轻质减振降噪新结构——声学黑洞结构

娜迦海妖

轻质减振降噪结构在各种工程领域具有广泛的应用前景，开发相关结构意义深远但却又极具挑战。传统意义上的结构轻量化就往往无法同时满足振动及声辐射特性低的要求。最近，基于声学黑洞（Acoustic Black Hole, 简称ABH）原理设计的结构为该问题提供了新的思路和可能。

什么是声学黑洞结构

ABH是将天文物理学中的黑洞概念引入到波动和声振领域中，当弯曲波在厚度随幂函数h(x)=εx^m逐渐减小的结构中传播时，其波长、相速度和群速度也会相应减小。理想情况下，ABH效应可以实现波的零反射以及能量的高度聚集。因其独特的能量聚集效应，ABH结构只需要在能量聚集区域覆盖非常少量的阻尼材料就能达到高效的减振降噪效果。声学黑洞结构因其结构质量轻且减振降噪效果优异的特点，具有广阔的应用前景，引起了研究人员的广泛关注和研究，近年来逐渐成为研究热点，并为减振降噪结构的轻量化设计提供了一种全新的思路。

弯曲波在一维和二维声学黑洞结构中的传播

声学黑洞结构的研究现状

黑洞的概念最早由Laplace在1795年提出，即光在视界范围内传播时无法逃逸的现象。150年后，Pekeris发现声波在非均匀流体介质中存在类似的黑洞，声波波速随介质深度的减小而逐渐减小为零，而不会发生波的反射。Mironov随后在楔形结构中也发现了类似的现象。2004年，Krylov等人首次将ABH结构应用于梁结构中，实现了在ABH能量聚集区覆盖很少的阻尼材料就可以有效耗散结构中弯曲波的效果。随后，国内外学者从ABH结构的理论建模、现象表征及实验验证等方面进行了广泛研究，充分验证了ABH结构在减振方面的巨大潜力。在具体应用场景中，ABH结构既可作为复合结构的组成部分，同时也可以作为减振结构件的附加载体使用。目前进一步研究表明ABH结构有望应用在涡扇叶片、飞机翼梁等结构的减振设计中。

一维声学黑洞结构的实验和减振效果

声学黑洞结构的设计

声学黑洞结构在涡扇叶片和飞机翼梁的应用

声学黑洞结构在结构降噪方面也已崭露头角。研究表明，ABH结构的降噪性能不仅得益于其对振动能量的高度聚集和消耗，还得益于其对弯曲波的调控转换作用——使得超音速波转换为亚音速波，进而降低结构的声辐射效率。当然，ABH结构虽然结构质量轻且减振降噪效果显著，但在应用过程中也存在一定局限性。比如，结构尺寸薄导致的其强度减小，从而较难实现承载一体化设计。同时，声学黑洞单胞因其结构尺寸限制，有效作用频率集中在中高频，因此，如何优化设计提高ABH结构的强度并进一步扩展其有效作用频段将是未来的一个研究重点。

声学黑洞结构的声辐射和隔声性能

团队声学黑洞结构研究工作

近年来,团队青年教师唐利玲副教授(liling.tang@nwpu.edu.cn)一直致力于声学黑洞效应及结构的研究。在“声场感知与隐身技术”团队负责人陈克安教授带领下，继续与其博士导师——香港理工大学成利讲席教授以及南京航天航空大学裘进浩教授团队广泛合作，开展了声学黑洞结构的性能表征、改善及减振降噪方面的研究工作。特别是，针对其在低频应用的广泛需要，开创性设计和提出了周期性声学黑洞梁结构和板结构，获得了宽频的亚波长禁带，在结构减振降噪中具有很好的应用前景。其研究成果发表在Journal of the Acoustical Society of America、Journal of Sound and Vibration、Mechanical Systems and Signal Processing、Applied Physics Letters和Journal of Applied Physics等声振和应用物理领域知名期刊上。

声学黑洞结构的性能表征及改善

周期性ABH梁结构和板结构的减振效果

周期性ABH板结构的声辐射特性