噪声是当今社会四大污染(噪声污染、水污染、大气污染和固体废物污染)之一，对人们身心健康造成很大危害(郑细妹，2011)，随着社会生活节奏加快，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。按吸声机制不同，吸声材料分为共振吸声材料和多孔吸声材料两大类(吕如榆，1983)，良好的吸声材料可以有效缓解噪声污染、改善声环境(苑改红等，2006)。目前，常见的木质吸声材料大多为基于赫姆霍兹共振机制的穿孔板，声音进入穿孔板孔内引起共振，产生摩擦，将声能转化为热能消耗(马大猷，2002)，从而达到吸声效果，其吸声性能主要由穿孔率、孔径大小、空腔体积和板厚等因素决定(王军锋等，2015)。然而，受传统机械加工方式的影响，木质穿孔板的孔型全部是直孔，吸声频率范围较窄，主要集中在中低频，从几十赫兹到几百赫兹(左言言等，2007)，影响产品吸声性能，限制了其应用范围。

鉴于此，本研究基于木材内部微观构造，仿生设计一种有别于直孔的复孔吸声结构——仿生木材吸声结构，利用3D打印技术制备传统方式难以加工的具备仿生木材结构的共振吸声材料，并研究穿孔率、主孔直径和侧孔深度对其吸声性能的影响，以期为开发仿生木材吸声材料奠定理论基础。

1 材料与方法 1.1 仿生结构设计

木材是一种天然多孔材料，具有良好的吸声性能，相较于径切面和弦切面，木材在横切面上吸声性能最佳(王东等，2014；2015)，因为横切面上分布着大量复杂的导管(阔叶材，图 1)和管胞(针叶材)(徐有明，2006)。此外，导管与木纤维、管胞、轴向薄壁细胞和射线薄壁细胞之间形成的大量纹孔(图 2)对吸声性能的提高也起到重要作用(徐有明，2006)。

受木材内部导管和纹孔等天然结构的启发，本研究设计了仿生木材复孔吸声结构，如图 3所示。复孔吸声结构由主孔和侧孔2部分组成，主孔仿生木材导管，侧孔仿生木材导管壁纹孔。

1.2 试件制备

应用Rhinoceros三维软件建模，以ABS为原料，利用ZORTRAX M200 3D打印机打印试件。按照测试方法要求分为高频测试试件和低频测试试件2种，尺寸规格分别为：高频测试试件，直径30 mm，板厚15 mm，板后空腔50 mm；低频测试试件，直径100 mm，板厚15 mm，板后空腔50 mm。

1.3 试验方案

首先研究不同穿孔率和主孔直径对3D打印仿生木材吸声结构吸声性能的影响，确定最佳穿孔率和主孔直径；然后研究侧孔深度对3D打印仿生木材吸声结构吸声性能的影响。制备1组不开孔的试件作为对照组，所有试验均为单因素试验，因素及水平分别为：

1) 穿孔率(p)：3.06%、4.05%、4.50%和5.76%。主孔直径3 mm，侧孔直径(D)0 mm (图 4A)；

2) 主孔直径(d)：2 mm、3 mm和4 mm。穿孔率3.06%，侧孔直径(D)0 mm；

3) 侧孔深度(h)(图 4C)：0 mm、2 mm和3 mm。穿孔率3.06%，主孔直径3 mm，侧孔直径(D)4 mm(图 4B)。

每个试验重复3次，取平均值。

1.4 测试方法 1.4.1 测试系统

采用阻抗管测试系统对3D打印仿生木材吸声结构的吸声性能进行测试。高频采用小管试件，阻抗管SW477，直径30 mm；中低频采用大管试件，阻抗管SW422，直径100 mm。校准器CA111，功率放大器PA50，四通道声学分析仪MC3242，噪声振动测试软件VA-Lab。

1.4.2 测量方法

依据ISO10534-2:1998(GB/T 18696.2—2002《声学阻抗管中吸声系数和声阻的测量第2部分：传递函数法》)进行测量，频率范围80~6 300 Hz，取1/3倍频程中心位置对应的吸声系数。

1.4.3 测试环境

气温20.0 ℃、相对湿度50.0%、大气压力101 325.0 Pa、大气密度1.2 kg·m^-3、声速343.237 m·s^-1，空气特征阻抗为412.568 Pa·sm^-1。

2 结果与分析 2.1 不同穿孔率对3D打印仿生木材吸声结构吸声性能的影响

如图 5所示，穿孔率为3.06%的3D打印仿生木材吸声结构在中低频的共振频率为300 Hz，吸声系数峰值为0.78，吸声频带宽度为142 Hz；在高频的共振频率为3 440 Hz，吸声系数峰值为0.25。穿孔率为4.05%的3D打印仿生木材吸声结构在中低频的共振频率为340 Hz，吸声系数峰值为0.75，吸声频带宽度为172 Hz；在高频的共振频率为3 450 Hz，吸声系数峰值为0.35。穿孔率为4.50%的3D打印仿生木材吸声结构在中低频的共振频率为360 Hz，吸声系数峰值为0.70，吸声频带宽度为191 Hz；在高频的共振频率为3 400 Hz，吸声系数峰值为0.43。穿孔率为5.76%的3D打印仿生木材吸声结构在中低频的共振频率为410 Hz，吸声系数峰值为0.65，吸声频带宽度为194 Hz；在高频的共振频率为3 300 Hz，吸声系数峰值为0.54。

在中低频，随着穿孔率增大，3D打印仿生木材吸声结构的共振频率向高频方向移动，吸声频带变宽，吸声系数峰值降低。这是因为在中低频，随着穿孔率增大，板面穿孔面积增加，声阻减小，声波从空气腔进出穿孔板的损耗减少，因此，吸声频带变宽，吸声系数峰值变小，共振频率向高频方向移动，与Lin等(2009)、朱广勇等(2016)研究结论相符。此外，3D打印仿生木材吸声结构在高频吸声性能也较好，而一般穿孔板在高频范围内不具有吸声性能，这可能是由于3D打印材料自身结构特点所致。3D打印材料与一般穿孔板材料不同，其内部并不是密实的，而是呈网格状，排布有大量规整的孔隙(图 6)，近似于闭孔型多孔吸声材料，高频声波使孔隙间空气质点振动速度加快，空气与孔壁的热交换加快(齐共金等，2002)，因此多孔材料在高频具有良好的吸声性能。3D打印仿生木材吸声材料内部多孔结构是影响高频吸声性能的主要因素，随着穿孔率增大，穿孔体积增加，板内多孔结构的孔隙率降低，共振频率向低频方向移动，吸声系数峰值升高，与Tang等(2007)、黄学辉等(2007)研究结论相符。

2.2 不同主孔直径对3D打印仿生木材吸声结构吸声性能的影响

如图 7所示，主孔直径为2 mm的3D打印仿生木材吸声结构在中低频的共振频率为270 Hz，吸声系数峰值为0.93，吸声频带宽度为151 Hz；在高频的共振频率为3 430 Hz，吸声系数峰值为0.23。主孔直径为3 mm的3D打印仿生木材吸声结构在中低频的共振频率为300 Hz，吸声系数峰值为0.78，吸声频带宽度为142 Hz；在高频的共振频率为3 440 Hz，吸声系数峰值为0.25。主孔直径为4 mm的3D打印仿生木材吸声结构在中低频的共振频率为300 Hz，吸声系数峰值为0.71，吸声频带宽度为140 Hz；在高频的共振频率为3 490 Hz，吸声系数峰值为0.29。

在中低频，随着主孔直径增大，3D打印仿生木材吸声结构的共振频率基本不变，吸声频带宽度变窄，吸声系数峰值降低。这是因为随着主孔直径增大，穿孔板的声阻、声抗均减小，声波从空气腔进出穿孔板的损耗减少，因此吸声频带宽度变窄，吸声系数峰值变小，与Putra等(2014)、朱广勇等(2015)研究结论相符。在高频，随着主孔直径增大，共振频率略向高频方向移动，吸声系数基本不变。3D打印仿生木材吸声材料内部多孔结构是影响高频吸声性能的主要因素，随着主孔直径增大，声波能更顺畅地进入穿孔，高频声波使孔隙间空气质点振动加速，损耗增加，因此共振频率略向高频方向移动。

2.3 不同侧孔深度对3D打印仿生木材吸声结构吸声性能的影响

如图 8所示，侧孔深度为0 mm的3D打印仿生木材吸声结构在中低频的共振频率为300 Hz，吸声系数峰值为0.78，吸声频带宽度为142 Hz；在高频的共振频率为3 440 Hz，吸声系数峰值为0.25。侧孔深度为2 mm的3D打印仿生木材吸声结构在中低频的共振频率为330 Hz，吸声系数峰值为0.75，吸声频带宽度为169 Hz；在高频的共振频率为3 500 Hz，吸声系数峰值为0.35。侧孔深度为3 mm的3D打印仿生木材吸声结构在中低频的共振频率为320 Hz，吸声系数峰值为0.76，吸声频带宽度为161 Hz；在高频的共振频率为3 470 Hz，吸声系数峰值为0.36。

在中低频，侧孔深度小于3 mm时，随着侧孔深度增加，3D打印仿生木材吸声结构的共振频率向高频方向移动，吸声频带宽度变宽，吸声系数峰值变化不明显，侧孔深度大于3 mm时，共振频率向低频方向移动，吸声系数峰值基本不变，与范钱旺等(2007)、何立燕等(2010)研究结论相符，随着侧孔深度增加，共振腔体积增大，共振频率先增大，达到一定值后又减小。在高频，侧孔深度小于3 mm时，随着侧孔深度增加，共振频率向高频方向移动，吸声系数峰值升高，侧孔深度大于3 mm时，共振频率向低频方向移动，吸声系数峰值略升高。高频共振规律与中低频一致，吸声系数峰值规律与之相反，可能是由于侧孔深度增加，高频声波在板内与孔壁摩擦增大，声能消耗提高，因此高频吸声系数提高。

3 讨论

本研究基于木材微观构造，仿生设计了一种有别于直孔的复孔吸声结构，利用3D打印技术制备了具备仿生木材结构的共振吸声材料，并采用阻抗管传递函数法研究了穿孔率、主孔直径和侧孔深度对3D打印仿生木材吸声结构吸声性能的影响。结果表明，3D打印仿生木材吸声结构除了在中低频具有与木质穿孔板相似的吸声性能外，在高频吸声性能也较好，而木质穿孔板在高频一般不具有吸声性能或吸声性能较差。

木质穿孔板吸声结构研究一般以孔径、穿孔率、板厚和背板空腔为主要影响因子。左言言等(2007)、王军锋等(2015)研究表明，穿孔板吸声结构共振时的吸声系数很大，共振后吸声系数急剧下降，吸声性能具有很强的选择性，往往只吸收低频声波。Lin等(2009)、朱广勇等(2016)研究表明，随着穿孔率增大，木质穿孔板的吸声系数峰值下降，吸声频带宽度变宽，共振频率向高频方向移动。Putra等(2014)、朱广勇等(2015)研究表明，随孔径增大，共振频率略向高频方向移动，吸声频带宽度变窄，吸声系数峰值降低。这些吸声规律与3D打印仿生木材吸声结构在中低频的吸声规律相符。木质穿孔板结构单一，吸声频率范围较窄，主要集中在中低频，影响产品吸声性能，限制了其应用范围。而3D打印仿生木材吸声结构不仅在中低频具有良好的吸声性能，在高频也有较好的吸声表现。

仿生木材吸声结构是一种异形结构，无法采用传统工艺进行加工，本研究创新性地将3D打印技术应用于吸声结构，制备了具备仿生木材结构的共振吸声材料，拓宽了吸声材料的加工方式，为仿生木材吸声材料的进一步研究奠定了理论基础。

目前，关于3D打印仿生木材吸声结构的研究尚处于起步阶段，有待于进一步深入和完善，如果能够设计出具有多个吸声频率的吸声结构，并可根据环境要求对吸声结构进行定制化设计，那么3D打印仿生木材吸声结构将会在吸声材料领域带来一场新的技术革命。

4 结论

1) 穿孔率对3D打印仿生木材吸声结构的吸声性能有一定影响。在中低频，随着穿孔率增大，3D打印仿生木材吸声结构的共振频率向高频方向移动，吸声系数峰值降低；在高频，随着穿孔率增大，共振频率向低频方向移动，吸声系数峰值升高。

2) 主孔直径对3D打印仿生木材吸声结构的吸声性能有较大影响。在中低频，随着主孔直径增大，3D打印仿生木材吸声结构的共振频率基本不变，吸声系数峰值降低；在高频，随着主孔直径增大，共振频率略向高频方向移动，吸声系数基本不变。

3) 侧孔深度对3D打印仿生木材吸声结构的共振频率产生影响。在一定范围内，随着侧孔深度增加，3D打印仿生木材吸声结构的共振频率先增大后减小，吸声系数变化不明显。

4) 3D打印仿生木材吸声结构具有2个显著的共振频率，分别为300和3 500 Hz，与一般穿孔板有明显差异，这可能是由于3D打印材料自身结构近似于多孔吸声材料所致，具体影响机制和规律有待于进一步研究。