基于声子晶体实现声-电转换的智能降噪窗帘

全飞熊，陈浠庆，李 晨，陈亚柯，尹 源，陈瑞扬，阎一诺

（武汉理工大学理学院，湖北 武汉 430070）

随着人们生活水平的日益提高，人们对于自己的生活质量有了更多的要求。然而，城市的噪声污染问题却一直难以得到合理且有效的解决。噪声污染无处不在：车辆川流不息的路边居民房、昼夜不停工作的工厂、喧闹广场边的住房区等。噪声使人产生压抑、恐惧、愤怒和焦虑的情绪或注意力不集中的现象，同时影响神经系统、内分泌系统和心血管系统，加大高血压以及心脏病患者的危险系数[1]。

同时，中国是世界上最大的农业生产国，生物质资源极为丰富，据统计，“十二五”期间，中国农业生产产生的剩余生物质资源，包括约7 亿t 秸秆、1.42 亿 t 农产品废弃物、2 亿t 木材加工剩余物等。如果秸秆全部燃烧，将排放大量二氧化碳和其他含硫、含氮气体[2]。

基于此种现状，设计了一种基于声子晶体结构的降噪发电窗帘，可以降噪发电、节约能源。同时利用废弃生物质能制备纤维颗粒复合吸声层，而且减少了碳排放，实现了宽频段降噪。因此，这款窗帘既符合实际需要，又起到了节能减排的作用。

1 具体结构

1.1 声子晶体部分

声子晶体部分采用点缺陷板柱型声子晶体结构，入射声压在点缺陷处得到加强。考虑声子晶体结构对于高频噪声的吸收效果，设置声压为2 Pa，对应声压级为100 dB，频率从50～5 000 Hz 的入射噪声进行仿真，并对于声波波矢进行参数化扫描。在具体的模型中，设置圆柱结构半径为6 mm，高度为5 mm，基板厚度为1 mm，压电材料厚度为2 mm。考虑到声子晶体结构的周期性，对边界设置Floquet边界条件[3]。得到声子晶体结构的声子色散谱带隙在1～2 kHz 与 4～5 kHz 范围内。

1.2 压电部分

压电部分使用聚偏氟乙烯（PVDF，一种高度非反应性热塑性含氟有机压电材料，能够将机械压力转化为电能）复合压电板将声压的机械能转化为电能。由于在声子晶体点缺陷处有较为明显的声压聚集效果，因此将PVDF 压电片放置于点缺陷处可以有效实现声能到电能的转化利用。

本产品采用有优异压电效应的β晶型PVDF，在受到压力而形变时，容易形成较大的极化，具有极强的压电特性[4]。同时压电薄膜本身具有柔性，可以较好地与柔性声子晶体基板相容。

对压电薄膜效果进行仿真，发现在较高的入射频率下的理论计算所得压电部分输出电压和功率相符，证明方案可行。

1.3 纤维吸声层部分

该部分由天然纤维与颗粒材料组成。天然纤维主要采用稻壳纤维，颗粒主要是圆柱形稻壳颗粒。采用Johnson-Champoux-Allard 模型研究复合材料的吸声特性，利用阻抗管进行实验研究，验证了分析方法的有效性[5]。制备时，将颗粒组分和纤维组分随机混合，两者的比例固定为50∶50。

仿真发现，厚度为3 mm 的吸声系数峰值与声子晶体结构的吸声效果峰值能较好的形成互补，且厚度适中，故3 mm厚度的纤维复合吸声层较为理想。

1.4 电路部分

压电板所得电流为不稳定的交流电，无法直接使用，需要通过四倍压整流滤波电路，使压电片产生的含多种高次谐波的交流电转换成稳定直流电后方可进行储存和利用。

2 节能减排效益分析

2.1 节能效益分析

在理想的情况下，以入射声压为2 Pa 计，本产品的单个PVDF 柔性压电片理论输出的最大电压Umax≈0.55 V，输出的最大功率为1.4 mW。1 件窗帘可安装496 个声子晶体和PVDF 柔性压电片组成的结构单元，则500 件同规格的窗帘1 年内可以节省的电能：W=365×496×10×500×1.4×10－6=1 267.28 kW·h。根据国家发改委能源研究所推荐值计算，相当于节约火力发电厂燃煤506.912 kg，减少温室气体二氧化碳的排放1 263.74 kg[6]。由此可见，本产品对于节能减排起着积极重要的作用。

2.2 减排效益分析

2.2.1 噪声的吸收

噪声不仅会对听力造成损伤，还能诱发多种致癌致命的疾病，也对人们的生活、工作有所干扰。因此，减弱噪声的污染和减少噪声的排放成了本产品关注的焦点。

经计算，2 Pa（100 dB）的噪声在透过产品后，总体的平均声压级约为44.6 dB，则产品减少的平均噪声声压为级：100－44.6=55.4 dB，其吸声的平均效率为55.4%。可以在很大程度减弱出射端的噪声，减少噪声污染。

2.2.2 废弃生物质能源回收对于温室气体及有害气体的减排

在中国的沿海城市，海滩上的垃圾污染日益严重，椰子壳等果皮类垃圾成为海滩污染的“祸首”。调查显示，在广西的北海银滩，清洁工人们7 d 便能拾到近500 t 的废弃椰子壳。对椰壳纤维的焚烧，造成大量的有毒气体和温室气体排放。据统计，每燃烧1 t 废弃生物质能源平均会产生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。

椰壳中的纤维素含量高达53%，椰壳纤维主要由占比为46%~63%的纤维素与31%~36%的木质素构成[7]。经计算，500 t 椰壳经处理后可得到约150 t 椰壳纤维，其密度为1.12 g/cm3。理想情况下可制成厚度为3 mm 的纤维吸声层面积约为4.46×104m2。每平方米本产品能够使得11 kg 的椰壳免于被焚烧，500 件标准规格的窗帘能够减少11×500×1.9×3.6=37 620 kg≈38 t 的废弃生物质焚烧，减少5.32 t 的一氧化碳排放，减少59.2 t 的二氧化碳排放。可见本产品对于减排方面有着重要且显著的贡献。

2.3 经济效益分析

将加厚多层隔音窗帘、隔音窗、隔音板、隔音阻尼毡、隔音棉以及普通的医用窗帘同本产品的成本以及各参数进行对比发现，本产品的成本为100 元/m2，相比于目前市场上的加厚多层隔音窗帘（5～7 mm）、隔音窗（3～5 mm）、隔音板（30 mm 左右）、隔音阻尼毡（1～2 mm）、隔音棉（50 mm左右）分别可节省的经济效益为80～580 元/m2、1 480～2 780 元/m2、240～300 元/m2、90～280 元/m2、80～280 元/m2。相比于市场上的普通窗帘等常见产品，本产品的吸声效果、隔音程度、轻薄程度以及噪声的利用率都明显优于常见产品。因此，本产品具有良好的市场应用与推广前景。

3 总结与展望

在吸声降噪部分，采用了声子晶体、纤维颗粒复合结构实现中高低频段的噪声吸收。声子晶体结构能对中高频段的噪声进行吸收，纤维吸音材料层能对低频噪声进行吸收，以此得到宽频段的吸声结构，有效起到了降噪功能。同时纤维颗粒复合层采用废弃生物质资源回收利用，减少废物处理的碳排放量，又可实现环保功能。

在声电转换部分，采用多技术联用实现柔性声子晶体与压电结构制备的技术。通过静电纺丝、3D 打印等材料制造工艺，实现声子晶体结构和压电材料的柔性化制备。通过声压在声子晶体点缺陷处得到加强，利用PVDF 将振动机械能转化为电能，实现对声能的高效转化。

综上，本产品可替代现有的加厚多层隔音窗帘等产品，还可以对小型用电器或公共场合应急照明灯、备用电源等设备进行供电，实现能量的有效利用和可持续发展。因此，该产品技术应用前景广阔，可适用多种场景。可应用于居民家中、医院等需要隔音效果好的场景，实现对噪声的宽频段吸收。可以设计噪声能量的收集转化装置用于车站、机场等噪声大的区域，对照明、指示牌、广告等设备供电。