同济大学、香港城市大学：在连续谱束缚态局域声能增强与传感方向取得进展

近日，同济大学物理科学与工程学院李勇教授团队、祝捷教授团队与香港城市大学电气工程系蔡定平教授团队合作，在连续谱束缚态局域声能增强与传感技术方向取得新进展，相关研究成果以“Self-Powered Frequency-Selective Acoustic Sensor Based on Bound States in the Continuum”为题，发表于《先进科学》（Advanced Science）。研究团队提出了一种基于Friedrich-Wintgen型连续谱束缚态（BIC）的双态系统，该系统实现了1849倍的局域声能密度增强。通过将该声学系统与压电薄膜结合，利用连续谱束缚态的高品质因子特性，实现了声能采集，并开发出具备自供电功能的频率选择声传感器。

环境声能因其生态友好与可再生性被视为潜在绿色能源，但由于环境声能密度普遍较低，常被视为噪声而未加以利用。为实现声能利用，通常采用声学器件增强声能密度，以实现有效的能量收集与自供电传感。针对这一技术挑战，研究团队设计了一种支持Friedrich-Wintgen型连续谱束缚态（BIC）的双态系统，并结合压电薄膜，实现了声能采集与频率选择功能（图1a）。该系统的核心结构由两个嵌套腔体构成，其模态特性可通过耦合模理论进行分析（图1b）。研究团队通过调节两个耦合腔的腔深差Δl ，实现了对声能密度和开路电压的调控（图1c-d）。与传统的共振腔型声学结构相比，该双态BIC系统在有效平衡Qrad与Qloss的同时，显著提高了声能密度增强因子（图2）；实验数据表明，该系统可实现1849倍的局域声强增强和38.6的高Q因子（图3）。在130dB的入射声压下，集成压电薄膜的系统可产生350 mV的电压输出（图4）。此外，该集成系统对声波频率变化具有高灵敏度，进一步开发出具有自供能声传感器，能够在目标频率501Hz(±4Hz)激发一个发光二极管（图5）。

图1.具有局域声能增强和声能采集的BIC支持系统示意图。（a）左图为阵列结构，右上为单元结构的前视图，右下为声能采集装置示意图，E0和Ec分别表示入射声和腔体底部的声能密度。（b）双态系统的基模调制示意图。（c）通过调制腔深差Δl以增强能量密度的概念图。（d）通过调制Δl得到输出开路电压示意图。

图2.通过双态BIC支持系统解除Qrad和Qloss之间的矛盾。（a）双态系统示意图。不考虑本征损耗时，数值计算（b）不同腔深差（Δl）下的声能密度增强因子Er。（c）不同腔深差（Δl）下的Qrad分布。（d）亥姆霍兹谐振腔示意图。不考虑本征损耗时，数值计算亥姆霍兹谐振腔的（e）直径d与Er、（f）直径d与Qrad之间的关系。双态系统（g）不同腔深差（Δl）与Er之间的关系；（h）Qrad和Qloss之间的关系；（i）亥姆霍兹谐振器的直径d与Er曲线图；（j）Qrad与Qloss的曲线图。

图3.声能增强与完美吸声。（a）测量腔内声压的实验示意图。（b）仿真得到的腔内声压场分布图。（c）腔体的声能增强结果。（d）双态系统的吸声结果。

图4.声能采集实验装置与结果。（a）测量开路电压的实验装置图。（b）不同声压级下开路电压的实验结果。（c）双态系统在谐振频率处的开路电压时域波形图。

图5.自供电频率选择声传感器。（a）声传感器原理图。（b）声传感器实验设置图照片，插图为电路板图。（c）电路板上的LED随声波频率变化的实验图。

同济大学为论文第一单位，物理科学与工程学院宋潮博士后与香港城市大学黄思博博士后为论文共同第一作者，蔡定平教授、祝捷教授、李勇教授为论文共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、上海市科委、香港特别行政区大学教育资助委员会/研究资助局以及小米公益基金会等资助。

论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202410379

审核编辑 黄宇