A Sound‐Absorbing Metamaterial With Tree‐Inspired Bionic Helmholtz Resonators

声学 声音(地理) 谐振器 亥姆霍兹自由能 超材料 树(集合论) 亥姆霍兹谐振器 计算机科学 物理 数学 光学 数学分析 量子力学
作者
Li Bo Wang,Jiu Hui Wu
出处
期刊:Advanced materials and technologies [Wiley]
标识
DOI:10.1002/admt.202501279
摘要

Abstract To alleviate the cavity dependence of Helmholtz resonators, this work designs a Helmholtz resonator incorporating porous materials, cover plates, multilayer embedded necks, and cavities, inspired by the structural configuration of tree canopies, trunks, roots, and soil. The sound absorption characteristics and underlying physical mechanisms of the structure are elucidated through impedance matching theory and finite element simulations. The results demonstrate that the introduction of multilayer thin walls induces a velocity modulation phenomenon of sound waves at the necks, causing the surface acoustic impedance and energy dissipation characteristics of the Helmholtz resonator to vary with the number and arrangement of the thin walls. A sound‐absorbing acoustic metamaterial composed of tree‐inspired bionic Helmholtz resonators, along with two sound‐absorbing arrays composed of conventional Helmholtz resonators, is designed. Experimental results show good agreement with both theoretical predictions and simulation outcomes. Compared with the traditional Helmholtz resonator array, the proposed sound‐absorbing metamaterial achieves effective absorption within the range of 230–424 Hz, with a nearly 50% reduction in maximum neck length, thereby mitigating the constraint of cavity thickness on neck design and improving the scalability of low‐frequency sound absorption. This work provides a strategy for the design of deep subwavelength low‐frequency absorbers.
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