哈利法大學(xué)和達索航空研究人員利用3D打印為聲學(xué)超材料設(shè)計開辟新可能

2025年5月26日，南極熊獲悉，哈利法大學(xué)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(shù)在聲學(xué)超材料（ACA-Meta）領(lǐng)域的前沿應(yīng)用。該綜述將聲學(xué)超材料分為四大類：穿孔型、開槽型、蜂窩型及混合型結(jié)構(gòu)，并重點分析了增材制造技術(shù)如何在設(shè)計自由度和結(jié)構(gòu)性能方面展現(xiàn)獨特優(yōu)勢。

△相關(guān)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(xué)控制

增材制造技術(shù)為聲學(xué)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)的聲學(xué)行為，并在優(yōu)化重量、機械強度和結(jié)構(gòu)復(fù)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(yīng)性。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，使得設(shè)計師能夠創(chuàng)建具有亞波長精度的諧振結(jié)構(gòu)和內(nèi)部腔體，這些是操控聲波與物質(zhì)相互作用的關(guān)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(shù)在制造新一代吸聲器方面的應(yīng)用。這些工藝能夠構(gòu)建出傳統(tǒng)制造技術(shù)無法實現(xiàn)的復(fù)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(guān)鍵參數(shù)進行精細調(diào)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(yīng)特定環(huán)境和工業(yè)需求。

△聲學(xué)超材料采用多種增材制造技術(shù)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(xué)超材料分為四類結(jié)構(gòu)，每種結(jié)構(gòu)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(nèi)的性能。其次，開槽設(shè)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(nèi)實現(xiàn)對低頻噪聲的有效衰減成為可能。第三，蜂窩結(jié)構(gòu)，包括周期性蜂窩、螺旋狀結(jié)構(gòu)和隨機泡沫，通過精心設(shè)計的孔隙率和內(nèi)部共振機制，展現(xiàn)出寬帶性能。最后，混合設(shè)計結(jié)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(xué)區(qū)域的可調(diào)寬帶吸收。

△聲學(xué)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(diào)，即使是微小的設(shè)計調(diào)整，例如改變穿孔角度或調(diào)整單元密度，也會對吸聲性能產(chǎn)生顯著影響。這進一步突顯了增材制造技術(shù)在聲學(xué)工程原型設(shè)計和生產(chǎn)中的重要價值。

△聲學(xué)超材料的示意圖和設(shè)計參數(shù)

模擬和實驗驗證

為了量化聲學(xué)吸收性能，本研究回顧了分析模型和實驗方法，并關(guān)注了關(guān)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(shù)，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(diào)聲學(xué)響應(yīng)的4D打印。這些方法預(yù)計將開發(fā)出能夠適應(yīng)環(huán)境變化或用戶自定義輸入的可擴展、可重構(gòu)吸波材料。

總體而言，這個研究進展強調(diào)了3D打印技術(shù)與聲學(xué)創(chuàng)新之間日益緊密的結(jié)合。預(yù)計將會開發(fā)出適應(yīng)環(huán)境變化或用戶自定義需求的可擴展、可重構(gòu)吸波材料。這些進步不僅為聲學(xué)設(shè)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。