12个，开孔率7.60%。

[0062] 2）通过挤出成型设备制造出直径为1.75mm的聚乳酸（PLA）丝状打印耗材；将PLA粉末与增韧剂按照质量比为9：1进行配置并混合均匀；上述混合原料在30℃下烘干2 h后，倒入挤出设备的进料口，将原料加热至熔融状态，通过螺杆的旋转推动熔融原料从的挤出头中挤出线材，其中加热温度在170 ℃，螺杆的旋转速度为45r/min，挤出头的直径为1.75mm。

[0063] 3）利用3D打印机加工成型，设置3D打印机参数：打印速度30 mm/s，填充密度50%，打印温度190℃，平台温度50℃，最终打印出吸声结构件。

[0064] 本例制得的100 6300Hz频段吸声结构件的吸声系数利用AWA6290T型传递函数吸~声系数测量系统测试。

[0065] 参见图7，对比实施例2，可以得出，减少折线孔的数量，开孔率降低，导致了结构件吸声系数的降低，在472 Hz处，吸声结构件的吸声系数为 0.31，因此构件的开孔率必须大~于7.6%。

[0066] 对比例2

[0067] 1）利用3ds max三维建模软件构建一个直径为29mm，高度为80mm的圆柱体，然后在圆柱体内部设计如下折线孔，其中的孔径为1.0mm，折线孔的弯折角度为70°，折线孔数量为27个，开孔率5.60%。

[0068] 2）通过挤出成型设备制造出直径为1.75mm的聚乳酸（PLA）丝状打印耗材；将PLA粉末与增韧剂按照质量比为9：1进行配置并混合均匀；上述混合原料在30℃下烘干2 h后，倒入挤出设备的进料口，将原料加热至熔融状态，通过螺杆的旋转推动熔融原料从的挤出头中挤出线材，其中加热温度在170 ℃，螺杆的旋转速度为45r/min，挤出头的直径为1.75mm。

[0069] 3）利用3D打印机加工成型，设置3D打印机参数：打印速度30 mm/s，填充密度50%，打印温度190℃，平台温度50℃，最终打印出吸声结构件。

[0070] 本例制得的100 6300Hz频段吸声结构件的吸声系数利用AWA6290T型传递函数吸~声系数测量系统测试。

[0071] 参见图8，折线孔的吸声结构件的弯折角度为70°、孔径为1mm时，虽然折线孔数量大大增加，开孔率仍下降5.6%，吸声性能进一步衰退，在512 Hz处，吸声结构件的吸声系数仅为 0.24，因此，折线孔的孔径、降低弯折角度以及穿孔率是影响吸声效果的重要因素，通~过调整吸声结构的穿孔率、孔径大小、倾斜角度和斜穿级数等特征参数，可有效控制共振吸声峰频率以及强度，获得性能优异的中低频吸声结构件。