📅 Data publikacji: 09.06.2025
W 2026 roku grupa badawcza AudioTech Labs kierowana przez dr. Martę Kowalską rozpoczęła ambitny projekt polegający na stworzeniu metamateriałów akustycznych zdolnych do kierunkowania i manipulacji falami dźwiękowymi w nowy, precyzyjny sposób. Dotychczasowe materiały dźwiękochłonne i izolacyjne były ograniczone do pasywnego pochłaniania lub odbijania fal, natomiast metamateriały otwierały perspektywę aktywnej kontroli kierunku propagacji fal akustycznych, ich zogniskowania oraz tłumienia w wybranym zakresie częstotliwości. Pierwszym etapem było przeprowadzenie symulacji numerycznych przy użyciu oprogramowania COMSOL Multiphysics, gdzie inżynierowie modelowali mikrostrukturę komórek o kształcie skrzynek Helmholtza i fali o strukturze typu labyrinth, zoptymalizowane do rezonansu w paśmie 500 Hz–5 kHz. Wyniki wykazały, że odpowiednio zaprojektowane układy porów i kanalików mogły redukować poziom dźwięku nawet o 30 dB w wąskim paśmie, jednocześnie minimalizując odbicia poza tym zakresem.
Symulacje uzupełniono pomiarami laboratoryjnymi w komorze bezodbiciowej, gdzie prototypowe płytki o wymiarach 150×150×20 mm drukowano na precyzyjnej drukarce 3D résidentnej firmy FormLabs, wykorzystując materiał polimerowy z domieszką nanocząstek krzemionki. Każda próbka posiadała regularny układ pustek o średnicy od 2 do 8 mm, połączonych cienkimi przegrodami o grubości 0,5 mm. Testy akustyczne przeprowadzone przy użyciu mikrofonów klasy laboratoryjnej wykazały, że wybrane struktury osiągnęły przesunięcie fazowe do 120° w paśmie rezonansowym, co potwierdziło zdolność do kierowania fali w zadanym kierunku. Data logi i analiza spektrogramów pozwoliły także zidentyfikować minimalizację rezonansów bocznych, wskazując na potencjał materiału do zastosowań w izolacji dźwięku w pomieszczeniach o wysokich wymaganiach akustycznych, takich jak studia nagraniowe czy sale koncertowe.
Aby przygotować materiał do kolejnego etapu, zespół opracował metodę przygotowania proszkowej mieszanki fotopolimerowej wzbogaconej nanocząstkami z metalu lekkiego (stop alpaki), poprawiającą kontrolę nad tłumieniem szerokopasmowym. Próbki formowano warstwa po warstwie, optymalizując natężenie światła UV i czas utwardzania, aby zachować spójność cienkich przegrodzeń i równomierność geometrii komór. Po zakończeniu testów dr Kowalska stwierdziła: „To pierwsze kroki ku rewolucji w akustyce — druk 3D pozwala nam projektować materiały od zera, dostosowując mikrostrukturę do precyzyjnych potrzeb użytkowników i środowiska.”
W drugiej fazie projektu partnerami AudioTech Labs zostały dwie firmy przemysłowe: SilentWave Industries, specjalizująca się w rozwiązaniach akustycznych dla motoryzacji, oraz ClearConcert, dostarczająca wyposażenie dla sal koncertowych. Na bazie wyników badań akademickich opracowano linie prototypowe drukarek 3D wielkogabarytowych, zdolnych do wytwarzania paneli o wymiarach do 1×2 m z materiałów kompozytowych zawierających elastomery i wtryskowane mikrosfery ceramiczne. Modułowe panele o grubości 50 mm posiadały gradientową strukturę porowatości — gęstsze komory przy powierzchni, stopniowo rozrzedzające się w głąb — co pozwalało na szerokopasmowe pochłanianie dźwięku od 200 Hz do 10 kHz. Pozytywnie zakończone testy ISO 354 przeprowadzone w akredytowanych laboratoriach potwierdziły absorpcję dźwięku na poziomie 0,85 w zakresie środka pasma.
SilentWave Industries wykorzystało te panele do izolacji akustycznej w kabinach pojazdów elektrycznych, gdzie eliminacja drgań silnika eksperymentalnie poprawiła komfort pasażerów o 25% według ankiet subiektywnych. Z kolei ClearConcert wdrożył stalowe ramy montażowe i panele akustyczne w filharmonii w Gdańsku, uzyskując klarowność dźwięku i zbalansowaną akustykę, o czym informowały recenzje krytyków i muzyków. Masowa produkcja paneli odbywała się z użyciem drukarek shop-floor, monitorowanych przez oprogramowanie AudioFlow, co minimalizowało odrzuty do 5% i zapewniało powtarzalność parametrów.
Wspólnie z partnerami przemysłowymi rozwinięto także koncepcję adaptacyjnych ścian akustycznych: panele osadzone na siłownikach mogą zmieniać geometrię mikrostruktur w czasie rzeczywistym, modulując częstotliwości tłumienia w zależności od warunków akustycznych. Prototypy wyposażono w czujniki pomiaru poziomu dźwięku i temperatury, sterowane za pomocą algorytmów uczenia maszynowego, co umożliwiło dynamiczne dostosowywanie ustawień w pomieszczeniach konferencyjnych, biurach i studiach. Testy środowiskowe wykazały niezawodność działania przez ponad 1000 cykli przełączeń, otwierając nowe możliwości w adaptacyjnej architekturze akustycznej.
Trzecia faza skupiła się na integracji akustycznych metamateriałów z elektroniką oraz budowie inteligentnych systemów dźwiękochłonnych. We współpracy z Wydziałem Elektroniki Politechniki Wrocławskiej opracowano panele z wbudowanymi membranami piezoelektrycznymi, generującymi energię z drgań akustycznych. Testowe laboratorium wykazało, że przy hałasie o natężeniu 85 dB panele mogą dostarczyć do 50 mW mocy, wystarczającej do zasilania sensorów IoT monitorujących jakość powietrza i wilgotność pomieszczenia.
Równocześnie AudioTech Labs razem z partnerami zainicjowało projekt OpenSound3D — otwartą platformę dzielącą się projektami i danymi pomiarowymi metamateriałów akustycznych. Społeczność naukowców i inżynierów z kilkunastu krajów rozwijała nowe wzory komór i struktur, publikując wyniki w repozytoriach GitHub i uczestnicząc w międzynarodowych warsztatach.
W perspektywie najbliższych lat planowane jest wprowadzenie tych materiałów do zastosowań w lotnictwie — lekkie panele tłumiące hałas turbin i drgań w kabinach samolotów, jak również w medycynie, gdzie metamateriały posłużą do tworzenia akustycznych gogli diagnostycznych do obrazowania tkankowego w ultradźwiękach. Dr Kowalska podsumowała: „Akustyczne metamateriały to przyszłość kontroli dźwięku — od cichych biur po techniki medyczne. Druk 3D daje nam wolność projektowania na poziomie strukturalnym, a ludzka wyobraźnia dopiero odkrywa pełnię zastosowań.” 🌟