南京航空航天大学季宏丽教授团队:声学黑洞及其在减振降噪中的应用

问AI · 季宏丽团队在声学黑洞建模中取得了哪些关键突破?

季宏丽,南京航空航天大学航空学院教授、博士生导师,江苏省振动工程学会航空航天力学及控制专委会副主任委员。获教育部双带头人党支部书记荣誉称号,入选国家优青、江苏省333工程第二层次、香江学者、省六大人才高峰等。一直从事结构动力学测试、分析与控制研究。发表SCI期刊论文120余篇,SCI他引3500余次,入选2024年全球前2%顶尖科学家(终身科学影响力榜单)。申请国家发明专利30余项,已获授权27项,转让2项。出版专著2部。现任Journal of Intelligent Material Systems and Structures的Associate Editor,以及Smart Materials and Structures、《振动工程学报》等编委。主持国家自然科学基金重点项目、重点研发计划青年科学家项目、创新研究项目等十余项。获江苏省科学技术二等奖、国防科技发明二等奖、中国振动工程学会发明一等奖等。



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声学黑洞(acoustic black hole,ABH)是一种基于波操控技术的创新方法,其理论灵感源于天体物理学中的黑洞现象。声学黑洞作为一种宽频特性的高效波操控方法,已成为声学、力学等学科的前沿研究热点。在理论研究和应用探索中,声学黑洞凭借其独特的波动操控能力展现出广阔的发展前景,引发了学术界对其波动机制、结构设计及工程应用的持续关注。
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在现代高端装备的发展进程中,振动与噪声控制已成为制约系统性能、可靠性与舒适性的关键因素之一。特别是在航空航天、轨道交通、舰船与精密制造等领域,装备往往需要在复杂载荷与极端工况下运行,传统的减振降噪手段因其重量、能量消耗及适应性问题,已难以满足新一代装备对高效、轻量化、高性能振动噪声控制的需求。因此,探索高性能、低能耗、轻量化的振动噪声控制技术,成为提升重大装备性能和自主研发水平的重要研究方向。

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附加式一维声学黑洞
图中所示分别声学黑洞共振梁阻尼器配置(acoustic black hole-resonant beam damperABH-RBD螺旋式一维声学黑洞。ABH-RBD 适用于梁式一维结构的抑制,而螺旋式声学黑洞更适用于管道等结构的振动抑制

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二维声学黑洞板结构
 (b) 和图 (c)分别是附加式圆形和矩形声学黑洞,图中黑洞周围的一圈黄色部分是粘贴的约束阻尼层,用以增强抑振效果

在这一背景下,声学黑洞技术作为21 世纪初期多学科交叉发展的研究成果,展现出在振动控制领域的独特优势。该技术通过结构几何或材料参数的渐变设计,使入射波能量在特定区域高度聚集并有效耗散,从而实现对结构振动噪声的有效抑制。ABH 由于无需额外能量输入,且具有质量轻、作用频率范围宽、实现灵活等优点,为振动与噪声控制提供了一种全新的解决方案。

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高铁CR450车厢内应用ABH-DVA进行减振降噪

然而,当前ABH 技术在工程应用中仍面临诸多挑战。例如,ABH 的有效作用频率与结构尺寸密切相关:频率越低,黑洞尺寸越大,结构强度越弱;黑洞中心处布置的能量转换元件或阻尼材料的几何/材料参数对ABH 效应和能量转换有显著影响。如何高效设计ABH 结构及其能量耗散元件,以获得理想的宽带减振降噪效果,相关研究仍显不足。根本原因在于ABH 表现出波场非均匀、随空间位置急剧变化、阻尼材料与结构强耦合等特征。目前尚缺乏能够系统描述ABH特征的模型和分析方法,致使ABH 效应形成机制不明、参数影响规律不清及其减振降噪作用机制仍未得到明确阐释。因此,亟需进一步深入研究,以推动其在复杂工程环境中的应用落地。

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南京航空航天大学航空学院裘进浩教授和季宏丽教授所在团队与香港理工大学成利教授团队作为国内最早一批研究声学黑洞波动操控概念及其应用的学者,经过十余年的研究积累,围绕声学黑洞的建模分析、减振降噪机制揭示、结构优化和工程应用展开了系统研究,取得一系列理论突破和工程应用验证,逐步建立了较为完整的ABH 理论体系和方法框架。
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声学黑洞及其在减振降噪中的应用一书系统整理这些研究成果,旨在为振动与噪声控制、结构动力学等领域的科研人员、工程师及研究生提供有价值的参考,同时也希望借此推动声学黑洞技术的深入研究和工程应用,助力高端装备振动噪声控制水平的提升。

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声学黑洞及其在减振降噪中的应用购买
季宏丽 等著
北京科学出版社, 2025. 12
ISBN 978-7-03-081232-2

本书总结了作者多年来科研成果及国内外相关团队的研究工作。全书内容涵盖从波动到振动、从ABH 一维结构到二维结构、从内嵌式声学黑洞结构形式到附加式声学黑洞结构形式、从振动抑制到噪声控制等多个维度的关键技术进展,由浅入深、逐步递进介绍。全书共章:

  • 章为绪论,介绍声学黑洞的基本概念、研究现状及发展趋势;
  • 章重点探讨声学黑洞的波动调控机制,介绍几种常用的分析与实验方法,揭示结构参数对波聚集性能的影响;
  • 章和第章利用传递矩阵法和拉格朗日能量法分析了声学黑洞梁结构和板结构的振动特性,揭示了振动抑制机制;
  • 章则从噪声抑制出发,介绍了声学黑洞在不同激励条件下的声辐射和隔声性能,揭示了降噪机制;
  • 章提出了附加式声学黑洞结构形式,建立了附加式黑洞的振动分析方法,揭示了其振动抑制机制,并提出了多种设计构型;
  • 章针对低频性能优化问题,结合周期结构的能带特性设计,建立了周期ABH 梁、条带、板结构的分析模型,揭示了周期ABH 的带隙特性;
  • 章介绍ABH 在能量回收、健康监测、声波调制等其他领域的拓展应用,探讨未来的发展方向。

本书的研究工作得到国家自然科学基金优秀青年科学基金项目(项目编号:52022039)、国家自然科学基金重点项目(项目编号:11532006)、国家自然科学基金面上项目(项目编号:51775267)、国家自然科学基金青年科学基金项目(项目编号:52105107)等项目资助支持,在此表示衷心感谢。

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本文摘编自《声学黑洞及其在减振降噪中的应用》(季宏丽等著北京科学出版社, 2025. 12)一书“前言”。有删减修改,标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-081232-2
责任编辑:惠 

声学黑洞是一种新型的弹性波调控结构,本书系统介绍其弹性波调控原理及其应用于工程减振降噪的理论与方法。基于作者近十年的研究成果,结合国内外研究进展,深入阐释了声学黑洞的波操控原理,建立了其结构的建模、分析方法及性能评价体系,揭示了声-振耦合机制和关键参数影响规律,并提出了创新的结构设计方法以提升声学黑洞性能。全书共章,遵循从基础到应用的逻辑,内容涵盖声学黑洞效应的波动机制、梁与板结构中的振动特性、声学响应行为、黑洞式动力吸振器设计、周期性阵列结构,以及在减振降噪与能量回收等领域的典型应用,最后展望其在未来工程实践中的发展潜力。

本书聚焦声学黑洞结构减振降噪,为相关工程应用提供指导,还可为结构动力学、弹性波调控及减振降噪领域的科技人员、高年级本科生和研究生提供参考。

(本文编辑:刘四旦)