声学黑洞：一种新型弯曲波调控技术

西北工业大学航海学院高南沙课题组在《科学通报》发表评述文章“声学黑洞研究进展与应用”，介绍了声学黑洞的起源和基本原理以及理论计算和实验研究方法，详细地综述了声学黑洞结构的4个主要功能性分类，即减振、降噪、波动调控和能量回收，总结了现在研究存在的问题，对声学黑洞的发展前景进行展望，并指出了未来研究的重点和方向。

类比天体物理学中黑洞的概念，声学黑洞是一种能够通过改变楔形结构的几何外形参数来操纵弯曲波传播的结构。在绝对理想情况下，弯曲波波速在声学黑洞区域内逐渐减小至零。一般意义上，一维声学黑洞结构为梁结构，将其沿z轴旋转即可形成二维声学黑洞结构。此外，还有一种声学黑洞管道结构。这三种结构的示意图如图1所示。声学黑洞的研究历经数十年，逐渐在弯曲波的减振、降噪、能量回收以及波动调控等领域激起了学术界极大的兴趣。

图1 声学黑洞基本分类以及相关应用

近年来，基于声学黑洞的应用不断丰富。从对弯曲波的控制角度出发，按照声学黑洞的功能性划分为减振、波动调控、降噪、能量回收四个部分。

（1）减振。声学黑洞最主要特点是对弯曲波的减振。已有研究指出，一维经典声学黑洞结构能够对单方向的弯曲波进行有效衰减。Lee和Jeon首次提出螺旋一维声学黑洞概念；Tang和Cheng首次提出一维双叶型声学黑洞梁结构；Gao等人提出了空间V字型弯折的双叶型声学黑洞梁结构。针对二维声学黑洞，更多的研究体现在研究局域波动行为。目前，大多数研究依然集中在针对经典几何结构的应用场景中。对于复杂结构的减振需求，并考虑不同的边界条件，声学黑洞的相关研究较少。因此，设计声学黑洞结构来解决复杂工程实践中的减振需求，是今后声学黑洞发展的重要一步。

（2）波动调控。声学黑洞的波动调控主要在二维薄板上展开，因此二维圆形声学黑洞中的弯曲波聚焦和透镜效应是基于径向弯曲波波速下降的物理原理。Deng等人提出了一种椭圆声学黑洞作为聚焦平板弯曲波的可调谐透镜(图2(a))。Huang等人利用弯曲射线方程的数值积分格式来预测广义声学黑洞压痕中弯曲波的射线轨迹，以实现弯曲波的传播和聚焦特性(图2(b))。Zhao等人利用声学黑洞结构提出了一种能够实现全方位、宽频带弯曲波聚焦和准直的改进Luneburg透镜(图2(c)和(d))的设计方案。Zhu和Semperlotti以声学黑洞形式设计完全嵌入薄壁结构波导中的宽频带声透镜(图2(e))。 Ganti 等人报道了一种基于周期性声学黑洞晶格来支持拓扑边态。波动调控研究主要集中在声子晶体、声学超材料以及超表面，声学黑洞的引入无疑更加丰富了波动调控的手段。从学科角度看，基于声学黑洞的波动调控是近年来新兴的研究热点，未来的发展可能在于波动调控结构一体化设计。

图2 声学黑洞波动调控结构

（3）降噪。Du等人、Ji等人、Feurtado和Conlon分别使用声波导管和声学混响室测试了二维声学黑洞薄板的隔声性能。Li和Ding发现，降低声辐射可以通过加强弯曲波和声学黑洞结构的相互作用获得。在声学黑洞的应用拓展方面，Bowyer和Krylov将二维声学黑洞首次内嵌到汽车的引擎外壳上，采用实验方法证明了声学黑洞可以明显降低引擎辐射噪声。目前的研究大多集中在通过控制弯曲波的减弱来影响振动辐射噪声，并且大多数研究停留在声波导管和声学混响室测试方面，在实际具体应用场景中的使用效果有待进一步研究。此外，与经典降噪结构复合后的协同作用能否对低频声波进行抑制，值得不断地深入研究。

（4）能量回收。弯曲波能聚焦效应在建立新型振动能量采集器结构方面具有很好的应用前景。声学黑洞在振动能量回收应用中起步较晚，研究相对较少，但是近几年开始崭露头角。目前对声学黑洞结构能量回收的研究中，回收元件以及回收电路对声学黑洞效应的形成及影响机制仍不明晰。通过声学黑洞结构与能量回收系统的协同一体化设计，实现高效宽频的振动能量回收是近几年有较大潜力的发展方向。

综上所述，通过引入声学黑洞来操纵弯曲波已经成为振动噪声的热点研究领域之一。作为一种新兴研究方向，研究重点方向包括：(1)声学黑洞声振耦合机理以及与功能材料的匹配问题需要进一步明晰；(2)声学黑洞中的非线性波动行为需要进一步完善；(3)针对不同应用场景，研究具有声学黑洞复合结构的承载一体化设计方法和理论；(4)非理想型声学黑洞结构的理论建模以及应用拓展。随着声学黑洞的研究不断深入，对于减振降噪的基础理论以及复合结构设计也是一种补充和拓宽。从应用实践需求角度出发，声学黑洞结构的研究有望应用于工业设备设计、建筑声学以及功能复合材料设计中。

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原文信息

高南沙, 张智成, 王谦, 等. 声学黑洞研究进展与应用. 科学通报, 2022, 67: 1203–1213, doi: 10.1360/TB-2021-0439（“阅读原文”直达）

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