基于聲子晶體實現聲-電轉換的智能降噪窗簾

全飛熊，陳浠慶，李 晨，陳亞柯，尹 源，陳瑞揚，閻一諾

（武漢理工大學理學院，湖北 武漢 430070）

隨著人們生活水平的日益提高，人們對于自己的生活質量有了更多的要求。然而，城市的噪聲污染問題卻一直難以得到合理且有效的解決。噪聲污染無處不在：車輛川流不息的路邊居民房、晝夜不停工作的工廠、喧鬧廣場邊的住房區等。噪聲使人產生壓抑、恐懼、憤怒和焦慮的情緒或注意力不集中的現象，同時影響神經系統、內分泌系統和心血管系統，加大高血壓以及心臟病患者的危險系數[1]。

同時，中國是世界上最大的農業生產國，生物質資源極為豐富，據統計，“十二五”期間，中國農業生產產生的剩余生物質資源，包括約7 億t 秸稈、1.42 億 t 農產品廢棄物、2 億t 木材加工剩余物等。如果秸稈全部燃燒，將排放大量二氧化碳和其他含硫、含氮氣體[2]。

基于此種現狀，設計了一種基于聲子晶體結構的降噪發電窗簾，可以降噪發電、節約能源。同時利用廢棄生物質能制備纖維顆粒復合吸聲層，而且減少了碳排放，實現了寬頻段降噪。因此，這款窗簾既符合實際需要，又起到了節能減排的作用。

1 具體結構

1.1 聲子晶體部分

聲子晶體部分采用點缺陷板柱型聲子晶體結構，入射聲壓在點缺陷處得到加強。考慮聲子晶體結構對于高頻噪聲的吸收效果，設置聲壓為2 Pa，對應聲壓級為100 dB，頻率從50～5 000 Hz 的入射噪聲進行仿真，并對于聲波波矢進行參數化掃描。在具體的模型中，設置圓柱結構半徑為6 mm，高度為5 mm，基板厚度為1 mm，壓電材料厚度為2 mm。考慮到聲子晶體結構的周期性，對邊界設置Floquet邊界條件[3]。得到聲子晶體結構的聲子色散譜帶隙在1～2 kHz 與 4～5 kHz 范圍內。

1.2 壓電部分

壓電部分使用聚偏氟乙烯（PVDF，一種高度非反應性熱塑性含氟有機壓電材料，能夠將機械壓力轉化為電能）復合壓電板將聲壓的機械能轉化為電能。由于在聲子晶體點缺陷處有較為明顯的聲壓聚集效果，因此將PVDF 壓電片放置于點缺陷處可以有效實現聲能到電能的轉化利用。

本產品采用有優異壓電效應的β晶型PVDF，在受到壓力而形變時，容易形成較大的極化，具有極強的壓電特性[4]。同時壓電薄膜本身具有柔性，可以較好地與柔性聲子晶體基板相容。

對壓電薄膜效果進行仿真，發現在較高的入射頻率下的理論計算所得壓電部分輸出電壓和功率相符，證明方案可行。

1.3 纖維吸聲層部分

該部分由天然纖維與顆粒材料組成。天然纖維主要采用稻殼纖維，顆粒主要是圓柱形稻殼顆粒。采用Johnson-Champoux-Allard 模型研究復合材料的吸聲特性，利用阻抗管進行實驗研究，驗證了分析方法的有效性[5]。制備時，將顆粒組分和纖維組分隨機混合，兩者的比例固定為50∶50。

仿真發現，厚度為3 mm 的吸聲系數峰值與聲子晶體結構的吸聲效果峰值能較好的形成互補，且厚度適中，故3 mm厚度的纖維復合吸聲層較為理想。

1.4 電路部分

壓電板所得電流為不穩定的交流電，無法直接使用，需要通過四倍壓整流濾波電路，使壓電片產生的含多種高次諧波的交流電轉換成穩定直流電后方可進行儲存和利用。

2 節能減排效益分析

2.1 節能效益分析

在理想的情況下，以入射聲壓為2 Pa 計，本產品的單個PVDF 柔性壓電片理論輸出的最大電壓Umax≈0.55 V，輸出的最大功率為1.4 mW。1 件窗簾可安裝496 個聲子晶體和PVDF 柔性壓電片組成的結構單元，則500 件同規格的窗簾1 年內可以節省的電能：W=365×496×10×500×1.4×10－6=1 267.28 kW·h。根據國家發改委能源研究所推薦值計算，相當于節約火力發電廠燃煤506.912 kg，減少溫室氣體二氧化碳的排放1 263.74 kg[6]。由此可見，本產品對于節能減排起著積極重要的作用。

2.2 減排效益分析

2.2.1 噪聲的吸收

噪聲不僅會對聽力造成損傷，還能誘發多種致癌致命的疾病，也對人們的生活、工作有所干擾。因此，減弱噪聲的污染和減少噪聲的排放成了本產品關注的焦點。

經計算，2 Pa（100 dB）的噪聲在透過產品后，總體的平均聲壓級約為44.6 dB，則產品減少的平均噪聲聲壓為級：100－44.6=55.4 dB，其吸聲的平均效率為55.4%。可以在很大程度減弱出射端的噪聲，減少噪聲污染。

2.2.2 廢棄生物質能源回收對于溫室氣體及有害氣體的減排

在中國的沿海城市，海灘上的垃圾污染日益嚴重，椰子殼等果皮類垃圾成為海灘污染的“禍首”。調查顯示，在廣西的北海銀灘，清潔工人們7 d 便能拾到近500 t 的廢棄椰子殼。對椰殼纖維的焚燒，造成大量的有毒氣體和溫室氣體排放。據統計，每燃燒1 t 廢棄生物質能源平均會產生140 kg 的一氧化碳、1 558 kg 的二氧化碳、0.8 kg 的一氧化氮以及0.32 kg 的二氧化氮等等。

椰殼中的纖維素含量高達53%，椰殼纖維主要由占比為46%~63%的纖維素與31%~36%的木質素構成[7]。經計算，500 t 椰殼經處理后可得到約150 t 椰殼纖維，其密度為1.12 g/cm3。理想情況下可制成厚度為3 mm 的纖維吸聲層面積約為4.46×104m2。每平方米本產品能夠使得11 kg 的椰殼免于被焚燒，500 件標準規格的窗簾能夠減少11×500×1.9×3.6=37 620 kg≈38 t 的廢棄生物質焚燒，減少5.32 t 的一氧化碳排放，減少59.2 t 的二氧化碳排放。可見本產品對于減排方面有著重要且顯著的貢獻。

2.3 經濟效益分析

將加厚多層隔音窗簾、隔音窗、隔音板、隔音阻尼氈、隔音棉以及普通的醫用窗簾同本產品的成本以及各參數進行對比發現，本產品的成本為100 元/m2，相比于目前市場上的加厚多層隔音窗簾（5～7 mm）、隔音窗（3～5 mm）、隔音板（30 mm 左右）、隔音阻尼氈（1～2 mm）、隔音棉（50 mm左右）分別可節省的經濟效益為80～580 元/m2、1 480～2 780 元/m2、240～300 元/m2、90～280 元/m2、80～280 元/m2。相比于市場上的普通窗簾等常見產品，本產品的吸聲效果、隔音程度、輕薄程度以及噪聲的利用率都明顯優于常見產品。因此，本產品具有良好的市場應用與推廣前景。

3 總結與展望

在吸聲降噪部分，采用了聲子晶體、纖維顆粒復合結構實現中高低頻段的噪聲吸收。聲子晶體結構能對中高頻段的噪聲進行吸收，纖維吸音材料層能對低頻噪聲進行吸收，以此得到寬頻段的吸聲結構，有效起到了降噪功能。同時纖維顆粒復合層采用廢棄生物質資源回收利用，減少廢物處理的碳排放量，又可實現環保功能。

在聲電轉換部分，采用多技術聯用實現柔性聲子晶體與壓電結構制備的技術。通過靜電紡絲、3D 打印等材料制造工藝，實現聲子晶體結構和壓電材料的柔性化制備。通過聲壓在聲子晶體點缺陷處得到加強，利用PVDF 將振動機械能轉化為電能，實現對聲能的高效轉化。

綜上，本產品可替代現有的加厚多層隔音窗簾等產品，還可以對小型用電器或公共場合應急照明燈、備用電源等設備進行供電，實現能量的有效利用和可持續發展。因此，該產品技術應用前景廣闊，可適用多種場景。可應用于居民家中、醫院等需要隔音效果好的場景，實現對噪聲的寬頻段吸收。可以設計噪聲能量的收集轉化裝置用于車站、機場等噪聲大的區域，對照明、指示牌、廣告等設備供電。