隨著5G和人工智能（AI）技術的發展，自供能聲學傳感器受到廣泛關注。新冠毒病（COVID-19）的全球蔓延，進一步加劇了對自供能聲學傳感器的需求，通過部署非接觸式語音傳感系統，嚴格控制公共場所的接觸式傳播，將有效減輕疾病傳播的風險。
與傳統聲學傳感器相比，壓電聲學傳感器解決了低靈敏度和窄頻帶的問題，但壓電材料制造工藝復雜、成本高昂，且靈敏度等性能指標難以進一步提升。聲學超材料作為一種人工材料，能夠突破傳統材料固有特性的限制，有效地調制聲波。將聲學超材料與壓電材料相結合，有望實現高靈敏度聲傳感。
據麥姆斯咨詢報道，近期，上海交通大學研究人員設計了一種基于聲學超材料和亥姆霍茲（Helmholtz）共振結構的自供能聲學傳感器，具有高靈敏度，適用于中低頻聲音的傳感，可滿足小型傳感器的自供能需求。該項研究為新型聲學傳感器的設計提供了思路。相關研究成果已發表于《機械科學與技術》期刊。
該項研究中，研究人員設計了一種新型的基于聲學超材料和亥姆霍茲（Helmholtz）諧振器的壓電聲學傳感器。具有缺陷的局域共振聲學超材料能夠將聲音聚焦在缺陷位置處，通過在聲學超材料缺陷處加入了Helmholtz共振腔來放大缺陷位置處的聲波，貼在缺陷位置處的壓電材料將聲音振動轉化為電壓輸出。
聲學超材料與Helmholtz共振結構示意圖
研究人員對比分析了基于Helmholtz諧振器的聲學超材料傳感器（Acoustic Metamaterial and Helmholtz-resonator Sensor，AMHS）和僅基于局部缺陷的聲學超材料傳感器（Acoustic Metamaterial Sensor，AMS）的性能差異。AMS的聲壓放大原理為聲學超材料板缺陷聚焦。AMHS的聲壓放大原理為聲波通過聲學超材料板聚焦在缺陷位置后，再通過Helmholtz諧振器二次放大。
試驗結果表明，加入Helmholtz諧振器的優化設計能將聚焦在聲學超材料缺陷處的能量進一步放大，使其傳感性能更加優越，傳輸比超過40 mV/Pa。此外，Helmholtz諧振器能夠有效提升傳感器的靈敏度和信噪比，與AMS相比，AMHS輸出性能更加穩定，呈現較高的線性度，平均靈敏度達到19 mV/Pa，信噪比為43 dBV，在大聲壓范圍內的共振能力更強，適用于中低頻聲音的傳感。
聲學超材料與Helmholtz共振結構模型
AMS和AMHS的傳輸譜
左圖：不同聲壓下AMS的響應曲線；右圖：不同聲壓下AMHS的響應曲線
左圖：AMS的信號電壓和噪聲電壓；右圖：AMHS的信號電壓和噪聲電壓
綜合而言，具有缺陷的聲學超材料能夠聚焦聲能，而Helmholtz諧振器能將聚焦在聲學超材料缺陷處的能量進一步放大，有效提升傳感器性能。該項研究為聲學傳感器的設計提供了新的思路，通過采集并聚焦環境聲能以滿足自供能傳感器的基本需求，未來有望進一步賦能新型物聯網。
論文鏈接：
https://doi.org/10.13433/j.cnki.1003-8728.20220235
延伸閱讀：
《MEMS揚聲器期刊文獻檢索與分析-2022版》
