近日，我院科研团队在降噪超结构与结构功能一体化设计领域取得重要研究进展。相关研究成果以 “Sound-absorbing continuous fiber-reinforced composite metastructure” 为题，发表在国际先进制造领域权威期刊 International Journal of Extreme Manufacturing。金亚斌和庄晓莹为论文通讯作者。该研究围绕极端环境下结构轻量化、高承载与宽带降噪难以兼顾这一关键问题，提出了一种基于连续纤维增强复合材料的超结构设计与制造新策略，在实现高效宽带吸声性能的同时显著提升了结构力学性能，为航空航天、先进交通与工程装备等领域的噪声控制提供了新的理论支撑和技术路径。
研究背景
在航空航天、先进交通及工程装备等极端服役环境中，结构往往需要同时满足高承载能力与高效噪声抑制的双重需求。然而，传统多孔吸声材料虽然具有良好的声学耗散能力，但其力学性能不足、低频吸声依赖大尺寸结构，难以直接应用于承载构件。近年来，超结构为宽带声学调控提供了新的理论与结构设计思路，但现有研究多聚焦于声学性能本身，较少同时考虑材料体系、制造工艺与结构承载能力的协同设计。如何在保持结构紧凑与力学强度的同时，实现宽频高效吸声，仍是亟需突破的关键科学问题。
研究内容
针对上述挑战，研究团队提出了一种基于 Fabry–Pérot 声学通道的连续纤维增强复合材料降噪超结构。该结构充分利用连续碳纤维复合材料的各向异性承载特性与声学通道的多模共振机制，实现了声学性能与力学性能的兼顾设计。在理论方面，研究团队构建了声学阻抗模型与耦合模理论相结合的分析框架，用于准确预测不同频段下结构的吸声行为；在制造方面，使用复合材料增材制造系统与路径设计策略，保证了声学结构的制造可行性与结构完整性。实验结果表明，该超结构在 1500–5500 Hz 频段内实现了平均吸声系数超过 0.9 的宽带高效吸声性能。同时，连续纤维增强显著提升了结构在弯曲、压缩与剪切工况下的力学性能。
创新点
结构-材料-制造一体化设计：不同于传统声学结构仅关注几何与声学机理的设计思路，该研究将超结构设计、连续纤维复合材料特性与增材制造工艺约束统一纳入同一设计框架，实现了多功能结构的协同设计。
宽带高效吸声与承载能力兼顾：实现了宽频段高吸声性能，并显著提升了结构整体刚度与强度，突破了传统吸声材料的强度和性能难以兼得的限制。
连续纤维路径引导的功能增强机制：通过合理的纤维铺设路径规划，连续纤维承担主要载荷，显著增强了结构在弯曲、压缩和剪切等典型工况下的承载能力与结构稳定性，充分发挥了连续纤维复合材料的各向异性力学优势。
总结
该研究提出了一种面向极端环境的多功能复合材料声学超结构设计新范式，为实现轻量化、高承载与高效噪声控制的工程结构提供了可行方案。相关成果不仅拓展了连续纤维复合材料在声学领域的应用边界，也为未来多物理场耦合的功能结构设计提供了重要理论与技术参考。
原文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/ae35ea
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