哈利法大學和達索航空研究人員利用3D打印為聲學超材料設計開辟新可能

2025年5月26日，南極熊獲悉，哈利法大學與達索航空公司研究團隊在國際期刊《虛擬與物理原型》上發(fā)表了一篇綜述論文。論文系統(tǒng)地探討了增材制造技術在聲學超材料（ACA-Meta）領域的前沿應用。該綜述將聲學超材料分為四大類：穿孔型、開槽型、蜂窩型及混合型結構，并重點分析了增材制造技術如何在設計自由度和結構性能方面展現(xiàn)獨特優(yōu)勢。

△相關研究題目為“用于吸聲的添加制造超材料：綜述”（傳送門）

利用3D打印擴展聲學控制

增材制造技術為聲學超材料（ACA-Meta）提供了獨特的優(yōu)勢，特別是在精確控制幾何形狀、材料分布和內部結構方面。這種控制水平賦予了研究人員和工程師能力，以定制特定頻率范圍內的聲學行為，并在優(yōu)化重量、機械強度和結構復雜性方面取得突破。

相比之下，傳統(tǒng)吸音材料，如多孔泡沫或纖維板，通常受限于固定的特性和有限的適應性。3D打印技術的出現(xiàn)，使得設計師能夠創(chuàng)建具有亞波長精度的諧振結構和內部腔體，這些是操控聲波與物質相互作用的關鍵因素。

該綜述詳細介紹了立體光刻（SLA）、選擇性激光熔化（SLM）、熔融沉積成型（FDM）和數(shù)字光處理（DLP）等多種技術在制造新一代吸聲器方面的應用。這些工藝能夠構建出傳統(tǒng)制造技術無法實現(xiàn)的復雜幾何形狀，并允許對孔徑、壁厚、填充密度以及材料梯度等關鍵參數(shù)進行精細調整。因此，增材制造不僅提升了吸聲效率，還拓寬了這些超材料的適用頻率范圍，使它更加適應特定環(huán)境和工業(yè)需求。

△聲學超材料采用多種增材制造技術制造：a) 桶式光聚合，b) 粉末床熔融，c) 粘合劑噴射，d) 擠壓，以及e) 材料噴射

論文將聲學超材料分為四類結構，每種結構都具有獨特的聲波管理機制。首先，穿孔超材料通過微孔陣列耗散能量，有效吸收中高頻噪聲。這些微孔通常由氣腔支撐，以增強它在低頻范圍內的性能。其次，開槽設計采用迷宮狀或螺旋狀通道，這些通道延長了聲波的傳播路徑，使得在緊湊的空間內實現(xiàn)對低頻噪聲的有效衰減成為可能。第三，蜂窩結構，包括周期性蜂窩、螺旋狀結構和隨機泡沫，通過精心設計的孔隙率和內部共振機制，展現(xiàn)出寬帶性能。最后，混合設計結合了多種特性，例如，帶有嵌入式螺旋狀腔體的穿孔表面或分層蜂窩芯，以實現(xiàn)跨多個聲學區(qū)域的可調寬帶吸收。

△聲學超材料的分類和子分類

這些分類不僅在理論上得到了闡述，還通過實驗得到了驗證。性能指標，如吸聲系數(shù)（SAC），是通過使用阻抗管和混響室進行測量得出的。論文強調，即使是微小的設計調整，例如改變穿孔角度或調整單元密度，也會對吸聲性能產生顯著影響。這進一步突顯了增材制造技術在聲學工程原型設計和生產中的重要價值。

△聲學超材料的示意圖和設計參數(shù)

模擬和實驗驗證

為了量化聲學吸收性能，本研究回顧了分析模型和實驗方法，并關注了關鍵參數(shù)，如吸聲系數(shù)（SAC）、表面孔隙率和樣品方向。通過驗證技術，例如阻抗管和混響室測試，研究表明，增材制造的超材料能夠達到甚至超越傳統(tǒng)吸聲體的性能。

此外，研究人員還指出了未來的發(fā)展方向，包括體積3D打印、多材料打印，以及利用智能材料實現(xiàn)可調聲學響應的4D打印。這些方法預計將開發(fā)出能夠適應環(huán)境變化或用戶自定義輸入的可擴展、可重構吸波材料。

總體而言，這個研究進展強調了3D打印技術與聲學創(chuàng)新之間日益緊密的結合。預計將會開發(fā)出適應環(huán)境變化或用戶自定義需求的可擴展、可重構吸波材料。這些進步不僅為聲學設計提供了前所未有的自由度，還為未來的聲音管理解決方案開辟了新的可能性。