传统管道消声器通常根据其主导衰减机制分为阻性、抗性和混合型三类。阻性消声器包括多孔材料结构[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13]]和微穿孔结构[[14], [15], [16], [17], [18], [19]]，通过黏热损耗耗散声能，主要在中高频范围内有效。相比之下，基于截面变化、侧支管或共振单元的抗性消声器可以通过阻抗失配、波反射和局部共振增强低频衰减[[20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35]]。基于这两种机制的互补优势，混合消声器通过结合结构声调控与材料耗散来改善低频吸声[[36], [37], [38], [39], [40], [41], [42], [43]]。然而，现有的混合设计在紧凑空间中的低频衰减仍显不足，吸声频带窄或不连续，且存在由离散共振引起的吸声响应波动问题[[44], [45], [46], [47], [48]]。这些局限性表明，简单地将阻性和抗性元件相结合不足以实现紧凑型低频宽带吸声，需要更有效的声能调控机制。
慢波效应[[49], [50], [51]]和彩虹捕获（RT）[[52], [53], [54], [55], [56], [57], [58], [59], [60], [61], [62], [63]]为紧凑宽带声能调控提供了两种有前景的机制。作为典型的慢波结构，声黑洞（SBH）采用幂律几何轮廓产生渐变的阻抗变化，降低声波的相位速度或群速度，并将声能引导至结构的终端区域[[64], [65], [66], [67], [68], [69], [70], [71], [72], [73], [74], [75], [76], [77], [78], [79], [80], [81], [82], [83], [84]]。Bravo等人[85]基于声学黑洞效应开发了一种管道消声器，采用轴向梯度环形共振腔，并通过数值和实验研究展示了宽带消声和吸声特性。他们的工作建立了将声学黑洞机制引入管道消声器的可行性。相比之下，本研究进一步在SBH结构中引入空间梯度狭缝，以调控其局部声学传播特性。其目标不仅是将显著的慢波响应向低频范围转移，还在于诱发环形腔室内的频率选择性声能局域化，从而将慢波效应与彩虹捕获耦合起来。
彩虹捕获（RT）是一种频率到位置的映射机制，即在梯度结构中，不同频率成分被减速并在不同位置实现空间局域化。基于这一概念，Bravo等人[86]提出了一种汇聚螺旋彩虹捕获滤波消声器，其中螺旋通道调控声传播路径和局部色散特性，以实现频率相关的声捕获和宽带黏热耗散[87]。Lee等人[88]进一步证明，螺旋多狭缝结构可以同时激发与SBH相关的多狭缝局域化模态和与RT相关的单狭缝局域化模态，从而在宽频率范围内增强透射损耗。这些研究表明，基于狭缝的结构可以将SBH慢波调控与RT引起的空间局域化耦合起来。然而，以往研究中的狭缝结构主要被设计为延长有效声路径或调节局部模态频率的几何单元[[89], [90], [91], [92], [93], [94]]。大多数现有设计通过预设狭缝轮廓、狭缝长度变化或螺旋声路径来实现低频衰减。然而，由轴向排列的薄板形成的梯度狭缝如何调控SBH的慢波行为这一机制仍不清楚。
为解决上述问题，本研究开发了一种多孔狭缝扩展声黑洞（PSE-SBH）超材料消声器，其几何参数采用软演员-评论家（SAC）算法[[95], [96], [97], [98], [99]]进行优化。与以往主要使用预设狭缝轮廓或路径延长的狭缝设计不同，所提出的结构将狭缝宽度、深度和空间分布作为可连续优化的声能调控变量。这种参数化使得梯度狭缝能够主动调控扩展SBH的慢波行为，将声能局域化向更低频率转移，并在目标频带内诱发频率选择性的彩虹捕获。同时，多孔材料作为阻性耗散元件，将局域化的声能转化为黏热损耗。通过SAC优化、慢波局域化、彩虹捕获和多孔耗散的耦合，所提出的PSE-SBH超材料消声器实现了紧凑型低频宽带近乎完美的吸收。
本文其余部分安排如下。第2节介绍PSE-SBH消声器的结构设计、建模方法和基于SAC的优化算法。第3节首先比较SAC与其他代表性优化算法的优化性能，然后分析优化结构的吸声性能。进一步通过有限元仿真揭示声能调控和耗散的内在机制。第4节展示所制造PSE-SBH原型的实验测试结果，并将实验结果与理论和数值预测进行对比。第5节总结本研究的主要结论。
