哈利法大学和达索航空研究人员利用3D打印为声学超材料设计开辟新可能

2025年5月26日，南极熊获悉，哈利法大学与达索航空公司研究团队在国际期刊《虚拟与物理原型》上发表了一篇综述论文。论文系统地探讨了增材制造技术在声学超材料（ACA-Meta）领域的前沿应用。该综述将声学超材料分为四大类：穿孔型、开槽型、蜂窝型及混合型结构，并重点分析了增材制造技术如何在设计自由度和结构性能方面展现独特优势。

△相关研究题目为“用于吸声的添加制造超材料：综述”（传送门）

利用3D打印扩展声学控制

增材制造技术为声学超材料（ACA-Meta）提供了独特的优势，特别是在精确控制几何形状、材料分布和内部结构方面。这种控制水平赋予了研究人员和工程师能力，以定制特定频率范围内的声学行为，并在优化重量、机械强度和结构复杂性方面取得突破。

相比之下，传统吸音材料，如多孔泡沫或纤维板，通常受限于固定的特性和有限的适应性。3D打印技术的出现，使得设计师能够创建具有亚波长精度的谐振结构和内部腔体，这些是操控声波与物质相互作用的关键因素。

该综述详细介绍了立体光刻（SLA）、选择性激光熔化（SLM）、熔融沉积成型（FDM）和数字光处理（DLP）等多种技术在制造新一代吸声器方面的应用。这些工艺能够构建出传统制造技术无法实现的复杂几何形状，并允许对孔径、壁厚、填充密度以及材料梯度等关键参数进行精细调整。因此，增材制造不仅提升了吸声效率，还拓宽了这些超材料的适用频率范围，使它更加适应特定环境和工业需求。

△声学超材料采用多种增材制造技术制造：a) 桶式光聚合，b) 粉末床熔融，c) 粘合剂喷射，d) 挤压，以及e) 材料喷射

论文将声学超材料分为四类结构，每种结构都具有独特的声波管理机制。首先，穿孔超材料通过微孔阵列耗散能量，有效吸收中高频噪声。这些微孔通常由气腔支撑，以增强它在低频范围内的性能。其次，开槽设计采用迷宫状或螺旋状通道，这些通道延长了声波的传播路径，使得在紧凑的空间内实现对低频噪声的有效衰减成为可能。第三，蜂窝结构，包括周期性蜂窝、螺旋状结构和随机泡沫，通过精心设计的孔隙率和内部共振机制，展现出宽带性能。最后，混合设计结合了多种特性，例如，带有嵌入式螺旋状腔体的穿孔表面或分层蜂窝芯，以实现跨多个声学区域的可调宽带吸收。

△声学超材料的分类和子分类

这些分类不仅在理论上得到了阐述，还通过实验得到了验证。性能指标，如吸声系数（SAC），是通过使用阻抗管和混响室进行测量得出的。论文强调，即使是微小的设计调整，例如改变穿孔角度或调整单元密度，也会对吸声性能产生显著影响。这进一步突显了增材制造技术在声学工程原型设计和生产中的重要价值。

△声学超材料的示意图和设计参数

模拟和实验验证

为了量化声学吸收性能，本研究回顾了分析模型和实验方法，并关注了关键参数，如吸声系数（SAC）、表面孔隙率和样品方向。通过验证技术，例如阻抗管和混响室测试，研究表明，增材制造的超材料能够达到甚至超越传统吸声体的性能。

此外，研究人员还指出了未来的发展方向，包括体积3D打印、多材料打印，以及利用智能材料实现可调声学响应的4D打印。这些方法预计将开发出能够适应环境变化或用户自定义输入的可扩展、可重构吸波材料。

总体而言，这个研究进展强调了3D打印技术与声学创新之间日益紧密的结合。预计将会开发出适应环境变化或用户自定义需求的可扩展、可重构吸波材料。这些进步不仅为声学设计提供了前所未有的自由度，还为未来的声音管理解决方案开辟了新的可能性。