近日，同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院李勇教授團(tuán)隊(duì)、祝捷教授團(tuán)隊(duì)與香港城市大學(xué)電氣工程系蔡定平教授團(tuán)隊(duì)合作，在連續(xù)譜束縛態(tài)局域聲能增強(qiáng)與傳感技術(shù)方向取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Self-Powered Frequency-Selective Acoustic Sensor Based on Bound States in the Continuum”為題，發(fā)表于《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）。研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于Friedrich-Wintgen型連續(xù)譜束縛態(tài)（BIC）的雙態(tài)系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了1849倍的局域聲能密度增強(qiáng)。通過(guò)將該聲學(xué)系統(tǒng)與壓電薄膜結(jié)合，利用連續(xù)譜束縛態(tài)的高品質(zhì)因子特性，實(shí)現(xiàn)了聲能采集，并開(kāi)發(fā)出具備自供電功能的頻率選擇聲傳感器。

環(huán)境聲能因其生態(tài)友好與可再生性被視為潛在綠色能源，但由于環(huán)境聲能密度普遍較低，常被視為噪聲而未加以利用。為實(shí)現(xiàn)聲能利用，通常采用聲學(xué)器件增強(qiáng)聲能密度，以實(shí)現(xiàn)有效的能量收集與自供電傳感。針對(duì)這一技術(shù)挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種支持Friedrich-Wintgen型連續(xù)譜束縛態(tài)（BIC）的雙態(tài)系統(tǒng)，并結(jié)合壓電薄膜，實(shí)現(xiàn)了聲能采集與頻率選擇功能（圖1a）。該系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)由兩個(gè)嵌套腔體構(gòu)成，其模態(tài)特性可通過(guò)耦合模理論進(jìn)行分析（圖1b）。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)耦合腔的腔深差Δl ，實(shí)現(xiàn)了對(duì)聲能密度和開(kāi)路電壓的調(diào)控（圖1c-d）。與傳統(tǒng)的共振腔型聲學(xué)結(jié)構(gòu)相比，該雙態(tài)BIC系統(tǒng)在有效平衡Qrad與Qloss的同時(shí)，顯著提高了聲能密度增強(qiáng)因子（圖2）；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)1849倍的局域聲強(qiáng)增強(qiáng)和38.6的高Q因子（圖3）。在130dB的入射聲壓下，集成壓電薄膜的系統(tǒng)可產(chǎn)生350 mV的電壓輸出（圖4）。此外，該集成系統(tǒng)對(duì)聲波頻率變化具有高靈敏度，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出具有自供能聲傳感器，能夠在目標(biāo)頻率501Hz(±4Hz)激發(fā)一個(gè)發(fā)光二極管（圖5）。

圖1.具有局域聲能增強(qiáng)和聲能采集的BIC支持系統(tǒng)示意圖。（a）左圖為陣列結(jié)構(gòu)，右上為單元結(jié)構(gòu)的前視圖，右下為聲能采集裝置示意圖，E0和Ec分別表示入射聲和腔體底部的聲能密度。（b）雙態(tài)系統(tǒng)的基模調(diào)制示意圖。（c）通過(guò)調(diào)制腔深差Δl以增強(qiáng)能量密度的概念圖。（d）通過(guò)調(diào)制Δl得到輸出開(kāi)路電壓示意圖。

圖2.通過(guò)雙態(tài)BIC支持系統(tǒng)解除Qrad和Qloss之間的矛盾。（a）雙態(tài)系統(tǒng)示意圖。不考慮本征損耗時(shí)，數(shù)值計(jì)算（b）不同腔深差（Δl）下的聲能密度增強(qiáng)因子Er。（c）不同腔深差（Δl）下的Qrad分布。（d）亥姆霍茲諧振腔示意圖。不考慮本征損耗時(shí)，數(shù)值計(jì)算亥姆霍茲諧振腔的（e）直徑d與Er、（f）直徑d與Qrad之間的關(guān)系。雙態(tài)系統(tǒng)（g）不同腔深差（Δl）與Er之間的關(guān)系；（h）Qrad和Qloss之間的關(guān)系；（i）亥姆霍茲諧振器的直徑d與Er曲線圖；（j）Qrad與Qloss的曲線圖。

圖3.聲能增強(qiáng)與完美吸聲。（a）測(cè)量腔內(nèi)聲壓的實(shí)驗(yàn)示意圖。（b）仿真得到的腔內(nèi)聲壓場(chǎng)分布圖。（c）腔體的聲能增強(qiáng)結(jié)果。（d）雙態(tài)系統(tǒng)的吸聲結(jié)果。

圖4.聲能采集實(shí)驗(yàn)裝置與結(jié)果。（a）測(cè)量開(kāi)路電壓的實(shí)驗(yàn)裝置圖。（b）不同聲壓級(jí)下開(kāi)路電壓的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（c）雙態(tài)系統(tǒng)在諧振頻率處的開(kāi)路電壓時(shí)域波形圖。

圖5.自供電頻率選擇聲傳感器。（a）聲傳感器原理圖。（b）聲傳感器實(shí)驗(yàn)設(shè)置圖照片，插圖為電路板圖。（c）電路板上的LED隨聲波頻率變化的實(shí)驗(yàn)圖。

同濟(jì)大學(xué)為論文第一單位，物理科學(xué)與工程學(xué)院宋潮博士后與香港城市大學(xué)黃思博博士后為論文共同第一作者，蔡定平教授、祝捷教授、李勇教授為論文共同通訊作者。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科委、香港特別行政區(qū)大學(xué)教育資助委員會(huì)/研究資助局以及小米公益基金會(huì)等資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202410379

審核編輯 黃宇