随着5G和人工智能（AI）技术的发展，自供能声学传感器受到广泛关注。新冠毒病（COVID-19）的全球蔓延，进一步加剧了对自供能声学传感器的需求，通过部署非接触式语音传感系统，严格控制公共场所的接触式传播，将有效减轻疾病传播的风险。
与传统声学传感器相比，压电声学传感器解决了低灵敏度和窄频带的问题，但压电材料制造工艺复杂、成本高昂，且灵敏度等性能指标难以进一步提升。声学超材料作为一种人工材料，能够突破传统材料固有特性的限制，有效地调制声波。将声学超材料与压电材料相结合，有望实现高灵敏度声传感。
据麦姆斯咨询报道，近期，上海交通大学研究人员设计了一种基于声学超材料和亥姆霍兹（Helmholtz）共振结构的自供能声学传感器，具有高灵敏度，适用于中低频声音的传感，可满足小型传感器的自供能需求。该项研究为新型声学传感器的设计提供了思路。相关研究成果已发表于《机械科学与技术》期刊。
该项研究中，研究人员设计了一种新型的基于声学超材料和亥姆霍兹（Helmholtz）谐振器的压电声学传感器。具有缺陷的局域共振声学超材料能够将声音聚焦在缺陷位置处，通过在声学超材料缺陷处加入了Helmholtz共振腔来放大缺陷位置处的声波，贴在缺陷位置处的压电材料将声音振动转化为电压输出。
声学超材料与Helmholtz共振结构示意图
研究人员对比分析了基于Helmholtz谐振器的声学超材料传感器（Acoustic Metamaterial and Helmholtz-resonator Sensor，AMHS）和仅基于局部缺陷的声学超材料传感器（Acoustic Metamaterial Sensor，AMS）的性能差异。AMS的声压放大原理为声学超材料板缺陷聚焦。AMHS的声压放大原理为声波通过声学超材料板聚焦在缺陷位置后，再通过Helmholtz谐振器二次放大。
试验结果表明，加入Helmholtz谐振器的优化设计能将聚焦在声学超材料缺陷处的能量进一步放大，使其传感性能更加优越，传输比超过40 mV/Pa。此外，Helmholtz谐振器能够有效提升传感器的灵敏度和信噪比，与AMS相比，AMHS输出性能更加稳定，呈现较高的线性度，平均灵敏度达到19 mV/Pa，信噪比为43 dBV，在大声压范围内的共振能力更强，适用于中低频声音的传感。
声学超材料与Helmholtz共振结构模型
AMS和AMHS的传输谱
左图：不同声压下AMS的响应曲线；右图：不同声压下AMHS的响应曲线
左图：AMS的信号电压和噪声电压；右图：AMHS的信号电压和噪声电压
综合而言，具有缺陷的声学超材料能够聚焦声能，而Helmholtz谐振器能将聚焦在声学超材料缺陷处的能量进一步放大，有效提升传感器性能。该项研究为声学传感器的设计提供了新的思路，通过采集并聚焦环境声能以满足自供能传感器的基本需求，未来有望进一步赋能新型物联网。
论文链接：
https://doi.org/10.13433/j.cnki.1003-8728.20220235
延伸阅读：
《MEMS扬声器期刊文献检索与分析-2022版》
