Non-linear sound absorption analysis, multiscale design and application of metallic fibrous materials

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Chuanzeng Zhang
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Akustik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392026765

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Poröse Materialien, die sich durch ihre miteinander verbundenen Hohlräume oder Poren auszeichnen, werden aufgrund ihrer hohen Fähigkeit, akustische Energie durch viskose und thermische Effekte abzuleiten, häufig in der Schallabsorption eingesetzt. Akustische Metamaterialien hingegen sind künstlich hergestellte Materialien, die außergewöhnliche akustische/elastische Wellenausbreitungseigenschaften aufweisen, welche in natürlichen und konventionellen Materialien nicht zu finden sind, und eine effiziente Wellenausbreitung bzw. Schwingungskontrolle ermöglichen. In diesem Projekt konzentrierten wir uns auf die nichtlineare Schallabsorptionsanalyse, das Multiskalendesign und die Anwendung metallischer faseriger poröser Materialien, insbesondere unter Hochtemperaturbedingungen. Durch die Kombination der individuellen vorteilhaften Eigenschaften der porösen Materialien und Metamaterialien zielte das Projekt darauf ab, die Einschränkungen konventioneller schallabsorbierender Materialien, besonders bei niedrigen Frequenzen, zu überwinden. Insbesondere wurden neuartige poröse Metamaterialstrukturen, darunter schlitzperforierte mehrschichtige poröse Metamaterialien (SMPM) und mehrskalige poröse Metamaterialien (MPM), vorgeschlagen und detailliert untersucht. Diese Metamaterialstrukturen zeigten eine überlegene Schallabsorptionsleistung über einen breiten Frequenzbereich, insbesondere bei niedrigen Frequenzen, bei denen herkömmliche poröse Materialien oft unterdurchschnittliche Leistungen erbringen. Es wurden fortschrittliche theoretische und numerische Modelle erstellt und mit der Finite-Elemente-Software (FE) COMSOL Multiphysics validiert, wodurch eine detaillierte und präzise Analyse der Ausbreitung von Schallwellen und der Energiedissipation der neuartigen porösen Metamaterialstrukturen ermöglicht wurde. Die Auswirkungen hoher Temperatur auf ihre Schallabsorptionsleistung wurden untersucht. Dabei zeigte sich, dass die Absorptionsspitzen zwar mit zunehmender Temperatur zu höheren Frequenzen verschoben werden, die neuartigen porösen Metamaterialstrukturen jedoch eine höhere Leistung beibehalten. Dieses Projekt leistete einen wesentlichen Beitrag zum vertieften Verständnis und zu vielversprechenden Anwendungsmöglichkeiten der neuartigen porösen Metamaterialien zur Schallabsorption, -minderung und -isolierung und ebnete so einen neuen Weg für künftige Innovationen im Bereich effizienter Lärmschutztechnologien. Darüber hinaus bilden die in diesem Projekt gewonnenen Erkenntnisse auch eine solide Grundlage für zukünftige Forschungen zur weiteren Verbesserung der Schallabsorptions- und -minderungsleistung der neuartigen porösen Metamaterialien, einschließlich ihres inversen Designs und ihrer Optimierung auf der Grundlage der Topologie-Optimierung in Kombination mit Techniken des maschinellen Lernens (ML) oder genetischen Algorithmen (GA) sowie ihrer experimentellen Validierung.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Acousto-thermo-mechanical deformation of hydrogels coupled with chemical diffusion. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 474(2217), 20180293.
  Xin, Fengxian & Lu, Tian Jian
  
• Influence of hole shape on sound absorption of underwater anechoic layers. Journal of Sound and Vibration, 426, 54-74.
  Ye, Changzheng; Liu, Xuewei; Xin, Fengxian & Lu, Tian Jian
  
• A multiscale theoretical approach for the sound absorption of slit-perforated double porosity materials. Composite Structures, 223, 110919.
  Xin, Fengxian; Ma, Xiaowen; Liu, Xuewei & Zhang, Chuanzeng
  
• Improvement of the sound absorption of flexible micro-perforated panels by local resonances. Mechanical Systems and Signal Processing, 117, 138-156.
  Ren, S.W.; Van Belle, L.; Claeys, C.; Xin, F.X.; Lu, T.J.; Deckers, E. & Desmet, W.
  
• Mathematical modeling of Stokes flow in petal shaped pipes. Physics of Fluids, 31(1).
  Xu, Zhimin; Song, Siyuan; Xin, Fengxian & Lu, Tian Jian
  
• Modified theory of a microperforated panel with roughened perforations. EPL (Europhysics Letters), 125(3), 34004.
  Xu, Zhimin; Peng, Xiangjun; Liu, Xuewei; Xin, Fengxian & Lu, Tian Jian
  
• Nonlinear deformation and bifurcation of a soft cantilever induced by acoustic radiation force. EPL (Europhysics Letters), 127(2), 24003.
  Liu, Yifan & Xin, Fengxian
  
• Sound absorption of micro-perforated sandwich panel with honeycomb-corrugation hybrid core at high temperatures. Composite Structures, 226, 111285.
  Tang, Yufan; Xin, Fengxian & Lu, Tian Jian
  
• Underwater Acoustic Absorption of Composite Anechoic Layers With Inner Holes. Journal of Vibration and Acoustics, 141(4).
  Ye, Changzheng; Liu, Xuewei; Xin, Fengxian & Lu, Tian Jian
  
• Nonlinear sound absorption of ultralight hybrid-cored sandwich panels. Mechanical Systems and Signal Processing, 135, 106428.
  Tang, Yufan; He, Wei; Xin, Fengxian & Lu, Tian Jian
  
• Sound absorption theory for micro-perforated panel with petal-shaped perforations. The Journal of the Acoustical Society of America, 148(1), 18-24.
  Xu, Zhimin; He, Wei; Peng, Xiangjun; Xin, Fengxian & Lu, Tian Jian
  
• Sound propagation in porous materials containing rough tubes. Physics of Fluids, 32(9).
  Xu, Zhimin; He, Wei; Xin, Fengxian & Lu, Tian Jian
  
• A novel multiscale porous composite structure for sound absorption enhancement. Composite Structures, 276, 114456.
  Liu, Qihang; Liu, Xuewei; Zhang, Chuanzeng & Xin, Fengxian
  
• Acoustic labyrinthine porous metamaterials for subwavelength low-frequency sound absorption. Journal of Applied Physics, 129(19).
  Liu, Xuewei; Duan, Mingyu; Liu, Maolin; Xin, Fengxian & Zhang, Chuanzeng
  
• Gradually perforated porous materials backed with Helmholtz resonant cavity for broadband low-frequency sound absorption. Composite Structures, 263, 113647.
  Liu, Xuewei; Yu, Chenlei & Xin, Fengxian
  
• High-Temperature and Low-Frequency Acoustic Energy Absorption by a Novel Porous Metamaterial Structure. Acta Mechanica Solida Sinica, 34(6), 872-883.
  Liu, Qihang; Liu, Xuewei; Zhang, Chuanzeng & Xin, Fengxian
  
• High-temperature effect on the sound absorption of cylindrically perforated porous materials. Journal of Applied Physics, 130(10).
  Liu, Xuewei; Xin, Fengxian & Zhang, Chuanzeng
  
• Ultralight micro-perforated sandwich panel with hierarchical honeycomb core for sound absorption. Journal of Sandwich Structures & Materials, 24(1), 201-217.
  He, Wei; Peng, Xiangjun; Xin, Fengxian & Lu, Tian Jian
  
• Broadband sound absorption by a novel porous metamaterial structure. Proceedings of the 28th International Congress on Sound and Vibration. Singapore, 24-28 July 2022
  Liu Q.H. & Zhang C.h.
  
• Broadband and low-frequency sound absorption by a slit-perforated multi-layered porous metamaterial. Engineering Structures, 281, 115743.
  Liu, Qihang & Zhang, Chuanzeng
  
• Acoustic wave absorption and mitigation by porous metamaterial structures. Doctoral Thesis, University of Siegen
  Liu Q.H.