【摘要】：聲學(xué)黑洞(acoustic black hole,ABH)效應(yīng)是利用薄壁結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)或者材料特性參數(shù)的梯度變化,使波在結(jié)構(gòu)中的傳播速度逐漸減小,理想情況下波速減小至零從而不發(fā)生反射的現(xiàn)象.實(shí)現(xiàn)聲學(xué)黑洞效應(yīng)的主要方法是將薄板結(jié)構(gòu)的厚度按照一定規(guī)律裁剪,利用聲學(xué)黑洞可以將結(jié)構(gòu)中傳播的波動(dòng)能量聚集在特定的位置.聲學(xué)黑洞對(duì)波的聚集具有寬頻高效、實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單靈活等特點(diǎn),在薄壁結(jié)構(gòu)的減振降噪、能量回收等應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢(shì).本文介紹聲學(xué)黑洞效應(yīng)的基本原理、相關(guān)力學(xué)問題的研究進(jìn)展和有待進(jìn)一步探究的問題,包括聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)的建模與分析方法、實(shí)驗(yàn)研究方法及進(jìn)展、聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)中波的傳播與操控,以及聲學(xué)黑洞在工程應(yīng)用中的相關(guān)問題.
【圖文】：

季宏麗，黃薇，裘進(jìn)浩，成利：聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的力學(xué)問題逡逑３３５逡逑圖１邐逡逑一維聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)中彈性波的傳播逡逑＿＿丨１１丨丨丨丨丨＿＿＿逡逑圖２邐逡逑內(nèi)嵌于薄板結(jié)構(gòu)中的二維聲學(xué)黑洞逡逑學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)，或者是在截?cái)噙吘売腥毕莸那闆r下（Ｂｏｗｙｅｒ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１２），對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)仍然逡逑有很好的抑制效果．逡逑在二維聲學(xué)黑洞的加工制造中，往往會(huì)在黑洞的中心形成圓形的小孔或者形成－逡逑個(gè)厚度等于截?cái)嗪穸鹊闹行膱A臺(tái)（Ｂｏｗｙｅｒｅｔａｌ．邋２０１３），這些由于缺陷引入的新的幾何逡逑參數(shù)都將對(duì)聲學(xué)黑洞效應(yīng)產(chǎn)生一定的影響，阻尼材料的應(yīng)用同樣可以降低波的反射逡逑（Ｏ’Ｂｏｙ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１０），提高能量耗散的效率（Ｏ’Ｂｏｙ邋＆邋Ｋｒｙｌｏｖ邋２０１１）．為了提高二維聲學(xué)逡逑黑洞結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲抑制效果，可以將多個(gè)聲學(xué)黑洞布置在結(jié)構(gòu)中（Ｂｏｗｙｅｒ邋＆邋Ｋｒｙｌｏｖ逡逑２０１２；邋Ｃｏｎｌｏｎ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１４，邋２０１５ａ，邋２０１５ｂ），這種結(jié)構(gòu)在一定范圍內(nèi)可以降低聲學(xué)黑洞的逡逑有效作用頻率范圍的下限．研究表明，在非完美的二維聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)中，寬頻能量聚逡逑集現(xiàn)象依然存在（Ｌｏｍｏｎｏｓｏｖ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１５，Ｈｕａｎｇ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１６），，波在非完美二維聲學(xué)黑逡逑洞結(jié)構(gòu)中的傳播方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生類似于波在超材料梯度折射率聲透鏡中傳播的現(xiàn)逡逑象（Ｔｏｒｒｅｎｔ邋＆邋Ｓｔｉｎｃｈｅｚ－Ｄｅｈｅｓａ邋２００７．邋Ｚｈａｎｇ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２００９．邋Ｄｕｂｏｉｓ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１３，邋Ｔｏｒｒｅｎｔ邋ｅｔ．邋ａｌ．逡逑２０１４）．在超材料聲透鏡結(jié)構(gòu)中，需要緊密地布置極小的單元方能近似實(shí)現(xiàn)連續(xù)梯度變逡

３３８邐力邋學(xué)進(jìn)展邐第４７卷：２０１７１０逡逑圖４逡逑兩側(cè)附著阻尼材料的有截?cái)嗟囊痪S聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)逡逑分下限將由０變?yōu)橐�，彎曲波在邊界處發(fā)生反射，能量耗散效應(yīng)大大減弱．存在截?cái)噱义系穆晫W(xué)黑洞結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)為（Ｋｒｙｌｏｖ邋＆邋Ｓｈｕｖａｌｏｖ邋２0００）逡逑ｉ？0邋＝邋ｅｘｐ邋（ ２邋NB邋Ｉｍ邐（７）逡逑研究表明，很小的截?cái)嗪穸燃纯墒沟梅瓷湎禂?shù)增大至５０％？７０邋％邋（Ｋｒｙｌｏｖ邋２００４），逡逑不利于聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)有效地抑制振動(dòng)．在具有截?cái)嗟穆晫W(xué)黑洞結(jié)構(gòu)上粘貼少量的阻尼逡逑材料可以很好的解決該問題．將阻尼層附著在厚度較小的黑洞區(qū)域時(shí)，可以有效地耗逡逑散聚集于聲學(xué)黑洞中的波動(dòng)能量，從而使得由截?cái)嘁鸬姆瓷湎禂?shù)顯著降低（Ｋｒｙｌｏｖ逡逑２００４，邋Ｋｒｙｌｏｖ邋＆邋Ｔｉｌｍａｎ邋２００４，邋Ｂｏｗｙｅｒ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１２）．邋Ｋｒｙｌｏｖ邋（１９９５）針對(duì)？圖邋４邋所示的上下逡逑表面粘貼了厚度為的阻尼材料的楔形聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)，運(yùn)用幾何聲學(xué)的方法對(duì)阻尼層逡逑的影響進(jìn)行分析．當(dāng)聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲變形時(shí)，表面的阻尼層也一起發(fā)生變形，且逡逑彎曲變形的位移與結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度方向位移之間的關(guān)系為運(yùn)用逡逑包含約束阻尼層的懸臂梁的彎曲振動(dòng)理論，可以對(duì)等厚度阻尼材料的影響進(jìn)行簡(jiǎn)化分逡逑析，把其產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)阻尼等效為材料損失因子（Ｒｏｓｓ邋ｅｔａｌ．邋１９６０）．在分析粘貼阻尼材逡逑料的一維聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)中彎曲波的衰減時(shí)，可以采用將阻尼層產(chǎn)生的等效損失因子和逡逑聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)本身的材料損失因子同時(shí)引入波數(shù)的虛部（Ｋｒａｖｃｈｕｎ邋１９９１）．對(duì)于兩邊逡逑均附著阻尼材料的聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)，其波數(shù)虛部可表述為逡逑ｌｍｋ（ｘ）＝逡逑／ｌ１／２（ｘ）邋Ｊ逡


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