全飛熊 陳浠慶 李 晨 陳亞柯 尹 源 陳瑞揚(yáng) 閻一諾 羅 雯

(武漢理工大學(xué)理學(xué)院 武漢 430070)

0 引言

噪聲對于人的生理和心理均能夠產(chǎn)生不良影響。對心理的影響為可能使人產(chǎn)生壓抑、恐懼、憤怒和焦慮等情緒或?qū)е伦⒁饬Σ患校粚ι淼挠绊懮婕暗缴窠?jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)，加大高血壓以及心臟病患者的危險(xiǎn)系數(shù)[1]。同時(shí)過大的干擾側(cè)噪聲級會(huì)導(dǎo)致單耳對語言的可懂度下降[2]。相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究表明，受試者在95～110 dB、每天8 h強(qiáng)噪聲下，在接受實(shí)驗(yàn)30 多天后，聽力下降最多可達(dá)25～35 dB[3]，說明長期處于噪聲環(huán)境對人的聽力會(huì)產(chǎn)生損害。同時(shí)根據(jù)已有研究，農(nóng)村生活能源的57%來自于秸稈等廢棄生物質(zhì)的直接燃燒，但直接燃燒供熱效率低于10%，同時(shí)排放大量污染物，造成環(huán)境污染。每燃燒1 t 秸稈(含碳量按50%計(jì))將排放1.8 t CO2和其他含硫、含氮?dú)怏w，給環(huán)境治理帶來巨大成本[4]。

聲學(xué)超材料因其具有可控反射、透射和非凡吸收的新功能和現(xiàn)象，為聲波操縱提供了一條新途徑，從而引起了聲學(xué)物理相關(guān)領(lǐng)域研究者的大量關(guān)注[5?6]。其中，二維聲子晶體是彈性常數(shù)及密度周期分布的材料或結(jié)構(gòu)，將彈性拓?fù)洳牧线M(jìn)行微型化、集成化、乃至可(電)調(diào)制化，極大地提升了人們對彈性波的操控能力，可以利用它們實(shí)現(xiàn)構(gòu)筑于二維材料的彈性波導(dǎo)、分束器、諧振器、帶通/帶阻濾波器等[7]，并且可以通過附著結(jié)構(gòu)化的壓電材料，將彈性波的能量轉(zhuǎn)化為電能[8]，因此具有很高的研究價(jià)值和應(yīng)用前景。基于此種現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一種基于點(diǎn)缺陷板柱型聲子晶體結(jié)構(gòu)的降噪發(fā)電結(jié)構(gòu)，一方面減輕了噪聲的危害，另一方面產(chǎn)生電能并儲存起來，起到節(jié)約能源的作用。同時(shí)，利用廢棄生物質(zhì)材料制備纖維-顆粒復(fù)合吸聲層，不僅可以對低頻到高頻噪聲進(jìn)行有效吸收，而且減少了生物質(zhì)材料處理的碳排放。

本文主要研究了一種聲子晶體-壓電材料-纖維層復(fù)合結(jié)構(gòu)的理論依據(jù)和設(shè)計(jì)構(gòu)造方案。通過有限元和邊界元的方法，借助物理場仿真軟件對聲場在該結(jié)構(gòu)中的運(yùn)行情況進(jìn)行仿真模擬，評估該結(jié)構(gòu)的降噪發(fā)電效果。

與傳統(tǒng)降噪結(jié)構(gòu)相比，這里采用了復(fù)合結(jié)構(gòu)：聲子晶體結(jié)構(gòu)能對中高頻段的噪聲進(jìn)行吸收，纖維吸聲材料層能對低頻噪聲進(jìn)行吸收，因此得到了寬頻段的吸聲結(jié)構(gòu)。相較而言，傳統(tǒng)降噪結(jié)構(gòu)的吸聲頻段較窄。同時(shí)多技術(shù)聯(lián)用，通過靜電紡絲、3D 打印等材料制造工藝，實(shí)現(xiàn)聲子晶體結(jié)構(gòu)和壓電材料的柔性化制備。并將聲能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)了降噪-發(fā)電雙重功能?？梢娺@種結(jié)構(gòu)在日常生活中具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 理論研究

1.1 聲子晶體帶隙理論計(jì)算

聲子晶體結(jié)構(gòu)具有周期性勢場，滿足Bloch 定理。因此，可以以聲子晶體單胞的能帶結(jié)構(gòu)替代整體的能帶結(jié)構(gòu)。在線彈性、各向異性且非勻質(zhì)的材料中，彈性波的基本方程為[9]

式(1)中，C表示彈性張量，r是位置矢量，w為位移矢量，ρ為質(zhì)量密度張量，t代表時(shí)間。

由于式(1)中的兩個(gè)Lamé 常數(shù)均為空間坐標(biāo)的函數(shù)，則

其中，λ和μ為材料的Lamé 常數(shù)，進(jìn)而波動(dòng)方程可寫成：

若頻率為ω的波在各項(xiàng)同性非均勻介質(zhì)中傳播，則位移場表示為

由式(4)可知：

在二維情況下，非均勻介質(zhì)中的彈性波根據(jù)種類的不同，其波動(dòng)方程可認(rèn)為有平面混合模態(tài)和反平面剪切模態(tài)兩種模態(tài)。式(6)為平面混合模態(tài)的波動(dòng)方程：

在反平面剪切模態(tài)的情況下，波動(dòng)方程可寫為

式(6)～(7)中：?T=(?x,?y),wT=(ux,uy)。

在利用有限元方法求解特征值時(shí)，通過對其中一個(gè)單胞的網(wǎng)格剖分和計(jì)算，可以得到整個(gè)聲子晶體結(jié)構(gòu)的波動(dòng)方程。根據(jù)吳萬鵬等[9]的研究，晶體單胞的波場方程可表示為

其中，φ=ux,uy,uz,,k為波矢量。φk(r)是周期性函數(shù)。ui(i=x,y,z)表示在x、y、z方向上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移。

根據(jù)方程(8)，聲子晶體單胞的連續(xù)性邊界條件為

其中，a表示晶體的晶格常數(shù)。在波矢k己知的情況下，此時(shí)的特征頻率可由單胞特征方程和連續(xù)性邊界條件計(jì)算得出。本征模態(tài)可以由特征頻率代回特征方程之中得到。用k掃掠與之相對應(yīng)結(jié)構(gòu)的不可約布里淵區(qū)(Irreducible Brillouin zone, IBZ)，可以得到聲子晶體的能帶結(jié)構(gòu)。

以入射聲壓為2 Pa進(jìn)行計(jì)算，聲子晶體結(jié)構(gòu)帶隙頻率為1156.5 Hz、4585.1 Hz，能夠?qū)χ懈哳l噪聲有較好的吸收效果，證明利用聲子晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行中高頻噪聲吸收的方法可行。

1.2 聚偏氟乙烯(PVDF)壓電片電壓與功率理論計(jì)算

在理想情況下，PVDF 柔性壓電薄膜輸出的電壓和電流可分別由式(14)、式(15)計(jì)算[10]：

其中：d為壓電常數(shù)，根據(jù)材料不同取值，這里設(shè)定為20 pC/N；tp是PVDF 薄膜的厚度，取值0.15 mm；Y是薄膜的彈性模量，取2×103MPa；K是壓電耦合系數(shù)，為0.12；ε為介電常數(shù)，取7.3；A是壓電片的面積；f是PVDF 壓電片的周期性應(yīng)變頻率；S表示與壓電片受力有關(guān)的應(yīng)變。

以入射聲壓2 Pa 代入計(jì)算，本結(jié)構(gòu)中單個(gè)PVDF柔性壓電片輸出的最大電壓Umax≈0.55 V，輸出的最大功率為1.4 mW，證明本結(jié)構(gòu)可以將入射噪聲的能量轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行儲存和利用。

2 設(shè)計(jì)方案

裝置主體結(jié)構(gòu)包括聲子晶體部分、吸聲纖維層部分、壓電部分、電池電路部分，如圖1所示。

圖1 裝置主體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Assemble sketch map of main structure of the device

聲子晶體部分采用點(diǎn)缺陷板柱型聲子晶體結(jié)構(gòu)，入射聲壓在點(diǎn)缺陷處得到加強(qiáng)；壓電部分使用PVDF 復(fù)合壓電板將聲壓的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)過整流后儲存于電池中；電池是以高結(jié)晶度、異質(zhì)結(jié)構(gòu)雙金屬酞菁(FePc/CoPc HS)為陰極催化劑、聚乙烯醇(PVA)堿性凝膠為固態(tài)電解質(zhì)、鋅片為陽極，組裝成的紐扣式全固態(tài)鋅空氣電池；纖維顆粒復(fù)合吸聲層采用椰殼纖維，并將圓柱形稻殼顆粒作為填料，在其充分混合后使用黏合劑將其進(jìn)行復(fù)合。

本結(jié)構(gòu)由表面織物層、聲子晶體結(jié)構(gòu)層、纖維吸聲層等面積組合成吸聲結(jié)構(gòu)體系，并有壓電部分和電池電路部分實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化和可逆儲存體系，如圖2 所示。內(nèi)部的電路采用柔性電路，保證了產(chǎn)品的柔性，并利用夾層結(jié)構(gòu)對內(nèi)部電路進(jìn)行很好的保護(hù)，減少其磨損。

圖2 擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案Fig.2 Design system schematic diagram

2.1 聲子晶體結(jié)構(gòu)部分

利用仿真軟件對聲子晶體結(jié)構(gòu)對于聲壓的增強(qiáng)效果進(jìn)行仿真，如圖3 所示。在聲子晶體結(jié)構(gòu)點(diǎn)缺陷處有著明顯的聲壓增強(qiáng)，所以可以將PVDF 發(fā)電模塊放置在聲子晶體結(jié)構(gòu)點(diǎn)缺陷處。

圖3 聲壓等值面Fig.3 Isosurface of sound pressure

進(jìn)一步考慮聲子晶體結(jié)構(gòu)對于高頻噪聲的吸收效果，設(shè)置聲壓為2 Pa、頻率從50～5000 Hz 的入射噪聲進(jìn)行仿真，得到了聲子晶體結(jié)構(gòu)對于不同頻率噪聲的吸收曲線圖，并通過對聲波波矢的參數(shù)化掃描，得到聲子晶體結(jié)構(gòu)的帶隙在1～2 kHz 與4～5 kHz，并對其他高頻段噪聲也有不錯(cuò)的吸收效果，如圖4(a)所示，應(yīng)力分布如圖4(b)所示。本結(jié)構(gòu)使用3D 打印技術(shù)可以便捷地實(shí)現(xiàn)聲子晶體結(jié)構(gòu)柔性基板和短柱結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，并通過柔性基板對內(nèi)部電路進(jìn)行保護(hù)作用。

圖4 聲子晶體結(jié)構(gòu)仿真Fig.4 Simulation of the phonon crystal structure

2.2 壓電部分

根據(jù)聲子晶體結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果，在點(diǎn)缺陷處有較為明顯的聲壓聚集效果，將PVDF 壓電片放置于點(diǎn)缺陷處可以有效實(shí)現(xiàn)聲能到電能的轉(zhuǎn)化利用。由于PVDF 的極化薄膜壓電系數(shù)大約為6～7 pC·N?1，幾乎10 倍于其他聚合物中觀察到的壓電系數(shù)[11]，本結(jié)構(gòu)采用有優(yōu)異壓電效應(yīng)的β晶型PVDF，此種晶型的PVDF 因形變形成的極化強(qiáng)度較大，具有極強(qiáng)的壓電特性。薄膜狀的結(jié)構(gòu)使得其本身具有柔性，同時(shí)，柔性基板的批量制備可以通過3D 打印技術(shù)便捷的實(shí)現(xiàn)，將柔性基板結(jié)合在壓電膜的上下表面，保護(hù)了PVDF 薄膜，也保證壓電結(jié)構(gòu)具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，有利于維持形變的穩(wěn)定性，如圖5(a)所示。

利用靜電紡絲技術(shù)制備PVDF 壓電薄膜，并將其裁剪成聲子晶體結(jié)構(gòu)點(diǎn)缺陷大??；將液態(tài)聚二甲基硅氧烷(PDMS)與固化劑按10 : 1 比例混勻，抽真空后均勻涂抹在玻璃片上，然后將其放置于BHW-05A型恒溫加熱板上，以40?C加熱3 h，即可制備固態(tài)的柔性PDMS 基底[12]；在PVDF 壓電薄膜的上下面涂抹高濃度的導(dǎo)電銀漿，并采用鋁銀合金電極。在電極表面會(huì)形成一層自然生成的Al2O3薄膜，提升電路的開路電壓，并有效抑制銀原子的擴(kuò)散和水汽的侵蝕，增強(qiáng)了PVDF電壓輸出的穩(wěn)定性。

待PDMS基底和電極均固化后，使用黏合劑將PDMS 基底粘接到處理后的PVDF 壓電薄膜的下表面。然后在PVDF壓電薄膜的上表面涂抹環(huán)氧膠水，加固PVDF 壓電薄膜與PDMS 基底的粘連，并防止壓電薄膜受到外力損壞與磨損[13]，如圖5(b)所示。

圖5 壓電部分示意圖Fig.5 Assemble sketch map of the piezoelectric part

2.3 電池電路部分

由于入射噪聲聲壓、方向性等對壓電板的作用效果不同，得到的電流為交流電，且電流強(qiáng)度隨時(shí)間呈現(xiàn)無規(guī)則變化，無法直接供給負(fù)載使用，需要通過全波整流電路和低功耗三端穩(wěn)壓芯片HT7133，使壓電片產(chǎn)生的含多種高次諧波的交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定直流電，并通過接地端的電容保護(hù)電路，減小外界條件干擾，如圖6(a)所示。4個(gè)二極管構(gòu)成的整流電路的輸出端與穩(wěn)壓芯片串聯(lián)，三端穩(wěn)壓芯片的輸出端連接鋅-空氣電池，如圖6(b)所示。

圖6 電池電路圖Fig.6 Circuit diagram of the battery part

2.4 纖維吸聲層部分

纖維吸聲層由天然纖維與顆粒材料復(fù)合而成，該復(fù)合材料的纖維部分采用椰殼等植物纖維，顆粒部分采用圓柱形稻殼顆粒。采用Johnson-Champoux-Allard 模型研究復(fù)合材料的吸聲特性，利用阻抗管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了分析方法的有效性[14]。制備時(shí)，將顆粒組分和纖維組分隨機(jī)混合，兩者的比例固定為50:50，利用黏合劑進(jìn)行黏合，這樣可以使得復(fù)合材料內(nèi)部的小孔隙被黏合劑填充，導(dǎo)致顆粒之間形成橋梁，從而放大表面積，降低整體孔隙度，增加材料的彎曲度和流阻率。纖維吸聲層吸聲系數(shù)如圖7 所示，可知在低頻時(shí)有較好的吸聲效果。

圖7 纖維-顆粒復(fù)合層吸聲曲線Fig.7 Sound absorption curve of fiber-granule composite layer

3 仿真分析

3.1 聲子晶體帶隙與噪聲吸收效率仿真測試

在仿真軟件中建立聲子晶體結(jié)構(gòu)模型，圓柱結(jié)構(gòu)半徑為r= 6 mm，高度為h= 5 mm，基板厚度為t1= 1 mm，壓電材料厚度為t2= 2 mm，如圖8(a)所示。對聲子晶體結(jié)構(gòu)采用壓力聲學(xué)部分的頻域分析，設(shè)置噪聲從z軸正方向傳來，傳播介質(zhì)設(shè)置為空氣?？紤]到聲子晶體結(jié)構(gòu)的周期性，對邊界設(shè)置Floquet 邊界條件[8]。對波矢進(jìn)行參數(shù)化掃描，將結(jié)果以點(diǎn)圖的形式進(jìn)行繪制，得到聲子晶體結(jié)構(gòu)的色散譜如圖8(b)所示，可以看到在1.1 kHz 及4～5 kHz 都有明顯的禁帶結(jié)構(gòu)，與理論計(jì)算結(jié)果基本相符。

圖8 聲子晶體幾何與帶隙結(jié)構(gòu)Fig.8 Geometry and band gap structure of the phonon crystal

在吸聲效率方面，整個(gè)空間的聲壓級如圖9(a)所示。對施加平面波輻射的兩個(gè)邊界進(jìn)行積分。入射聲壓為2 Pa，以此為基準(zhǔn)聲壓計(jì)算出射噪聲的聲壓級，得到的出射端聲壓級曲線如圖9(b)所示。分析仿真結(jié)果，在1～2 kHz 與4～5 kHz 對噪聲有較好的吸收效果，與帶隙結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果基本相符。

圖9 吸聲效率仿真Fig.9 Simulation of sound absorption efficiency

3.2 壓電元件輸出電壓與所受壓力關(guān)系仿真測試

在仿真中添加固體力學(xué)和靜電板塊，設(shè)置壓電材料為PVDF，幾何模型如圖10(a)所示。本構(gòu)關(guān)系為應(yīng)力-電荷型本構(gòu)，彈性矩陣、耦合矩陣來自于軟件內(nèi)置矩陣，密度為1.77 g/cm3，彈性模量為2000 MPa，相對介電常數(shù)1704.4。對壓電部分設(shè)置電荷守恒條件，并分別將上下表面設(shè)置接地和終端邊界條件，在多物理場部分設(shè)置壓電效應(yīng)耦合后可得出在不同的特征頻率下，整體的振型如表1 所示，應(yīng)力分布如表2 所示。掃描入射聲場的頻率以獲得PVDF 上的最大輸出電勢，輸出電勢隨頻率的變化如圖10(b)所示。

表1 振型分布Table 1 Distribution of mode of vibration

表2 應(yīng)力分布Table 2 Stress distribution

在頻率為1.2 kHz時(shí)，輸出的電壓達(dá)到了0.5 V，PVDF 的體積電阻率取1013 ?·cm，壓電部分電阻為44.78 ?，得到在外接負(fù)載為45 ? 時(shí)，輸出功率達(dá)到最大值1395.6 μW，輸出功率密度達(dá)到308.49 μW/cm3。壓電部分的輸出電壓幅度(黑色實(shí)線)和功率(紅色虛線)與負(fù)載電阻R的關(guān)系如圖10(c)所示，與理論計(jì)算所得壓電部分輸出電壓和功率相符，證明方案可行。

圖10 壓電元件仿真測試Fig.10 Simulation test of the piezoelectric element

3.3 纖維吸聲層噪聲吸收效率仿真測試

在聲場中添加纖維吸聲層模型，并設(shè)置多孔聲學(xué)條件，如圖11(a)所示。入射聲壓場設(shè)置為2 Pa，假定顆粒成分和纖維成分隨機(jī)混合，將兩者的比例固定在50 : 50，仿真不同厚度的復(fù)合結(jié)構(gòu)對聲音的吸收效果。在不同厚度下，纖維顆粒復(fù)合吸聲層的參數(shù)如表3 所示。由圖11(b)可見，由于纖維、顆粒的復(fù)合結(jié)構(gòu)，使得纖維吸聲層在低頻區(qū)域顯示出較好的吸聲效果。其中，厚度為3 mm的吸聲系數(shù)峰值與聲子晶體結(jié)構(gòu)的吸聲效果峰值能較好的形成互補(bǔ)，且厚度適中，故3 mm厚度的纖維復(fù)合吸聲層較為理想。

圖11 纖維顆粒復(fù)合吸聲層仿真Fig.11 Simulation of fiber-granule composite sound absorption layer

表3 纖維顆粒復(fù)合吸聲層參數(shù)Table 3 Parameters of fiber-granule composite sound absorption layer

3.4 裝置整體效果仿真測試

將纖維吸聲層模型加入聲子晶體結(jié)構(gòu)模型中，對纖維吸聲層設(shè)置多孔吸聲材料條件，對應(yīng)多空基體流阻率為4042。對整體施加沿z 軸方向的平面波輻射，并添加固體力學(xué)壓電板塊，設(shè)置壓電區(qū)域電荷守恒以及接地、終端條件。進(jìn)行仿真后，得到整體模態(tài)圖如圖12(a)所示，整體的相對聲壓級曲線和壓電部分輸出電壓曲線如圖12(b)所示。

圖12 整體效果仿真Fig.12 Simulation of overall effect

由仿真結(jié)果可知，當(dāng)聲子晶體結(jié)構(gòu)與纖維吸聲層結(jié)合后，從低頻噪聲至中高頻噪聲均有較好的吸收效果，且壓電部分輸出電壓和功率與單獨(dú)仿真時(shí)大致相當(dāng)，證明聲子晶體與纖維吸聲層復(fù)合結(jié)構(gòu)確實(shí)擴(kuò)展了該結(jié)構(gòu)的吸聲頻度，且對聲能轉(zhuǎn)化為電能的效率未產(chǎn)生負(fù)面影響。

進(jìn)一步深入分析，聲子晶體結(jié)構(gòu)中短柱的半徑、高度以及散射體的形狀[15?16]等均會(huì)對其帶隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。纖維層的流阻率、熱特征長度[17]等參數(shù)也受其厚度、黏合劑的添加量[14]、纖維和顆粒的尺寸[18?20]以及兩種成分比例[21?22]的影響。在本模型中，聲子晶體柱體的半徑和高度影響柱體之間的距離，局域共振模之間的相互作用經(jīng)表面耦合后也隨之改變，從而導(dǎo)致局域共振帶隙變寬或變窄[23]。同時(shí)，柱體附著于基底的面積的變化導(dǎo)致了其共振頻率的改變。纖維層的厚度、纖維和顆粒的尺寸也會(huì)影響產(chǎn)品的整體吸聲效果。兩者的吸聲效果在其界面處進(jìn)行耦合，可通過實(shí)驗(yàn)尋找其耦合效果的最優(yōu)值。超薄吸聲材料的界面復(fù)合效應(yīng)及其力學(xué)性能也是本設(shè)計(jì)后續(xù)的研究重點(diǎn)。

3.5 分析與討論

對該結(jié)構(gòu)的各個(gè)部分以及整體效果進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果顯示在輸入聲壓為2 Pa 時(shí)，聲子晶體結(jié)構(gòu)帶隙1.1 kHz 處，壓電片有最高的輸出電壓0.5 V，輸出功率密度達(dá)到308.49 μW/cm3。纖維顆粒復(fù)合層對于低頻噪聲有較好的吸收效果，吸聲系數(shù)達(dá)到0.6。整體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了從低頻到中高頻噪聲的吸收，并將聲能轉(zhuǎn)化為電能可供儲存和利用。值得指出的是，在纖維層內(nèi)部有很多互相連通的細(xì)微空隙，形成的空氣通道可等效為固體框架間的毛細(xì)管道結(jié)構(gòu)。當(dāng)噪聲入射纖維層時(shí)，孔隙壁附件的空氣薄層由于黏滯效應(yīng)與孔隙壁發(fā)生摩擦，使聲波的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能而被吸收[24]。同時(shí)，PVDF 壓電膜面積隨著溫度的上升會(huì)有小幅度縮減。壓電常數(shù)d33在溫度達(dá)到40?C 后開始減少，超過70?C后減少超過10%。膜電容同樣在溫度升高至接近50?C時(shí)開始減小[25]。這些變化會(huì)降低PVDF薄膜的壓電轉(zhuǎn)化效率。但由于日常生活噪聲中的低頻成分能量較小，纖維層吸收后溫度變化可忽略不計(jì)，故對于壓電薄膜的性能不造成影響。

對于同類工作的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真方法和最大聲傳輸損失比較如表4 所示。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，本文在同類工作中隔聲效果較好，且最大隔聲的發(fā)生頻率更符合生活噪聲的條件，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

表4 同類工作設(shè)計(jì)與結(jié)果對比Table 4 Comparisons of similar work designs and results

4 結(jié)論與展望

在吸聲降噪部分，采用了聲子晶體、纖維顆粒復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)中高低頻段的噪聲吸收。聲子晶體結(jié)構(gòu)能對中高頻段的噪聲進(jìn)行吸收，纖維吸聲材料層例能對低頻噪聲進(jìn)行吸收，以此得到寬頻段的吸聲結(jié)構(gòu)，有效起到了降噪功能。同時(shí)纖維顆粒復(fù)合層采用廢棄生物質(zhì)資源回收利用，減少廢物處理的碳排放量，又可實(shí)現(xiàn)環(huán)保功能。

在聲電轉(zhuǎn)換部分，采用多技術(shù)聯(lián)用實(shí)現(xiàn)柔性聲子晶體與壓電結(jié)構(gòu)制備的技術(shù)。通過靜電紡絲、3D打印等材料制造工藝，實(shí)現(xiàn)聲子晶體結(jié)構(gòu)和壓電材料的柔性化制備。通過聲壓在聲子晶體點(diǎn)缺陷處得到加強(qiáng)，利用PVDF 將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)對聲能的高效轉(zhuǎn)化。產(chǎn)生的電能可以進(jìn)行收集、儲存后由端口輸出供給小型用電器、醫(yī)院及居民區(qū)等場所的備用電源進(jìn)行充電加以利用。