面向航空航天飞行器结构振动噪声抑制问题的研究在预防重大事故、提高飞行器可靠性、改善客机舒适性、延长飞行器使用寿命等方面具有十分重要的意义。飞行器等大量工程结构中声振现象的共性本质是波动,而实现这类结构减振降噪的一个共性基础正是波的操控。声学黑洞效应即是利用薄壁结构几何特征或者材料特性的梯度变化,实现对弯曲波的减速、转向与聚集等操控。内嵌于薄壁结构中的声学黑洞在特定的位置形成高能量密度区域,对分散在结构中的弯曲波能量产生高效率的能量聚集与能量耗散效应,促使弯曲波能量的有效转移。因此,对于大量使用薄壁结构的航空航天飞行器,声学黑洞在结构的减振降噪领域具有极大的应用潜力。本文具体的研究工作从声学黑洞结构中黑洞效应形成的机理出发,探索声学黑洞现象的特征行为与波传播演变过程;对声学黑洞能量聚集效应进行评估;对弯曲波传播路径进行追踪与预测;提出优化设计方法以及新型声学黑洞结构设计以实现提高改善声学黑洞效应的目标。论文从理论、仿真和实验层面对声学黑洞结构中波的传播、聚集与耗散特性问题展开了深入研究,主要的内容和创新点总结为以下几点:1.针对实际声学黑洞结构中不可避免的缺陷,提出了非完美声学黑洞截面。具有一般性的非完美声学黑洞截面概括性地描述了包括理想情况下以及具有几何缺陷情况下的声学黑洞几何特征,并且非完美几何特征例如中心平台克服了局部区域结构强度极小的问题,保证了结构表面完整性。采用有限元数值模拟研究了非完美声学黑洞中的弯曲波传播与聚集的时域过程,对比分析了非完美声学黑洞与传统声学黑洞中的弯曲波聚集现象,探讨了几何参数对声学黑洞中弯曲波聚集特征的影响规律。2.提出了二维声学黑洞中弯曲波聚集效果的评估和验证方法。在有限元数值求解弯曲波响应的基础之上,结合功率流分析获得了声学黑洞薄板结构中能量传递的方向与强弱。定义了能量聚集光斑进一步标定了能量聚集的范围。通过对功率流在不同截面处以及能量光斑位置的积分统计,提出了定量评估弯曲波能量聚集效果的方法。并且采用激光超声扫描实验系统实现了声学黑洞结构中波传播过程的可视化,揭示了声学黑洞中弯曲波的传播与聚集过程,验证了非完美声学黑洞结构中的波聚集现象。3.建立了弯曲波传播轨迹数值求解模型。基于几何声学近似方法得到的轨迹微分方程,提出了利用泰勒级数展开求解弯曲波传播轨迹的数值模型,成功地追踪了一般形式的非完美二维声学黑洞中波的传播路径并且预测弯曲波的聚集特征。利用基于激光超声扫描技术的实验手段以及功率流矢量分析验证了波轨迹模型求解波传播路径的准确性。波轨迹模型大大提高了分析声学黑洞结构中波传播特征以及研究几何参数对波聚集效应影响的效率,并且能够灵活地拓展应用到其他具有折射率梯度分布特征的介质中。4.建立了声学黑洞结构同步优化方法。在对声学黑洞结构中能量聚集效应的研究基础上,引入阻尼材料实现高效率的能量转移与耗散,提出了声学黑洞结构优化设计方法,以最大化能量耗散效率为目标,同时实现阻尼材料的拓扑优化以及声学黑洞截面的几何参数优化。在求解过程中充分考虑声学黑洞主结构与阻尼材料之间的耦合对能量聚集效应与能量耗散效应产生的影响,获得了能够实现最优能量耗散效果的声学黑洞结构设计方案。5.设计并实现了功能梯度声学黑洞结构。提出了一种全新的声学黑洞结构实现方式,利用3D打印技术加工制作了功能梯度声学黑洞梁结构,功能梯度声学黑洞结构同时具备传统声学黑洞的几何特征以及呈现梯度变化的材料特性,该设计方案提高了声学黑洞的能量聚集效果。另外,打印材料自身的损耗特性使得无需通过附加阻尼层即可实现高效的能量耗散。通过数值仿真和实验研究了功能梯度声学结构中的波传播特性,并且利用了入射波反射波分离技术的反射系数计算方法,评估了功能梯度声学黑洞梁结构的反射特性,进一步改善了传统声学黑洞结构的低反射效应。