科研进展 | 基于表面波转换的声能量采集超表面

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从环境中获取能量已经引起了研究人员越来越多的兴趣，因为它在无线传感器网络和物联网等领域具有广阔的应用前景。环境能量，如振动、风能和太阳能，在无线传感器网络充电或替代电池方面具有潜在的先进应用。与其他环境能源相比，声能在普通环境中的能量密度相对较低，总是被忽略和浪费。近年来，人们提出了许多人工材料和结构来限制和定位来自周围环境的声音。

最基本的声能采集器 (AEHs) 通常利用不同类型的谐振腔，如亥姆霍兹谐振腔、四分之一波长谐振腔和其他腔体谐振器来放大入射声压。然后，它们可以根据不同的能量转换机制进行分类，如压电、电磁和摩擦电。由于基于谐振腔的声能量采集器的几何结构对工作频率有很大的依赖性，目前应用较多的基于谐振腔的AEHs存在体积大、声场不可控、频带窄等缺点，限制了声能量作为动力源的应用范围。

不同于谐振腔只能将声波限制在腔内，声学超材料已被证明具有丰富的物理性质和非凡的波操纵能力，也可用于限制和定位声能。声学超表面作为二维声超材料，表现出超波长厚度和完全控制相移的超薄平面特征。受广义Snell定律的启发，声学超表面具有非凡的波前整形能力，可用于反常折射、非对称传输、声吸收以及从传播波到表面倏逝模式的转换。许多关于声学超表面的研究已经实现了从传播波到表面倏逝模式的转换，但很少有研究表面模式在声能量收集中的应用。

近日，南京大学的程建春教授课题组提出并演示了一种具有相位调制的声梯度超表面，可以将传播波转换为表面有界波，以集中能量。由于周期设计，在正入射情况下，多个表面波可以形成驻波。然后，将所有的压电复合材料片(PCSs)放置在波脊区域，收集声波能量，并使不同PCS的输出电压保持相同相位。数值模拟和实验结果表明，声压比入射波大5倍，输出功率提高了8倍。

相关工作发表在《Applied Physics Letters》上。(郑江坡)

文章链接：doi: 10.1063/5.0097676

来源：两江科技评论微信公众号（ID：imeta-center），作者：九乡河。