声学黑洞结构减振降噪特性的应用基础研究

Acoustic Black Hole (ABH) is a new type of structure, which has the function of wave manipulation and energy focalization by reducing the wall thickness according to a certain rule (such as power-law profile). This project aimed at solving the key issues in the engineering applications of ABHs (Acoustic Black Holes) for structural vibration damping and noise reduction and establishing the basic theory and methodology for their design, based on the previous research on mechanics modeling and analysis. First, the coupling characteristics between ABHs or damping materials/ energy conversion components, which are necessary for effective energy consumption and energy conversion, will be investigated to clarify the influence of various parameters. Optimization of these parameters will also be carried out for maximum energy consumption or harvesting. Second, the influence of energy conversion components on impendence matching of ABH structure and the influence of the periodicity of multiple ABHs on the lower boundary of effective frequency will be studied to achieve the low frequency wave modulation in sub-wavelength ABH structure using adaptive adjustment method of impedance matching. Third, investigation on the influence of various restrictions, such as curvature and minimum thickness, imposed upon by practical structures, will be performed to lay a theoretical foundation for engineering application. Finally, experimental verifications will be carried on the performance of ABH structure in vibration damping and noise reduction, by using the decorative board of civil aircraft. The objective of this project can be achieved based on the above fundamental research and experimental verification.

声学黑洞（ABH: Acoustic Black Hole）是一种借助于结构的尺寸按一定规律变化，实现能量集聚的新型结构形式。本项目以ABH结构的减振降噪应用为目的，在前期力学建模和分析等相关基础上，对声学黑洞效应的关键应用基础问题开展研究，为工程应用的设计提供理论和方法。通过研究阻尼材料/能量转换元件与ABH结构的耦合关系，揭示各种参数对结构的力学/声学特性影响规律，建立ABH结构的多学科优化设计方法，最大效率的获得ABH结构的能量聚集、耗散与转换；研究能量转换元件对ABH结构的阻抗匹配的影响规律以及ABH的周期性对有效频率的影响规律，建立阻抗的自适应调节方法，实现ABH结构亚波长频带内低频波的调控；研究实际结构尺寸、形面等约束因素对声学黑洞效应的影响规律，为ABH在实际应用中奠定理论基础；最后结合飞行器内装饰板的减振降噪开展ABH结构的应用验证。通过上述研究和验证，实现预期的研究目标。

围绕声学黑洞ABH波操控方法的学术前沿，针对高效设计ABH结构相关研究还很匮乏的现状，本项目发展了声学黑洞效应的时频域分析方法，揭示了ABH效应现象背后的物理机制及参数影响规律，为ABH系统的定性定量分析和优化设计提出了创新性的研究方法和理论依据。在数值分析、实验方面取得重要进展，为在考虑ABH与阻尼材料耦合的情况下对ABH结构进行分析与优化提供了理论指导，同时为这一类型的变结构耦合模型（例声学超材料、周期结构等）提供了分析手段。提出了周期和非准周期的ABH结构形式，建立了复波数等分析方法，揭示了带隙形成和耦合机制，发现了带隙在某些频带失效的现象，保证结构强度的同时大幅度降低了ABH的有效作用频率。探索了ABH声辐射机制、隔声特性及其参数对声辐射效果和隔声效果等的影响规律，在ABH结构设计方面获得突破，提出了ABH结构的多目标优化设计方法，不仅满足结构强度，同时具有良好的ABH效应和隔声特性。 .上述研究成果最终形成了一个以声学黑洞效应为研究对象的耦合系统动力学分析框架，其中包括理论分析、实验研究和数值模拟，同时将相关理论思想和方法可以拓展到一般结构的分析中。并通过该项目的实施将研究成果应用于实际结构减振降噪ABH结构的优化设计中，取得了良好的控制效果。研究工作按进度执行，已顺利完成工作，共发表21篇论文，其中SCI收录14篇（另两篇已在一修中），EI收录1篇，会议论文6余篇；获国家发明专利授权7项；共培养和正在培养10名学生，其中博士生4名，硕士生6名。培养青年教师一名，破格成为教授，并获得国家优青，三名学生参加国际国内会议，获最佳论文奖。举办国际会议2次，国内会议1次。出版专著1部，获江苏省科技进步二等奖1项（排名1）。