近日，我校能源与动力工程学院芮筱亭院士团队在利用深亚波长尺度声学黑洞超材料实现超低频超宽带波动控制方面取得重要进展，相关研究成果以 “Deep-subwavelength ultra-low and ultra-broadband acoustic-black-hole metamaterials”为题发表在国际期刊Nature Communications上。南京理工大学为第一完成单位，芮筱亭院士、张燕妮教授和香港理工大学成利院士为共同通讯作者，能动学院张燕妮教授和硕士生车文杰作为共同第一作者，能动学院王国平教授、杨富锋教授及硕士生秦昊仑做出了重要贡献（文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66172-2）。
声学超材料为实现传统材料难以企及的波操控功能提供了全新途径，然而，实现低频波的宽带控制一直是该领域的难点。声学黑洞结构因其独特的波速渐变与能量汇聚效应，为宽带波操控提供了突破性方案。但传统声学黑洞依赖于复杂的几何剖面加工，存在结构刚度弱、加工精度要求极高、且截止频率过高等根本性局限，极大地制约了其在工程实际（尤其是低频振动噪声控制）中的应用。因此，如何突破这些限制，在深亚波长尺度实现超低频、超宽带的高效波动控制，成为了亟待攻克的核心挑战。
针对这一难题，研究团队提出了另一种方案，幂律密度定制复合材料声学黑洞。理论分析、波能解析与基于缩减多体系统传递矩阵法的耦合系统建模一致表明，这种新型密度幂律声学黑洞能够将传统声学黑洞结构的截止频率与阻尼增强的阈值频率降低至原有的五分之一，从而在深亚波长尺度上实现了高效吸波。这一突破性进展的物理根源在于，密度按既定幂律分布的复合材料能够引发显著的波长压缩与能量密度放大效应，从而可从更低起始频率实现波能损耗。此外，惯性梯度设计自然诱发的波幅衰减，有效降低了传统声学黑洞因尖端能量聚焦而固有的疲劳与断裂风险。
图1 密度幂律声学黑洞（ρ-ABH）波场调控与能量增强效应。a*ρ-ABH波函数随频率和空间变量x的变化。b不同频率下ρ-ABH和传统厚度幂律声学黑洞（h-ABH）的相位函数。c不同频率下ρ-ABH（浅色）和h-ABH（深色）相位场分布的对数表示。dρ-ABH与h-ABH内部压缩波长之比。e ABH长度恒定情况下，两种类型ABH的归一化时间平均振动能量密度。图a和图c中箭头表示波传播方向。
图2 密度幂律声学黑洞作为吸振器的超低频超宽带阻尼增强与吸振效应。ρ-ABH作为动力吸振器(DVA)即ρ-ABH-DVA实现的超低频超宽带阻尼增强与吸振效果。a传统h-ABH-DVA、主梁及其组合系统损耗因子。bρ-ABH-DVA、主梁及其组合系统损耗因子。c安装h-ABH-DVA前后主梁驱动点导纳。d安装ρ-ABH-DVA前后主梁驱动点导纳。e安装具有不同材料损耗因子的ρ-ABH-DVA时主梁驱动点导纳对比。
实验制备的器件验证了其在超低频与超宽带范围（25–1200 Hz）内的高效吸振性能，工作阈值频率低至24.5 Hz。该研究不仅从原理上为突破声学超材料领域的频率-尺度约束提供了新方案，并通过可控材料合成方法，规避了传统声学黑洞对高精度加工的依赖，为开发新一代振动噪声控制技术提供了可行路径。
上述工作得到了国家自然科学基金和江苏省双创计划项目等的支持。
