Hierarchical piezoelectric metasurface for acoustic energy harvesting and noise mitigation：兼具声能收集与降噪功能的分层压电超表面研究

推荐阅读：本文介绍了一种压电超表面，由聚偏二氟乙烯压电纳米发电机（PENG）与分层孔隙网络集成，可实现声能收集与降噪。该超表面在 63 - 1250Hz 范围吸声率达 99.5% ，在飞机噪声下能产生 2.8V 输出，为相关领域提供了新方案。

　　### 引言
随着城市化和工业化的快速发展，噪声污染已成为重大环境问题，影响人类健康、公共安全和生态系统。传统噪声控制材料虽能有效降低声音传播，但只是被动耗散声能，无法利用其潜在价值。物联网时代对自供电电子设备需求不断增加，凸显了外部电源的局限性，人们对可持续能源收集解决方案的兴趣日益浓厚。在众多能源中，声能因广泛存在且在不同环境中稳定性高，成为为低功率电子系统供电的有前景的候选能源。将噪声控制与能量收集相结合，有助于为声学传感器供电，实现噪声抑制和实时环境监测。这些设备能主动利用声能为传感器网络供电，应用于结构健康监测、工业诊断和智能基础设施等领域。

然而，开发具有广泛适用性和合适尺寸的多功能声电设备颇具挑战。低频噪声在许多工业和航空环境中占主导地位，很难用被动方法吸收。主动噪声控制虽能处理低频噪声问题，但对噪声频率和位置有严格限制。此外，声波能量密度低，缺乏尺寸合适且高效的将声能转化为电能的设备。使用谐振器进行声放大可解决能量收集问题，但其庞大的结构限制了在飞机等领域的应用。而且，以往大多数研究只关注提高设备的发电能力，却忽视了其声学性能。

在本研究中，开发了一种具有分层孔隙网络的压电能量收集超表面，可在不同噪声条件和频率范围内增强声能收集和噪声抑制效果。孔隙网络通过粘性损耗散射和捕获入射声能、降低噪声，被吸收声音引起的机械变形则由集成的压电元件用于产生电能。该超表面厚度仅 25mm，在 714Hz 时的吸声效果是商业材料的 2.4 倍（降低声波反射，α = 0.420），在 390Hz 时的隔音效果是商业材料的 2.9 倍（降低声波反射，11.71dB）。通常，该超表面在实现出色降噪的同时，只有约 5% 的吸收声能转化为电能，其转换效率和整体性能很大程度上取决于噪声水平和频率。在声学特征明确的受控声学环境（如音乐厅或飞机内）中，能量转换效率可得到优化。鉴于这些特性，这项技术特别适用于声信号携带关键信息的自供电传感应用，包括工业机械监测、环境噪声评估和飞机健康诊断。

实验中，由聚偏二氟乙烯（PVDF）制成的非对称 - 对称压电纳米发电机（PENG）在 121Hz、105dB 声压下实现了 2.1mW/m²的电功率输出。最终的超表面单元厚度为 25mm，在 714Hz 时吸声系数为 0.995，在 390Hz 时隔音水平达 33.49dB，在 82Hz、100dB 条件下功率密度为 23.9μW/m²。多个声能收集器（AEH）的演示表明，将其置于 113dB 声源中时，可提供稳定的 2.8V 电输出，说明了其在飞机噪声环境中自供电声学传感应用的潜力。这些结果表明，所提出的超表面设计有效地将噪声控制与能量收集相结合，为在声学要求苛刻的环境中进行自主传感和结构健康监测提供了切实可行的解决方案。

结果与讨论

设备设计与工作原理

提出了一种用于环境噪声收集和吸收的压电超表面，并介绍了其潜在应用。该超表面采用多层架构，将 PENG 与分层孔隙网络集成，在实现声能转换的同时提供吸声和隔音功能。PENG 由 PVDF 压电薄膜和聚对苯二甲酸乙二酯（PET）谐振膜组成，与由微尺度纤维基质、毫米尺度波纹腔和厘米尺度气隙形成的多尺度多孔结构相耦合。这种设计在保持能量转换效率的同时增强了声能耗散。由 B - C 型瓦楞纸（又称 BC 瓦楞纸板）和优化气隙构成的多孔架构有助于多频噪声抑制和宽带声吸收，特别是在低频和中频范围内。整个单元封装在 Somos LEDO6060（LEDO 6060）光敏树脂外壳中，以确保机械稳定性。通过集成微尺度、毫米尺度和厘米尺度的孔隙，分层孔隙网络优化了声阻抗匹配，提高了噪声衰减和能量收集效率。模块化架构使该技术在大规模应用中具有可扩展性和适应性。

当超表面暴露在高声压噪声中时，会激发 PENG 产生极化电荷。虽然没有严格的低噪声阈值，但实际的能量收集效率和电路损耗会对其产生有效限制。这些电荷通过能量管理电路提取并转换为直流电（DC），收集到的能量可存储起来或为低功率电子设备供电。超表面的模块化单元设计可适应从飞机降噪到较低噪声水平的小型设备等各种应用。此外，其分层多孔网络通过有效隔离传输的声能，增强了吸声和隔音效果。

PVDF 压电薄膜成本较高，因此需要采取策略提高其低频响应性并降低材料成本。基于广泛使用的圆形 PVDF PENG（PENG1）对压电材料的几何形状进行了优化，并在基板上引入了辅助结构。优化过程将圆形 PVDF 薄膜修改为方形（PENG2），再修改为非对称几何形状（PENG3），最后在 PET 基板中集成对称辅助结构，得到优化后的 PENG4。与 PENG1（19.63cm²）相比，PENG4 的压电材料面积减少了 19.51%（15.80cm²）。

为评估结构的电气性能，使用 Ansys Workbench 对四种 PENG 模型进行了有限元模拟。结果显示，减小压电薄膜面积会使 PENG 的主共振频率向低频移动，但会降低最大输出响应。然而，PENG4 中引入的对称辅助结构使其在保持较低主频率的同时增强了压电输出性能。在沿正 z 轴 1000Pa 的固定载荷下分析 PENG 的结构特性，结果表明 PENG4 在等效应力、变形和总电荷密度方面有所改善。在 50 - 200Hz 频率范围内的谐波响应分析表明，所有 PENG 在其主共振频率附近都表现出最大压电输出。对称辅助结构的添加降低了最佳响应频率，同时增强了最大压电输出。

基于这些发现，选择 PENG1 和 PENG4 进行制造和后续测试，具体制造方法在方法部分介绍。需要注意的是，这里的优化模拟由于外部载荷和固定约束，与实际情况存在一定差异。这些模拟旨在进行具有成本效益的定性优化，而非定量分析，最终的优化性能将通过后续的声电转换实验进行验证。

发电性能

以噪声为激励源评估制造的 PENG1 和 PENG4 设备的电气性能，测试了它们在不同频率下的电输出特性。声压级（SPL）保持在 80dB，频率从 90Hz 到 160Hz 以 10Hz 为增量变化，并记录相应的开路电压和短路电流。对于 PENG4，开路电压和短路电流在 90Hz 到 120Hz 之间随频率上升而增加，在 120Hz 时达到峰峰值电压（V_pp）3.31V 和峰峰值电流强度（A_pp）10.25μA，之后随着频率进一步增加到 160Hz 而下降。对于 PENG1，这些值在 90Hz 到 130Hz 之间增加，在 130Hz 时达到峰峰值输出 0.35V 和 1.38μA，然后从 130Hz 到 160Hz 下降。这些结果与模拟数据一致，证实了所提出方法的可靠性和准确性。

为探索频率响应性，在最佳响应频率附近（PENG4 为 120Hz，PENG1 为 130Hz）以 1Hz 为增量记录开路电压和短路电流。在 80dB SPL 下，PENG4 在 121Hz 时达到峰峰值输出 3.75V 和 11.67μA，而 PENG1 在 132Hz 时达到 0.39V 和 1.51μA。这些结果验证了设计设备的实用性和可靠性，特别是对于通常集中在 400Hz 以下低频范围内的环境噪声。比较 PENG1 和 PENG4 在 80dB 下 90 - 160Hz 的输出电压和电流，总体而言，PENG4 表现出比 PENG1 更高的输出性能。PENG4 在 121Hz 时的 V_pp（3.75V）和电流（11.67μA）明显大于 PENG1 在 132Hz 时的 0.39V 和 1.51μA，证实了优化后的基于 PVDF 的 PENG 相比传统设计具有更高的能量输出。

研究了 SPL 对 PENG4 设备性能的影响。将激励频率固定在 121Hz，SPL 从 80dB 到 105dB 以 5dB 为增量变化。结果显示，输出电压随 SPL 升高而增加，在 105dB 激励下，PENG4 产生 9.44V 的输出电压。由于设备限制，未测量高于 105dB 的电压，但先前研究表明，进一步增加 SPL 可能会提高电压输出。最后，评估了外部负载电阻对 PENG4 输出功率的影响。将激励频率和 SPL 分别设置为 121Hz 和 105dB，负载电阻从 1kΩ 到 100MΩ 变化。记录电阻两端的电压和电流以计算输出功率。结果显示，电压随电阻增加而增加，接近开路电压并在较高电阻值时饱和。由于欧姆损耗，电流随电阻增加而逐渐减小。输出功率也随电阻增加而增加，在 300kΩ 时达到最大功率 66.1μW，实现了阻抗匹配。超过此电阻，输出功率下降。

将 PENG4 与分层孔隙网络结合制造了 AEH4，将 PENG1 与相同分层孔隙网络结合制造了 AEH1 作为对照组，并评估其电气性能。与之前的测试类似，在不同频率下评估电输出特性。SPL 保持在 80dB，频率从 90Hz 到 160Hz 以 10Hz 为增量变化，测量开路电压和短路电流，整体呈下降趋势。然后将频率范围调整为 60 - 130Hz，以相同步长记录相应的电输出。AEH4 的开路电压和短路电流在 60Hz 到 80Hz 之间增加，在 80Hz 时达到峰峰值 0.31V 和 0.97μA，之后从 80Hz 到 130Hz 下降。在最佳响应频率（80Hz）附近以 1Hz 为增量进一步细化测试，发现在 80dB SPL 下，82Hz 时 AEH4 的峰峰值为 0.36V 和 1.07μA。

比较 PENG4 和 AEH4 在相同 SPL 下的输出性能，AEH4 的最佳响应频率从 PENG4 的 121Hz 降至 82Hz，峰峰值输出电压和电流分别从 PENG4 的 3.75V 和 11.67μA 降至 AEH4 的 0.36V 和 1.07μA。这种降低归因于 AEH 的结构设计，PENG4 通过薄中间层与 BC 瓦楞纸连接。分层孔隙网络在低频下具有良好的隔音性能，但吸声较弱。因此，部分穿过 PENG4 的声能被 BC 瓦楞纸反射回 PENG4 的后部，前后入射能量和反射能量的干涉减少了 PENG4 的振动，改变了最佳响应频率并降低了整体电输出。

比较 AEH1 和 AEH4 在相同 SPL 下的输出性能，AEH4 在 82Hz 时的 V_pp（0.36V）和电流（1.07μA）明显大于 AEH1 在 90Hz 时的 0.04V 和 0.11μA，与从 PENG4 到 PENG1 观察到的性能趋势一致。虽然 AEH4 的输出低于 PENG4，但仍远高于 AEH1，这表明 PENG 的优化过程转化为 AEH 设计，提高了整体性能。

研究了 AEH4 性能对 SPL 的依赖性。将激励频率固定在 82Hz，AEH4 的 SPL 从 80dB 到 100dB 以 5dB 为增量变化，开路电压随 SPL 增加而增加，在 100dB 时达到 0.98V，推断进一步增加 SPL 将增强设备的能量输出。还分析了外部负载电阻对输出功率的影响。将激励频率和 SPL 分别保持在 82Hz 和 100dB，电阻从 1kΩ 到 100MΩ 变化。电压随电阻增加而增加，接近开路电压时趋于饱和，电流随电阻增加而减小。在 300kΩ 的负载电阻下，基于器件面积计算得到的峰值表面功率密度为 23.9μW/m²。

虽然分层孔隙网络可能对发电效率有一定影响，但它在增强降噪方面起着至关重要的作用。通过集成多个单元的能量收集并采用功率管理策略，该系统可以维持多个低功率传感器节点的运行。

吸声和隔音性能

选择 AEH1 和 AEH4 单元作为主要测试对象，以商业吸声组合（CSAC）作为对照组。使用基于传递函数法的两个声传感器和双通道数据采集系统测量吸声性能，测试频率范围为 63 - 1600Hz。优化单元在 334Hz 和 714Hz 处实现吸收峰值，在 714Hz 时几乎完全吸收（α = 0.995）。基本单元在 336Hz 和 696Hz 处显示吸收峰值，在 696Hz 时几乎完全吸收（α = 0.994）。总体而言，基本单元和优化单元的吸声性能相当，在 63 - 876Hz 范围内均优于商业组件。

为评估与飞机噪声相关的中低频噪声吸收性能，计算了 63 - 1250Hz 范围内的平均吸收系数。优化单元的平均吸收系数为 0.43，略高于基本单元（α = 0.42），且均优于商业组件（α = 0.37），这些结果证实了超表面装置在中低频下的吸声能力。

对超表面组件进行消融实验以分析影响吸声的关键因素。分层孔隙网络单独在低频下吸收有限，但在中频范围内表现良好，在 63 - 1250Hz 范围内的平均吸收系数为 0.36。结合通过将声能转换为电能来耗散声能的 PENG，整体平均吸收系数提高到 0.40。腔体结构对增强中低频吸收的影响最为显著，使设备在特定频率范围（如 670 - 762Hz，飞机气动噪声最明显的范围）内实现近乎完全吸收（例如高于 0.9）。

以优化单元 AEH4 为基线研究腔体厚度对吸声性能的影响。腔体厚度以 10mm 为增量变化，记录相应的吸收系数。增加 10mm 腔体使吸收峰频率从 532Hz 和 792Hz 降低到 334Hz 和 714Hz，吸收系数从 0.293 和 0.671 增加到 0.398 和 0.995。进一步增加腔体厚度使吸收峰向低频移动，峰值逐渐饱和。不同腔体厚度在 63 - 1250Hz 范围内的平均吸收系数表明，在 10mm 厚度时，设备的平均系数为 0.43。增加厚度超过 10mm 会降低平均系数，在 30mm 时达到最低值，之后又开始增加。考虑到超表面装置的实际应用，在飞机机舱对舱壁允许厚度有限且要求轻量化的特定应用场景中，10mm 的腔体厚度可能是最佳选择。对于空间限制不严格的应用，增加腔体厚度可以进一步提高低频吸收。在飞机噪声的整体宽带范围内，AEH4 的平均吸声系数为 0.43，但在特定中频范围（例如 600 - 800Hz，飞机气动声学噪声达到峰值的范围）内，其平均吸声峰值高于 0.86。对于 5cm 的腔体厚度，宽带平均吸声系数约为 0.41，但在特定窄带（例如 190 - 290Hz，系数为 0.73；450 - 650Hz，系数为 0.82）内有增强。

吸声和隔音是两种不同的声学处理方法。吸声主要旨在最小化声波反射，从而减少空间内的回声和噪声积累；而隔音则是减少声波的传输，起到声屏障的作用。通常需要结合吸声和隔音来实现最佳的噪声控制。因此，使用基于传递函数法的四个声传感器和四通道数据采集系统评估超表面装置的隔音性能，测试频率范围为 63 - 1600Hz。AEH1 在 390Hz 时达到最大隔音值 33.49dB，而 AEH1 在 362Hz 时达到 31.49dB。总体而言，优化单元和基本单元的隔音性能相当，在 63 - 554Hz 和 970 - 1600Hz 范围内均优于商业隔音组合（CSIC）。

在 63 - 1250Hz 范围内的平均隔音值显示，优化单元的平均<