📅 Data publikacji: 09.06.2025
У 2026 році команда AudioTech Labs під керівництвом д-ра Марти Ковальської поставила амбітну мету: створити акустичні метаматеріали, здатні не просто гасити чи відбивати звук, а спрямовувати його, фокусувати й активно гасити в обраних діапазонах частот. Ідея здавалася фантастичною: звукові хвилі, які тягнуться скільки завгодно метрів у повітрі, можна було б «упакувати» в тонкі панелі з наддосконалою пористою структурою. Для цього дослідники вдалися до чисельного моделювання в COMSOL Multiphysics, створивши віртуальні клітинні архітектури за зразком резонаторів Гельмгольца й лабіринтових каналів. Параметри — діапазон 500 Гц – 5 кГц, діаметр отворів від 2 до 10 мм, товщина стінок від 0,3 до 0,7 мм — підбирали за допомогою методів оптимізації. Симуляції показали, що такі структури можуть зменшувати інтенсивність звуку на 25–35 дБ у вузьких смугах, одночасно не створюючи зайвих відблисків поза резонансом.
Після численних математичних розрахунків команда перейшла до практики: у безвідбивальній камері науковці надрукували перші тестові панелі розміром 150×150×20 мм за допомогою SLA-принтера FormLabs із сполученою фотополімерною смолою, змішаною з наночастинками діоксиду кремнію. Кожна панель мала впорядковану матрицю пор ⌀ 2 – 8 мм, поєднаних лабіринтовими каналами. Вимірювання фазового зсуву звукових хвиль на частоті резонансу показало зсув до 130°, що підтвердило спрямоване керування звуком. Аналіз спектрограм виявив зменшення «бічних» резонансів, відкривши шлях до створення звукопоглинаючих панелей для студій звукозапису, концертних залів і навіть медичних аудиторій, де потрібна точна акустика.
Паралельно з експериментами з формами комірок зразки піддавали температурній та вологій обробці, щоб визначити стабільність матеріалу у реальних умовах. Смоляні панелі демонстрували незначну зміну акустичних властивостей при вологості від 30% до 80% і температурі від +5 °C до +40 °C. Це стало ключовим кроком: метаматеріали повинні були працювати незалежно від клімату чи умов експлуатації. Д-р Ковальська відзначила: «Поєднання цифрового моделювання й точного 3D-друку відкрило новий світ для акустики — ми більше не прив’язані до традиційних пористих матеріалів». 🌟
Наприкінці першої частини було вирішено підсилити конструкцію панелей вбудованими металевими фольгами, надрукованими окремою головкою екструдера. Це додало можливість змінювати внутрішнє демпфіювання в залежності від цілей: фольга активувалася при потребі відбивати низькочастотні хвилі, залишаючи високу частоту для поглинання. Перші результати тестів показали додаткову зниження низьких частот до 40 дБ, заклавши підвалини для еволюції до активних адаптивних систем.
У другій фазі міжнародні партнери — SilentWave Industries та ClearConcert Acoustics — інвестували в обладнання для багатоформатного друку панелей розміром до 1×2 м на основі міцного фотополімера і еластомерів. Принтери з робочим полем 1000×600 мм забезпечили друк з градієнтною пористістю: щільніші клітинки на поверхні для абсорбції високих частот і більш відкриті глибше для поглинання низьких. Сертифіковані ISO 354 випробування підтвердили коефіцієнт поглинання 0,88 у середньому діапазоні, що значно перевищує дротові та пінні аналоги.
SilentWave впровадив панелі в салони електромобілів, де зменшення шуму приводу склало 20% за суб’єктивними опитуваннями пасажирів. ClearConcert використовував метаматеріали для акустичної обшивки філармонії в Кракові, отримавши високі оцінки за чіткість звучання, відзначалися м’які затихання після різких піків. Кожна панель монтувалася на легку алюмінієву раму, а виробничий процес під контролем AudioFlow зменшив відсоток дефектів до 3%.
Розроблено також адаптивні акустичні перегородки: панелі встановлювали на моторизовані кронштейни з сенсорами рівня шуму та температури. За допомогою машинного навчання система в реальному часі змінювала геометрію внутрішніх каналів, коригуючи частоту поглинання залежно від потреб: конференц-зали під час лекцій вимикали високі частоти, а під час музичних виступів акцентували середній діапазон. Після 1500 циклів переключень ефективність залишалася на 95% початкового рівня.
Прикладом успішного комерційного застосування стала адаптивна стіна в офісному центрі Varso Tower у Варшаві — модулі реагували на шум в коридорах, створюючи тихі зони біля переговорних кімнат. Менеджмент оцінив інвестицію як стратегічну для зростання продуктивності працівників та покращення ергономіки простору. 🏢
У третій фазі досліджень AudioTech Labs інтегрувала електроніку безпосередньо в панелі. Спільно з кафедрою електроніки Папського університету була створена версія з вбудованими п’єзоелектричними мембранами, що генерують до 5 В при вібраціях 1 кГц. Ці пристрої потенційно здатні живити автономні сенсори IoT для моніторингу структури мостів, тунелів та залізничних колій, знижуючи необхідність в обслуговуючому персоналі.🔧
Запущено ініціативу OpenSound3D — відкрита платформа з репозиторіями клітинних форм, даними акустичних вимірювань та параметрами друку. Дослідники з понад 20 країн обмінювалися новими геометріями через GitHub, сприяючи швидкому поширенню інновацій та стандартизації методик. 🌍
В перспективі планується застосування метаматеріалів в аерокосмічній галузі: лімітерні екрани для зменшення шуму турбін на геостаціонарних супутниках та легкі шумопоглинаючі щити для кабін космічних кораблів. Окрім того, акустичні метаматеріали можуть стати основою для нових методів медичного ультразвукового дослідження, де фокусована хвиля генерує зображення з неймовірною роздільною здатністю.🚀
Д-р Ковальська підсумувала: «Акустичні метаматеріали змінюють наше уявлення про звук — тепер ми не лише чуємо, а й проектуємо його. 3D-друк дозволяє вбудовувати інтелект на рівні структури, а справжня революція лише починається». 🌟