基于声学超材料和亥姆霍兹谐振器的自供能声学传感器

MEMS 2022-10-11 00:00

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》



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