复旦&同济等联合 l 3D打印连续纤维复合材料宽带吸声超结构

近年来，噪声污染已成为一个严重且日益严峻的环境问题。在航空航天、交通运输和建筑等极端应用场景中，噪声抑制面临着关键挑战。这些挑战的原因在于，降噪结构必须同时具备优异的承载强度与高效的声学调控能力，而传统的声学材料与承重结构之间往往难以实现这种性能平衡，存在显著的设计矛盾。

声学超材料和超表面的兴起为降噪开辟了新途径，然而，现有的大多数研究主要聚焦于优化声学性能，缺乏能够同时考虑结构设计、材料属性和制造工艺的全局性策略，难以实现真正意义上的结构-功能一体化。

值得注意的是，增材制造技术的快速发展为实现创新设计理念提供了有力工具。其中，连续纤维增强复合材料因其卓越的机械性能和多功能潜力而备受关注。这类材料的增材制造不仅大幅提升了结构设计的自由度，更展示出设计和制造高强度、多功能集成结构的独特优势。

针对复合材料增材制造技术的工艺特点，结构设计需满足少支撑和具备可连续纤维增强的垂直壁面等要求。而法布里-珀罗（Fabry-Pérot, FP）声学通道设计恰好契合这些需求，是实现高效降噪的理想几何构型。

近期，来自复旦大学、同济大学、新加坡国立大学和汉诺威大学的研究团队在《International Journal of Extreme Manufacturing》期刊上发表论文，介绍了一种新型多功能复合超结构。该结构将法布里-珀罗声学通道设计与定制化开发的连续纤维增强增材制造工艺相融合，并通过双喷嘴机器人与路径优化打印技术成功制备。这一紧凑型超结构不仅实现了宽带高效吸声，还展现出卓越的机械鲁棒性。

本期谷·专栏将对该论文进行简要分享。

论文链接：

https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae35ea

作者

杨怡龙、刘亚沣、苗双双、潘永东、翟玮、庄晓莹*、金亚斌*

机构

复旦大学、同济大学、新加坡国立大学、汉诺威大学

Citation

Yang Y L, Liu Y F, Miao S S, Pan Y D, Zhai W, Zhuang X Y, Jin Y B. 2026.Sound-absorbing continuous fiber-reinforced composite metastructure. Int. J. Extrem. Manuf. 8 035501.

文章导读

在航空航天、交通与建筑等极端服役环境中，降噪结构常面临“高吸声”与“高强度”难以兼得的矛盾。近期，复旦大学计算力学与人工智能交叉研究院的金亚斌和庄晓莹课题组，提出一种连续纤维增强复合材料吸声超结构：以法布里－珀罗声学通道为核心，同时结合连续纤维复合材料增材制造，实现结构承载与宽带吸声一体化，并在《极端制造（英文）》期刊上发表了题为“Sound-absorbing continuous fiber-reinforced composite metastructure”的文章。

图文解析

本研究的创新之处在于结构采用多共振通道设计，通过不同通道高度产生多阶共振耦合，实现宽带吸声，同时利用连续碳纤维复合材料的各向异性增强承载性能，实现“吸声—承载”统一。

图1 声学超结构的理论框架与设计方法。（a）结构的横截面视图。（b）结构的内部空气区域。（c）声阻抗理论示意图。（d）耦合模式理论示意图。（e）结构优化算法的程序流程图。

研究建立了阻抗模型用于低频预测，并引入耦合模态理论考虑高阶衍射效应，使高频段预测更贴近实验现象。

图2 结构路径规划设计。

在制造过程中，通过路径规划实现关键受力壁的连续纤维铺放与其余区域填充成形。

图3 复合材料超结构的吸声性能。（a）复合材料超结构试样及显微图。（b）树脂超结构试样及显微图。（c）驻波管系统的照片及示意图。（d）耦合模式理论结果、声阻抗理论结果及实验结果的吸声谱对比图。（e）复合材料试样与树脂试样实验结果吸声谱对比图。

实验验证在 1500–5500 Hz 区间平均吸声系数超过 0.9。同时，连续纤维增强显著提升结构在弯曲、压缩与剪切等工况下的承载能力与抗损伤表现。

总结与展望

本文提供了一条面向极端环境的“材料—制造—超结构”一体化路线：在有限厚度内同时获得高吸声与高承载，为航空整流罩/舱段降噪、先进交通装备与轻量化建筑构件提供可制造的多功能方案。未来可进一步面向大尺寸与复杂曲面构件，发展更自动化的纤维连续性保持与缺陷控制策略，并针对特定噪声谱实现快速定制化设计。

作者与团队简介

金亚斌

复旦大学

金亚斌，复旦大学计算力学与人工智能交叉研究院副院长、研究员、博士生导师。研究方向：波动力学与人工智能交叉、智能结构材料、结构功能一体化智能设计等。入选欧盟玛丽居里学者、斯坦福大学全球前2%科学家、中国科协青托、上海市东方学者特聘教授/东方英才拔尖计划/浦江人才计划等。兼任Wave Motion副主编、Journal of Physics D: Applied Physics编委、Theoretical and Applied Mechanics Letters青年编委、国际机械系统动力学学会（ISMSD）专委会秘书长等。以第一/通讯作者在Physical Review Letters、Nature Communications、Advanced Science、International Journal of Extreme Manufacturing、Nonlinear Dynamics等权威期刊发表论文70余篇，3 篇入选 ESI 高被引论文，论文被引用3600余次。

庄晓莹

同济大学

庄晓莹，欧洲科学与艺术院院士，欧洲科学院(Academia Europaea)院士，长期从事土木工程多尺度破坏理论与智能材料设计的基础研究及工程应用创新。其自主研发的纳观-微观-亚观-宏观四尺度计算模型，突破了传统多尺度分析框架，为轻质复合结构材料设计与三维断裂模拟提供了关键技术支撑；开创的多物理场耦合智能材料破坏理论体系，推动了岩土工程智能材料设计与非连续变形分析技术的革新。主持国家自然科学基金、欧盟国际合作项目等重大课题 6 项，发表 SCI 论文 300 多篇，他引 21000 多次，28 篇入选 ESI 高被引论文，2019 年至今连续多年位列ISI全球高被引学者(前1%)，多篇成果入选“千分之一热点论文”。获上海市自然科学一等奖、中国岩石力学与工程学会自然科学特等奖、德国洪堡基金会索菲亚奖(青年科学家最高荣誉)、莱布尼茨青年科学家奖等10 余项国内外权威奖项。担任国际岩石力学学会、中国力学学会等分委会委员、中国岩石力学与工程学会国际处副秘书长，担任Engineering Geology、Computer Methods in Engineering Sciences等7 本 SCI 国际期刊副主编/编委。

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