基于树形仿生Helmholtz谐振器的深亚波长低频吸声超材料设计及性能调控

为缓解传统Helmholtz谐振器的空腔依赖性，研究人员通过仿照树冠-树干-根系-土壤的结构构型，设计了一种结合多孔材料、盖板、多层嵌入式颈管与空腔的仿生谐振器。通过阻抗匹配理论与有限元模拟揭示了其吸声特性与物理机制，发现多层薄壁结构可诱导声波在颈部的速度调制现象，显著拓宽低频吸声带宽（230–424 Hz），并将最大颈长缩减近50%，突破了空腔厚度对颈部设计的限制，为深亚波长低频吸声器设计提供了新策略。

　　

为克服传统Helmholtz谐振器(Helmholtz Resonator, HR)对空腔结构的依赖，本研究受树木结构（树冠、树干、根系与土壤）启发，设计了一种集成多孔材料、盖板、多层嵌入式颈管与空腔的仿生谐振器。通过阻抗匹配理论与有限元模拟(Finite Element Simulation)阐明了该结构的吸声特性与物理机制：多层薄壁的引入可调控声波在颈部的速度分布，使谐振器的表面声阻抗与能量耗散特性随薄壁层数和排列方式动态变化。进一步设计了由树形仿生HR组成的吸声超材料(Sound-Absorbing Metamaterial)，并与传统HR阵列进行对比实验。结果表明，该超材料在230–424 Hz频段实现有效吸声，最大颈长减少近50%，显著缓解了空腔厚度对颈部设计的约束，提升了低频吸声的可扩展性。本研究为深亚波长(Deep Subwavelength)低频吸声器设计提供了创新性解决方案。