3D-tulostetut akustiset rakenteet

Tuomo Silvast, Hannu Korhonen, UEF Teknillisen fysiikan laitos

Keskeinen viesti

Akustinen rakenne on yleensä suunniteltu suuntaamaan, vaimentamaan tai voimistamaan ääniaaltoja, joita ihmiskorva kuulee taajuusvälillä noin 20 – 20 000 Hz, tai aallonpituuksina 17 cm – 17 m ilmassa. Akustisen rakenteen yksityiskohdat ovat tyypillisesti aallonpituutta pienempiä, luokkaa 1/10 – 1/30 aallonpituudesta.

Kirjallisuuden mukaan 3D-tulostettuja akustisia rakenteita on tehty pääosin testitarkoituksissa erilaisilla lisäävillä tulostusmenetelmillä. Tulostetuilla rakenteilla pyritään vaikuttamaan akustisen aaltorintaman voimakkuuteen, suuntaan ja erityisesti signaalin vaimenemiseen tai imeytymiseen. Lisäävän valmistuksen monipuolisuus on laajentanut akustisten sovellusten mahdollisuuksia ennennäkemättömällä tavalla.

Viimeisten viiden vuoden aikana (2020-2025) akustisten metamateriaalien soveltava tutkimus on runsastunut huomattavasti. Muun muassa matalataajuisen äänen vaimennus on ottanut suuria harppauksia 3D-tulostettujen metamateriaalien myötä. Lopullisena päämääränä voisi pitää modulaarista aliaallonpituusmittakaavan rakennetta, jonka kerroksia tai modulijärjestystä muuttamalla saadaan suurelle kappaleelle haluttu akustinen vaikutus signaalin läpäisyssä, suuntautumisessa, voimistumisessa tai vaimenemisessa.

Rakenteet ja materiaalit

Lisäävän valmistuksen avulla tehdyt akustiseen vaikutukseen tähtäävät rakenteet voivat olla hyvin monimuotoisia ja ominaisuuksiltaan luonnonmateriaaleista poikkeavia. Erilaisilla rakenteilla ja materiaaleilla pyritään vaikuttamaan ääneen tarpeen mukaan [1]. Tavoitteena voi olla esimerkiksi

• Heijastuminen, suuntaus tai kohdistaminen: ääni ohjataan haluttuun suuntaan tai pisteeseen [2].
• Vaimennus tai absorptio: äänienergian muuttaminen materiaalissa lämmöksi tai värähtelyksi [3].
• Vahvistus: esimerkiksi torvimaiset muodot keskittävät ääntä [4].
• Läpäisy tai suodattaminen: tietyt taajuudet päästetään läpi tai vaimennetaan [5].
• Sironnan hallinta: heijastusten estäminen tai hajauttaminen [6].
• Kohinan- tai melunvaimennus: häiritsevien äänten hajauttaminen tai imeyttäminen [7].
• Energian valjastus tai naamiointi [8].
• Havainnointi, mittaus tai analysointi [9].

Tavanomaiset akustiset materiaalit ovat tehokkaita korkeiden äänien vaimentamisessa. Sen sijaan voimakkaat matalat taajuudet ovat hankalia vaimennettavia mm. meluntorjunnan näkökulmasta.

Lisäävällä valmistuksella voidaan päästä luonnonmateriaaleja parempaan vaimennukseen valmistamalla pienikokoisempia ja kevyempiä rakenteita [10] . Yksinkertaisin akustinen rakenne lienee reikäinen levy eli perforoitu paneeli, jonka takana on onteloita ja kiinteä tausta. Akustiseen toimivuuteen vaikuttavia rakenneosia ovat mm. reikäkoko, reiän muoto, reikäosuus, levyn taustaonteloiden geometria ja kerroksellisuus sekä onteloiden täyttö [11] . Ominaisuudet vaikuttavat kokonaisuutena eikä mikään niistä ole erityisesti tärkeimmässä roolissa. Esimerkiksi jaksoton reikäkokojakauman muuttuminen vaikuttaa huomattavasti äänen absorption mallinnustuloksiin [12] . Rakenne voi olla myös rakolevy, osittain väliseinäinen tai labyrinttimäinen ontelo, hunajakennorakenne, ristikkorakenne, levyrakenne, jaksollinen tai satunnainen solurakenne, origamimainen tai erilaisten rakenteiden yhdistelmä, isotrooppinen tai anisotrooppinen (Kuva 1). Solurakenne voi olla tasakokoinen tai solujen koko, muoto ja suuntautuminen voi muuttua säännöllisesti tai satunnaisesti. Rakenne voi olla kerroksellinen, liukuvasti muuttuva tai fraktaalimainen. Akustinen materiaali voi olla myös pinnoitteena vesitiiviin pohjamateriaalin päällä, tai onteloina tai huokosina vedenpitävän perusmateriaalin sisällä.

Reikälevyrakenteita sekä kuitulevyjä tai vaahtolevyjä on tyypillisesti käytössä rakennuksissa ja liikenneakustiikassa. Myös ohuilla rakenteilla on saatu ohjattua ääniaaltoja haluttuun suuntaan ja rakenne voidaan suunnitella vaikka akustista naamiointia varten [14] . Fysiikkaa tämän ilmiön takana on selostettu [15] , mutta käytännön sovellusesimerkkejä on vain harvoja (esim. Sun K 2025 [16]). Akustisia metamateriaaleja on käytetty apuna myös äänisignaalin analyysissa esimerkiksi hammasrattaan ja laakerin vianhavainnoinnissa [17] .

Akustinen vaikutus perustuu usein enemmän rakenteeseen kuin materiaaliin:

• Huokoiset rakenteet → tehokas absorptio
• Fraktaalimaiset muodot → laajakaistainen vaimennus
• Modulaarisuus → muunneltavuus ja skaalautuvuus.

Joillekin rakenteille on vakiintunut oma terminsä ehkä jossakin muussa yhteydessä ja vastaavan rakenteen on havaittu soveltuvan myös akustisiin tarpeisiin. Esimerkkinä tässä on muutamia valittuja rakennetermejä.

• Akustisella metamateriaalilla on luonnonmateriaaleista poikkeavia materiaaliominaisuuksia aikaansaava rakenne, joka vaikuttaa ääniaaltoihin ja saadaan aikaan esimerkiksi 3D-tulostamalla [14] .
• Aukseettinen materiaali tai rakenne venytettäessä levenee ja puristettaessa kapenee, mikä on päinvastoin kuin miten materiaalit yleensä käyttäytyvät. Aukseettisen rakenteen geometriaa muuttamalla voidaan vaikuttaa esimerkiksi matalataajuisen äänen absorptioon materiaalissa [18] .
• Cuttlebone: Seepiansuomu tai aiemmin ’valaansuomu’, joka rakenteeltaan muistuttaa monikerroksista aaltopahvia [19] ja absorboi hyvin ääntä [20] .
• Akustisella Eaton-linssillä voidaan ohjata ääniaaltoja tiettyyn suuntaan tai tiettyyn polttopisteeseen. Eaton linssi koostuu perusmuodossaan pilarimaisista tai pallomaisista osasista ja sen taitekerroin on säteittäissymmetrinen. 3D-tulostettua Eaton-linssiä ovat kokeilleet esim. G Du ym. [21] .
• Fabry-Perot kanava on eräs yksikkörakenne, joita kokoamalla muodostetaan esimerkiksi matalataajuista ääntä vaimentava kappale. Julkaisuista löytyy myös 3D-tulostettujen testikappaleiden vaimennustuloksia sekä teoreettiset perusteet tällaisen rakenteen absorptiokertoimen laskemiseksi [22] .
• Helmholtz resonaattori on eräs yksikkörakenne (kaula ja ilmaontelo) äänen taajuuden määrittämiseksi, vahvistamiseksi tai vaimentamiseksi (https://www.britannica.com/science/sound-physics/The-Helmholtz-resonator).
• Akustisessa Luneburg-linssissä taitekerroin muuttuu tasaisesti ulkopinnalta keskustaa kohti. Tällaisella linssillä saadaan ääniaallolle esimerkiksi yksi, kaksi tai kolme polttopistettä, tai keilamuoto tai kollimointi [23] .

Tyypillisesti resonanssirakenteet toimivat vain hyvin kapealla taajuuskaistalla [24], mutta viimeaikaiset tutkimukset ovat raportoineet myös totuttua leveämmistä vastealueista [22] . Erityisesti labyrinttimäisen rakenteen tai Arkhimedeen spiraalin on sanottu soveltuvan leveäkaistaiseen akustiseen hallintaan [10] . Rakenteen kerroslukumäärän lisääntymisen ja huokoisen väliaineen on havaittu leventävän absorptiokaistaa [25] , samoin kuin monionteloisen yksikkörakenteen kun onteloiden syvyys vaihtelee [26] .

Kun rakenne vaikuttaa äänen kulkuun, myös rakenteen geometrian muuttaminen muuttaa äänen kulkua [18] . Hilarakenteesta on todettu, että mitä koukeroisempi rakenne sen parempi äänen absorptio [28] . Esimerkiksi reikälevyn ja taustan ilmavälin suurentamisen tai onteloiden syvyyden kasvattamisen ja ontelon kaulan pidentämisen on havaittu siirtävän absorptiota matalampitaajuiseen suuntaan. Ontelokaulan spiraalimainen muoto edelleen parantaa matalataajuisen äänen vaimennusta. Toisaalta onteloiden koon suurentamisen on havaittu siirtävän absorptiota korkeataajuuksiin päin. Äänen absorptioon on kokeiltu myös epäsymmetrisiä onteloita, mitä voidaan ajatella eri kokoisten onteloiden yhdistämisenä ilman väliseiniä. Reikälevyssä kolmiomuotoisten reikien on havaittu toimivan paremmin vaimentamisessa kuin neliöiden tai pyöreiden reikien. Äänen etenemissuuntaan kapeneva reikämalli toimii jopa paremmin kuin tasalevyinen tai levenevä reikä [29] . Yleisimmin akustiset rakenteet ovat kiinteitä ja joustamattomia eikä niitä voi säätää. Toisaalta aktiivinen akustinen rakenne voi muuttaa akustista toimintaansa reaktiona ulkoiselle ärsykkeelle. Ulkoinen ärsyke voi olla esimerkiksi lämpötilan muutos, sähkövirta tai akustinen teho. [24] Jos kiinteä rakenne rikkoutuu, menetetään myös rakenteen akustinen toiminta. Rakenteen joustavuus ja korjattavuus varsinkin rankoissa olosuhteissa ovat välttämättömiä ominaisuuksia. Esimerkiksi Xu J ym. [30] (Applied Acoustics 231, 2025) muodostivat 3D-tulostamalla moniosaisen kokoonpuristuvan rakenteen, jolla on erinomainen joskin kapea akustinen absorptiokaista matalilla taajuuksilla. Taajuuskaistan leventäminen onnistuu monistamalla yksikkörakennetta ja säätämällä yksikkörakenteiden resonanssitaajuuksia toistensa viereen.

Perinteisiä ääntä vaimentavia rakenteita on kaupallisesti tarjolla runsaasti. Eurooppalaisia akustisten paneelien valmistajia ovat mm.

• Addictive Sound https://addictivesound.eu/en/
• Aectual https://aectual.com/categories/acoustic-panels
• Arturel https://arturel.eu/
• Ekustik https://www.ekustik.eu/acoustic-solutions
• EQ Acoustics https://eqacoustics.com/
• Ewona https://ewona.fi/tuoteryhmat/akustiikka/
• GIK Acoustics Europe https://gikacoustics.net/
• Gustafs https://gustafs.com/knowledge-hub/room-acoustics/
• Materialise https://www.materialise.com/en/inspiration/articles/3d-printing-acoustic-panels
• Silentmax https://silentmax.eu/
• The Acoustics Company https://acousticpanels.co.uk/
• Vibe by Vision https://vibebyvision.com/customisations/

Ratkaistavat kysymykset ja ongelmat

Erilaisia rakenteita on tutkittu erilaisia tarkoituksia varten — esimerkiksi tiettyä taajuutta vaimentamaan, määrätylle taajuuskaistalle, tietynkokoisen komponentin tekemiseksi tai jonkin valmistustekniikan soveltamiseksi — mutta koostavaa selostusta rakenteiden vaikutuksista äänen kulkuun ei ole vielä muodostettu. Aaltoliiketeorioiden ja mallien laajentuessa epälineaarisiin materiaaleihin ovat myös sovellukset kehittyneet laajakaistaisemmiksi tai avanneet uusia mahdollisuuksia aaltojen manipulointiin [32] . Useita teorioitakin on rakenteiden suunnittelussa käytetty analyyttisin, numeerisin tai koneoppimisen ratkaisuin [31] . Teoriassa voidaan muodostaa täydellinen äänen absorbaattori, jos joko tehollinen massatiheys tai tilavuuskimmokerroin on negatiivinen, jolloin aaltovektori ja vaihenopeus ovat imaginaarisia eli aalto katoaa [33] .

Komponenttityyppi ja yksikkörakenne monesti määrittävät soveltuvan teorian. Useimmiten akustisen rakenteen mallinnukseen käytettyjä teorioita ovat:

• Snellin laki
• Blochin teoria, aaltojen eteneminen jaksollisissa rakenteissa
• Tehollisen väliaineen malli (Effective medium theory), heterogeenisen materiaalin käsittely homogeenisena tehollisten ominaisuuksien avulla
• Kytkettyjen toimintatilojen teoria (Coupled mode theory)
• Siirtomatriisiteoria (Transfer matrix theory), äänikenttä lasketaan rakennekerroksittain siirtomatriisien avulla
• Elementtimenetelmä (Finite element method), numeerinen osittaisdifferentiaaliyhtälöiden ratkaisumenetelmä, kun ongelma on muutettu lineaariseksi yhtälöryhmäksi
• Vastinpiirimenetelmä (Equivalent circuit method), akustinen rakenne mallinnetaan elektroniikkapiirien avulla, jolloin laskenta on nopeampaa ja yksinkertaisempaa

Tekoälymallit pohjautuvat useimmiten johonkin klassiseen teoriaan, mutta ohjelmoijan ymmärrys fysiikasta painaa paljon tehokkaan tekoälylaskennan suunnittelussa. Esimerkiksi fraktaalimaisia akustisia metamateriaaleja on mallinnettu yhdistämällä Reissner-Mindlin laattateoria viskoelastiseen, kumimaiseen Kelvin-Voigt-malliin ja käyttämällä siirtomatriiseja. Myös syväoppivia menetelmiä ja neuroverkkoja on käytetty akustisten metamateriaalien ja komponenttien suunnittelussa.

Materiaalin äänenvaimennus- ja äänenläpäisyominaisuuksia testataan tavallisimmin ääni-impedanssiputkella, joka koostuu signaaligeneraattorista, kaiuttimesta, vakiokokoisesta putkesta, näytemateriaalista, mikrofoneista, vahvistimesta ja datankeruulaitteesta (standardi ISO 10532:2023). Putken sisähalkaisija on 30, 60 tai 100 mm, tai joskus 16 mm. Tyypillisesti impedanssiputken pituus on neljännesaallonpituuden luokkaa [34] . Noin 100 Hz taajuuksille impedanssiputken pituus lähestyy metriä, mikä alkaa olla laboratoriossa lähellä kömpelöä mittaa eikä matalampia taajuuksia monesti ole siitä syystä tutkittu. Suurten kappaleiden ääniominaisuuksia mitataan kaiuntahuoneessa (standardi ISO 354:2003). Tuotannon näkökulmasta pohdittavia seikkoja ovat mm. massatuotantokelpoisuus, pienimmän tulostettavan piirteen koko, monimateriaalitulostus ja aktiivisen materiaalin käyttö [35]. Tulostustarkkuus määrää pienimpien piirteiden mittakaavan, eikä kaikkein pienimpiä yksikkörakenteita saada ehkä tehtyä. Tehokkaiden vaimentavien yksikkörakenteiden epälineaarisuus ja monimutkaisuus voivat olla vielä haasteita 3D-tulostukselle. Toisaalta lisäävällä valmistuksella voidaan tehdä moninaisia anisotrooppisia rakenteita, vaikka haasteena voi olla esimerkiksi kerrosten tai kuitujen sitoutuminen toisiinsa, teholliset kuitusuunnat tai ominaisuuksien mallintaminen [36] .

Skaalautuvuuden haasteet

Suurikokoisten akustisten rakenteiden toteutus tuo mukanaan teknisiä ja taloudellisia haasteita [37]:

• Tulostuskapasiteetti: Suuret kappaleet vaativat jaetun rakenteen tai erikoistulostimia.
• Rakenteellinen eheys: Modulaariset liitokset voivat aiheuttaa resonansseja.
• Akustinen jatkuvuus: Pienetkin valmistusvirheet vaikuttavat äänen käyttäytymiseen.
• Materiaalien käyttäytyminen: Ominaisuudet eivät skaalaudu lineaarisesti.
• Kustannukset ja logistiikka: Tulostus, kuljetus ja asennus voivat olla kalliita.

Materiaalivalinnat ja kerroksellisuus

Materiaalien valinta ja yhteensopivuus sekä tulostusmenetelmän valinta ovat keskeisiä lopputuloksen kannalta [38]:

Taulukko 1: Valittujen tulostusmateriaalien oleellisimpia ominaisuuksia.

Materiaali	Ominaisuus	Tulostusmenetelmä
TPU	Joustava, vaimentava	FDM
PLA	Jäykkä, heijastava	FDM
Resiini	Tiivis, tarkka	SLA
Nylon	Kestävä, diffusoiva	SLS

• Kerroksellisuus: Eri kerrokset voivat optimoida eri taajuuksia.
• Gradienttirakenteet: Asteittain muuttuvat ominaisuudet parantavat vaimennusta.
• Monimateriaalitulostus: Yhdistää jäykkyyden ja vaimennuksen samaan rakenteeseen.

Tulostusmenetelmät ja tekniset rajoitteet

Monien uusien ja myönteisten mahdollisuuksien lisäksi on ainetta lisäävillä valmistusmenetelmillä myös huomioon otettavia teknisiä haasteita ja rajoitteita [39]:

• FDM: Soveltuu suurikokoisiin rakenteisiin, mutta tarkkuus rajallinen.
• SLA/SLS: Mahdollistaa hienot yksityiskohdat, mutta rajoittuu kokoon.
• Tulostusresoluutio: Mikrogeometrioiden toteutus vaatii tarkkaa laitteistoa.
• Yhteensopivuus: Eri materiaalien yhdistäminen vaatii huolellista suunnittelua.

Myös toistettavuus on nostettu haasteeksi [34]. Lisäävällä valmistuksella tehtyjen yksikkörakenteiden samankaltaisuus akustisessa mittakaavassa voi olla haasteellista saavuttaa, mikä joko on haitallista haluttuun vasteeseen nähden tai tuo luonnollista tietä vaihtelua ja siten laajakaistaisuutta kappaleen akustiseen toimintaan. Valmistuksen vaihtelurajat pitäisi kenties huomioida jo mallinnusvaiheessa.

Taulukko 2: Menetelmien ja materiaalien lyhenteitä [40] (lyhenteitä muodostuu lisää sitä mukaa kun menetelmiä kehitetään).

Menetelmä	Englanninkielinen termi	Suomenkielinen termi (ei aina vakiintunut)
DED	Directed energy deposition	suorakerrostus, syötetty materiaali sulatetaan liitokseen kohdistetulla energialla
FDM	Fused deposition modeling	filamentin sulakerrostus, englanninkielinen termi ja lyhenne ovat Stratasys:n tavaramerkkejä
FFF	Fused filament fabrication	filamentin sulakerrostus, filamentti sulatetaan tulostuspäässä samalla kun se liitetään kappaleen osaksi
SLA	Stereolitography	stereolitografia, nestemäinen fotoolymeeri kovetetaan UV-laserilla kerroksittain
SLM	Selective laser melting	metallin lasersulatus
WAAM	Wire-arc additive manufacturing	valokaarihitsaus, monipuolinen suorakerrostusmenetelmä
Materiaali
ABS	Acrylonitrile butadiene styrene	ABS, akryylinitriilibutadieenistyreeni, eräs lämpömuovautuva muovilaatu
PLA	Polylactic acid	polylaktidi, tyypillisesti uusiutuvista raaka-aineista valmistettu biohajoava materiaali
Resiini	Resin, a liquid photopolymer	resiini on yleisnimi lisäävän valmistuksen fotopolymeereille, jotka voidaan kovettaa UV-valolla
TPU	Thermoplastic polyurethane	lämpömuovautuva polyuretaani

Päätulokset

3D-tulostetut akustiset rakenteet mahdollistavat äänen hallinnan (vaimennus, suuntaus, vahvistus) rakenteen muodon, materiaalin ja kerroksellisuuden avulla. Ne tarjoavat uusia mahdollisuuksia erityisesti modulaarisiin ja räätälöityihin akustisiin ratkaisuihin.

• Akustinen vaikutus ei riipu pelkästään materiaalista, vaan erityisesti rakenteesta.
• Skaalautuvuus on merkittävä haaste: suuret rakenteet vaativat modulaarisuutta ja tarkkaa suunnittelua.
• Monimateriaalitulostus tarjoaa yhdistelmiä, joissa yhdistyvät mekaaninen vakaus ja akustinen suorituskyky.

Taulukko 3: Akustinen vaikutus ja sovellukset

Vaikutus	Käyttökohde	Kokoluokka	Materiaali	Menetelmä	Esimerkki / Viite
Vaimennus	Melupaneelit, konekotelot	Keskisuuri	TPU, PLA	FDM	[41]
Suuntaus	Kaiuttimet, akustiset linssit	Pieni–keskisuuri	PLA, Resin	SLA, FDM	[42]
Absorptio	Huokoiset seinäpaneelit	Keskisuuri	TPU, Nylon	SLS, FDM	[43]
Suodatus	Akustiset suodattimet	Pieni	Resin	SLA	[42]
Vahvistus	Torvirakenteet	Pieni	PLA	FDM	[4]

Taulukko 4: Tulostusmenetelmien vertailu

Menetelmä	Resoluutio	Nopeus	Koko-luokka	Materi-aalit	Monima-teriaali	Huomioita
FDM	~ 0.2 mm	Keskinopea	Suuri	PLA, TPU	Rajoitettu	Edullinen, laajasti saatavilla
SLA	~ 0.05 mm	Hidas	Pieni–keskisuuri	Resin	Rajoitettu	Tarkka, mutta hauras
SLS	~ 0.1 mm	Keskinopea	Keskisuuri	Nylon, TPU	Ei yleisesti	Kestävä, hyvä yksityiskohtaisuus

Kuvia 3D-tulostetuista rakenteista löytyy runsaasti. Esimerkiksi kuvahaut hakusanoilla ”printed acoustic structures”, ”3d printed acoustic lattice structures” tai ”3d printed structures acoustic applications” tai ”spider web 3D printed membrane acoustic metamaterial” tuovat hyvin esille 3D-tulostettujen akustiseen vaikutukseen tarkoitettujen rakenteiden moninaisuuden. Kuvien tekijänoikeuksien vuoksi tässä kirjoituksessa on vähän kuvia runsaaseen tarjontaan verrattuna.

Rakenteiden kehittyminen akustisiinkin sovelluksiin on nopeaa, joten viimeisimpiä tietoja löytyy parhaiten suorilla verkkohauilla. Katsausartikkeleita löytyy esimerkiksi hakulauseella ”3d printed structures acoustic applications review”. Hyvä englanninkielinen katsausartikkeli on esimerkiksi ”Additively manufactured metamaterials for acoustic absorption: a review”, jonka ovat kirjoittaneet Sekar ym. vuonna 2024 [25] , tai äänen absorptioon keskittynyt monipuolinen ja kuvitettu Li ym. [28] koosteartikkeli. Wikipedia on ajatuksia herättävä lähde sekin. Käytännön sovelluksia ei vielä ole kovin paljon, vaan tutkimus on tähän saakka pääosin keskittynyt teorian soveltamiseen perusilmiöissä [23] .

Johtopäätökset ja seuraamukset

Akustisten rakenteiden ja äänen teoriaa sekä käytännön kokeita erilaisten rakenteiden vaikutuksesta äänen kulkuun ja absorptioon on tehty enenevässä määrin, kun lisäävän valmistuksen myötä on voitu tehdä yhä monimutkaisempia rakenteita. Vaikuttavia rakenneosia ovat mm. onteloiden muoto ja kokovaihtelu, kerroksellisuus, rakenteiden geometria ja reikäkoko. Tyypillinen rakennekoko on 1/10 tai pienempi äänen aallonpituudesta, kun ihmisen kuuleman äänen aallonpituudet ovat 17 mm ja 17 m välillä, ja taajuudet ilmassa 20-20 000 Hz. Rakenteita on testattu lähinnä halkaisijaltaan enintään 10 cm impedanssiputkissa laajimmillaan taajuuksilla 100-6400 Hz, ja yleisin rakenteen paksuus on muutamia millimetrejä.

Suuri osa akustisten metamateriaalien tutkimuksesta on painottunut teoriaan tai perusilmiöihin. Käytännön sovelluksia on vielä varsin vähän, mutta mahdollisuuksia näyttää olevan paljon juuri 3D-tulostuksen ansiosta. Mallinnusta on tehty mm. ohjelmilla COMSOL, ABAQUS, Rhino-Grasshopper ja MATLAB, sekä useiden eri teorioiden pohjalta.

Akustisilla metamateriaaleilla voidaan muodostaa nykyistä pienempiä komponentteja äänen vaimennukseen ja havaitsemiseen. Voidaan odottaa, että tutkimusten edetessä syntyy uusia akustisia teknologioita, löytyy ratkaisuja nykyisiin akustisiin ongelmiin, ja kehitetään aktiivisia akustisia materiaaleja.

Tiivistettynä:

• Rakenteellinen suunnittelu on avainasemassa akustisessa suorituskyvyssä.
• 3D-tulostus mahdollistaa akustisten ominaisuuksien räätälöinnin taajuusalueittain.
• Monikerroksiset ja fraktaalimaiset rakenteet parantavat laajakaistaista vaimennusta.
• Lisäävä valmistus mahdollistaa kevyet, mukautuvat ja esteettisesti integroitavat akustiset ratkaisut.
• Sovellettavissa rakennusakustiikassa, ajoneuvoissa ja elektroniikassa.

Rajoitteita

• Skaalautuvuus ja valmistustarkkuus rajoittavat käytännön sovelluksia.
• Monimateriaalitulostus vaatii vielä kehitystä ja tarkkaa prosessinhallintaa.

Suosituksia

• Suosi modulaarisia rakenteita suurikokoisissa sovelluksissa.
• Hyödynnä kerroksellisuutta ja materiaaligradientteja laajakaistaisessa vaimennuksessa.
• Valitse tulostusmenetelmä käyttökohteen tarkkuus- ja kokovaatimusten mukaisesti.

Viitteet

[1]     N. Gao, Z. Zhang, J. Deng, X. Guo, B. Cheng, and H. Hou, ‘Acoustic Metamaterials for Noise Reduction: A Review’, Adv Mater Technol, vol. 7, no. 6, p. 2100698, Jun. 2022, doi: https://doi.org/10.1002/admt.202100698.

[2]     Z. Li et al., ‘All-in-One: An Interwoven Dual-Phase Strategy for Acousto-Mechanical Multifunctionality in Microlattice Metamaterials’, Adv Funct Mater, vol. 35, no. 20, p. 2420207, May 2025, doi: https://doi.org/10.1002/adfm.202420207.

[3]     G. Pavan and S. Singh, ‘Near-perfect sound absorptions in low-frequencies by varying compositions of porous labyrinthine acoustic metamaterial’, Applied Acoustics, vol. 198, p. 108974, 2022, doi: https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2022.108974.

[4]     A. Damodaran, M. Sugavaneswaran, and L. Lessard, ‘An overview of additive manufacturing technologies for musical wind instruments’, SN Appl Sci, vol. 3, no. 2, p. 162, 2021, doi: 10.1007/s42452-021-04170-x.

[5]     X. Man, T. Liu, B. Xia, Z. Luo, L. Xie, and J. Liu, ‘Space-coiling fractal metamaterial with multi-bandgaps on subwavelength scale’, J Sound Vib, vol. 423, pp. 322–339, 2018, doi: https://doi.org/10.1016/j.jsv.2018.02.060.

[6]     R. Wang, J. Shang, X. Li, Z. Luo, and W. Wu, ‘Vibration and damping characteristics of 3D printed Kagome lattice with viscoelastic material filling’, Sci Rep, vol. 8, no. 1, p. 9604, 2018, doi: 10.1038/s41598-018-27963-4.

[7]     L. Chang et al., ‘On-demand tunable metamaterials design for noise attenuation with machine learning’, Mater Des, vol. 238, p. 112685, 2024, doi: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.112685.

[8]     G. Aydın and S. E. San, ‘Breaking the limits of acoustic science: A review of acoustic metamaterials’, Materials Science and Engineering: B, vol. 305, p. 117384, 2024, doi: https://doi.org/10.1016/j.mseb.2024.117384.

[9]     J. Deng, O. Guasch, L. Maxit, and L. Zheng, ‘Transmission loss of plates with multiple embedded acoustic black holes using statistical modal energy distribution analysis’, Mech Syst Signal Process, vol. 150, p. 107262, 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2020.107262.

[10]   F. Nistri et al., ‘Efficient broadband sound absorption exploiting rainbow labyrinthine metamaterials’, J Phys D Appl Phys, vol. 57, no. 24, p. 245111, 2024, doi: 10.1088/1361-6463/ad3012.

[11]   Deepak, J. Pitchaimani, R. Nadimpalli, and L. B. Mailan Chinnapandi, ‘Exploring the acoustic potential of 3D printed micro-perforated panels: A comparative analysis’, Heliyon, vol. 10, no. 7, p. e28612, 2024, doi: https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e28612.

[12]   J. Carbajo, J. Ramis, L. Godinho, and P. Amado-Mendes, ‘Assessment of methods to study the acoustic properties of heterogeneous perforated panel absorbers’, Applied Acoustics, vol. 133, pp. 1–7, 2018, doi: https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2017.12.001.

[13]   A. du Plessis et al., ‘Properties and applications of additively manufactured metallic cellular materials: A review’, Prog Mater Sci, vol. 125, p. 100918, 2022, doi: https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2021.100918.

[14]   J. Li, C. Shen, A. Díaz-Rubio, S. A. Tretyakov, and S. A. Cummer, ‘Systematic design and experimental demonstration of bianisotropic metasurfaces for scattering-free manipulation of acoustic wavefronts’, Nat Commun, vol. 9, no. 1, p. 1342, 2018, doi: 10.1038/s41467-018-03778-9.

[15]   C. F. Sieck, A. Alù, and M. R. Haberman, ‘Origins of Willis coupling and acoustic bianisotropy in acoustic metamaterials through source-driven homogenization’, Phys Rev B, vol. 96, no. 10, p. 104303, Sep. 2017, doi: 10.1103/PhysRevB.96.104303.

[16]   K. Sun et al., ‘High-efficiency wide-angle anomalous refraction with acoustic metagrating’, Chinese Physics B, vol. 34, no. 1, p. 014302, 2025, doi: 10.1088/1674-1056/ad8db6.

[17]   S. Huang et al., ‘A Fabry-Pérot resonator based metamaterial structure for acoustic signal enhancement in machinery condition monitoring’, Mech Syst Signal Process, vol. 224, p. 111986, 2025, doi: https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2024.111986.

[18]   S. S. Shah, D. Singh, J. S. Saini, N. Garg, and C. Gautam, ‘Performance Evaluation of a 3D Printed Auxetic Structure Based Acoustic Metamaterial’, MAPAN, 2025, doi: 10.1007/s12647-025-00815-z.

[19]   F. Wu and B.-H. Sun, ‘Study on functional mechanical performance of array structures inspired by cuttlebone’, J Mech Behav Biomed Mater, vol. 136, p. 105459, 2022, doi: https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2022.105459.

[20]   Z. Li et al., ‘Unprecedented mechanical wave energy absorption observed in multifunctional bioinspired architected metamaterials’, NPG Asia Mater, vol. 16, no. 1, p. 45, 2024, doi: 10.1038/s41427-024-00565-5.

[21]   G. Du, M. Liang, R. A. Sabory-Garcia, C. Liu, and H. Xin, ‘3-D Printing Implementation of an X-band Eaton Lens for Beam Deflection’, IEEE Antennas Wirel Propag Lett, vol. 15, pp. 1487–1490, 2016, doi: 10.1109/LAWP.2015.2514181.

[22]   C. Liu, Z. Yang, X. Liu, J. H. Wu, and F. Ma, ‘Ultra-broadband acoustic absorption with inhomogeneous high-order Fabry–Pérot resonances’, APL Mater, vol. 11, no. 10, p. 101122, Oct. 2023, doi: 10.1063/5.0174013.

[23]   L. Zhao, C. Bi, H. Huang, Q. Liu, and Z. Tian, ‘A review of acoustic Luneburg lens: Physics and applications’, Mech Syst Signal Process, vol. 199, p. 110468, 2023, doi: https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2023.110468.

[24]   G. Liao, C. Luan, Z. Wang, J. Liu, X. Yao, and J. Fu, ‘Acoustic Metamaterials: A Review of Theories, Structures, Fabrication Approaches, and Applications’, Adv Mater Technol, vol. 6, no. 5, p. 2000787, 2021, doi: https://doi.org/10.1002/admt.202000787.

[25]   V. Sekar, W. J. Cantwell, K. Liao, B. Berton, P.-M. Jacquart, and R. K. Abu Al-Rub, ‘Additively manufactured metamaterials for acoustic absorption: a review’, Virtual Phys Prototyp, vol. 19, no. 1, p. e2435562, Dec. 2024, doi: 10.1080/17452759.2024.2435562.

[26]   J. Wang and G. J. Bennett, ‘Ultra-broadband sound absorption in a compact multi-chamber micro-perforated panel absorber with varying depths’, AIP Adv, vol. 14, no. 1, p. 015009, Jan. 2024, doi: 10.1063/5.0187328.

[27]   Y. Liu et al., ‘Three-dimensional fractal structure with double negative and density-near-zero properties on a subwavelength scale’, Mater Des, vol. 188, p. 108470, 2020, doi: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108470.

[28]   X. Li et al., ‘3D-Printed Lattice Structures for Sound Absorption: Current Progress, Mechanisms and Models, Structural-Property Relationships, and Future Outlook’, Advanced Science, vol. 11, no. 4, p. 2305232, Jan. 2024, doi: https://doi.org/10.1002/advs.202305232.

[29]   C. Patil, R. Ghorpade, and R. Askhedkar, ‘Analysing the Impact of 3D-Printed Perforated Panels and Polyurethane Foam on Sound Absorption Coefficients’, Modelling, vol. 5, no. 3, pp. 969–989, Aug. 2024.

[30]   J. Xu et al., ‘A hybrid acoustic metamaterial for low-frequency constant nearly perfect sound absorption with large deformation’, Applied Acoustics, vol. 231, p. 110481, 2025, doi: https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2024.110481.

[31]   S. Akram and A. Israr, ‘Passive Acoustic Metamaterials for Low Frequencies—Theories, Types, Testing, and Future Directions’, Adv Eng Mater, vol. 27, no. 5, p. 2402270, Mar. 2025, doi: https://doi.org/10.1002/adem.202402270.

[32]   X. Fang, W. Lacarbonara, and L. Cheng, ‘Advances in nonlinear acoustic/elastic metamaterials and metastructures’, Nonlinear Dyn, 2024, doi: 10.1007/s11071-024-10219-4.

[33]   J. Zhang, B. Hu, and S. Wang, ‘Review and perspective on acoustic metamaterials: From fundamentals to applications’, Appl Phys Lett, vol. 123, no. 1, p. 010502, Jul. 2023, doi: 10.1063/5.0152099.

[34]   G. Catapane, G. Petrone, and O. Robin, ‘Series and parallel coupling of 3D printed micro-perforated panels and coiled quarter wavelength tubes’, J Acoust Soc Am, vol. 154, no. 5, pp. 3027–3040, Nov. 2023, doi: 10.1121/10.0022378.

[35]   A. Gardiner, P. Daly, R. Domingo-Roca, J. F. C. Windmill, A. Feeney, and J. C. Jackson-Camargo, ‘Additive Manufacture of Small-Scale Metamaterial Structures for Acoustic and Ultrasonic Applications’, Micromachines (Basel), vol. 12, no. 6, 2021, doi: 10.3390/mi12060634.

[36]   J. Chen et al., ‘3D-Printed Anisotropic Polymer Materials for Functional Applications’, Advanced Materials, vol. 34, no. 5, p. 2102877, 2022, doi: https://doi.org/10.1002/adma.202102877.

[37]   B. Song, S. Zhang, L. Zhang, and Y. Shi, ‘Development Trends and Challenges of Additive Manufacturing Metamaterials’, Engineering, vol. 44, pp. 2–6, 2025, doi: https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.11.014.

[38]   A. Nazir et al., ‘Multi-material additive manufacturing: A systematic review of design, properties, applications, challenges, and 3D printing of materials and cellular metamaterials’, Mater Des, vol. 226, p. 111661, 2023, doi: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.111661.

[39]   T. D. Ngo, A. Kashani, G. Imbalzano, K. T. Q. Nguyen, and D. Hui, ‘Additive manufacturing (3D printing): A review of materials, methods, applications and challenges’, Compos B Eng, vol. 143, pp. 172–196, 2018, doi: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2018.02.012.

[40]   A. Alonen, L. Alonen, and E. Hietikko, Lisäävän valmistuksen perusteet, 1st ed. Jyväskylä: Savonia-ammattikorkeakoulu, 2016.

[41]   R. Rekola, ‘3D-tulostetut kappaleet rasitustesteissä : tulostussuunnan ja kerroskoon vaikutus erilaisissa testeissä’, LAB-ammattikorkeakoulu, 2024.

[42]   M. R. Zarastvand, M. Ghassabi, and R. Talebitooti, ‘Acoustic Insulation Characteristics of Shell Structures: A Review’, Archives of Computational Methods in Engineering, vol. 28, no. 2, pp. 505–523, 2021, doi: 10.1007/s11831-019-09387-z.

[43]   A. D. Pierce, Acoustics. An Introduction to Its Physical Principles and Applications, 3rd ed. Springer Cham, 2019. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-030-11214-1.