基于聲子晶體實(shí)現(xiàn)聲-電轉(zhuǎn)換的智能降噪窗簾

全飛熊，陳浠慶，李 晨，陳亞柯，尹 源，陳瑞揚(yáng)，閻一諾

（武漢理工大學(xué)理學(xué)院，湖北 武漢 430070）

隨著人們生活水平的日益提高，人們對(duì)于自己的生活質(zhì)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(qū)等。噪聲使人產(chǎn)生壓抑、恐懼、憤怒和焦慮的情緒或注意力不集中的現(xiàn)象，同時(shí)影響神經(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)，中國是世界上最大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)國，生物質(zhì)資源極為豐富，據(jù)統(tǒng)計(jì)，“十二五”期間，中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的剩余生物質(zhì)資源，包括約7 億t 秸稈、1.42 億 t 農(nóng)產(chǎn)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?dú)怏w[2]。

基于此種現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種基于聲子晶體結(jié)構(gòu)的降噪發(fā)電窗簾，可以降噪發(fā)電、節(jié)約能源。同時(shí)利用廢棄生物質(zhì)能制備纖維顆粒復(fù)合吸聲層，而且減少了碳排放，實(shí)現(xiàn)了寬頻段降噪。因此，這款窗簾既符合實(shí)際需要，又起到了節(jié)能減排的作用。

1 具體結(jié)構(gòu)

1.1 聲子晶體部分

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)。考慮聲子晶體結(jié)構(gòu)對(duì)于高頻噪聲的吸收效果，設(shè)置聲壓為2 Pa，對(duì)應(yīng)聲壓級(jí)為100 dB，頻率從50～5 000 Hz 的入射噪聲進(jìn)行仿真，并對(duì)于聲波波矢進(jìn)行參數(shù)化掃描。在具體的模型中，設(shè)置圓柱結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的周期性，對(duì)邊界設(shè)置Floquet邊界條件[3]。得到聲子晶體結(jié)構(gòu)的聲子色散譜帶隙在1～2 kHz 與 4～5 kHz 范圍內(nèi)。

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(yīng)性熱塑性含氟有機(jī)壓電材料，能夠?qū)C(jī)械壓力轉(zhuǎn)化為電能）復(fù)合壓電板將聲壓的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。由于在聲子晶體點(diǎn)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(diǎn)缺陷處可以有效實(shí)現(xiàn)聲能到電能的轉(zhuǎn)化利用。

本產(chǎn)品采用有優(yōu)異壓電效應(yīng)的β晶型PVDF，在受到壓力而形變時(shí)，容易形成較大的極化，具有極強(qiáng)的壓電特性[4]。同時(shí)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(duì)壓電薄膜效果進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)在較高的入射頻率下的理論計(jì)算所得壓電部分輸出電壓和功率相符，證明方案可行。

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(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[5]。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。

仿真發(fā)現(xiàn)，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。

1.4 電路部分

壓電板所得電流為不穩(wěn)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(chǎn)生的含多種高次諧波的交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定直流電后方可進(jìn)行儲(chǔ)存和利用。

2 節(jié)能減排效益分析

2.1 節(jié)能效益分析

在理想的情況下，以入射聲壓為2 Pa 計(jì)，本產(chǎn)品的單個(gè)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(gè)聲子晶體和PVDF 柔性壓電片組成的結(jié)構(gòu)單元，則500 件同規(guī)格的窗簾1 年內(nèi)可以節(jié)省的電能：W=365×496×10×500×1.4×10－6=1 267.28 kW·h。根據(jù)國家發(fā)改委能源研究所推薦值計(jì)算，相當(dāng)于節(jié)約火力發(fā)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(chǎn)品對(duì)于節(jié)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(huì)對(duì)聽力造成損傷，還能誘發(fā)多種致癌致命的疾病，也對(duì)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(chǎn)品關(guān)注的焦點(diǎn)。

經(jīng)計(jì)算，2 Pa（100 dB）的噪聲在透過產(chǎn)品后，總體的平均聲壓級(jí)約為44.6 dB，則產(chǎn)品減少的平均噪聲聲壓為級(jí)：100－44.6=55.4 dB，其吸聲的平均效率為55.4%?？梢栽诤艽蟪潭葴p弱出射端的噪聲，減少噪聲污染。

2.2.2 廢棄生物質(zhì)能源回收對(duì)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(yán)重，椰子殼等果皮類垃圾成為海灘污染的“禍?zhǔn)住?。調(diào)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(duì)椰殼纖維的焚燒，造成大量的有毒氣體和溫室氣體排放。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每燃燒1 t 廢棄生物質(zhì)能源平均會(huì)產(chǎn)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(dá)53%，椰殼纖維主要由占比為46%~63%的纖維素與31%~36%的木質(zhì)素構(gòu)成[7]。經(jīng)計(jì)算，500 t 椰殼經(jīng)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(chǎn)品能夠使得11 kg 的椰殼免于被焚燒，500 件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(zhì)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?？梢姳井a(chǎn)品對(duì)于減排方面有著重要且顯著的貢獻(xiàn)。

2.3 經(jīng)濟(jì)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(yī)用窗簾同本產(chǎn)品的成本以及各參數(shù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本產(chǎn)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(jié)省的經(jīng)濟(jì)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(chǎn)品，本產(chǎn)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(yōu)于常見產(chǎn)品。因此，本產(chǎn)品具有良好的市場應(yīng)用與推廣前景。

3 總結(jié)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(duì)中高頻段的噪聲進(jìn)行吸收，纖維吸音材料層能對(duì)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(duì)聲能的高效轉(zhuǎn)化。

綜上，本產(chǎn)品可替代現(xiàn)有的加厚多層隔音窗簾等產(chǎn)品，還可以對(duì)小型用電器或公共場合應(yīng)急照明燈、備用電源等設(shè)備進(jìn)行供電，實(shí)現(xiàn)能量的有效利用和可持續(xù)發(fā)展。因此，該產(chǎn)品技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，可適用多種場景。可應(yīng)用于居民家中、醫(yī)院等需要隔音效果好的場景，實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲的寬頻段吸收?？梢栽O(shè)計(jì)噪聲能量的收集轉(zhuǎn)化裝置用于車站、機(jī)場等噪聲大的區(qū)域，對(duì)照明、指示牌、廣告等設(shè)備供電。