参考文献：Wang K, Li X S, Cao L, et al. Enhancement of piezoelectric energy harvesting for flexural waves by a metasurface-assisted phononic cavity[J]. Results in Physics, 2024, 63: 107870.
期刊等级：中科院二区
第一作者单位：中国军事科学院国防科技创新研究所
机械波的压电能量收集在低功率电子器件的发电中具有很大的应用潜力。本文提出了利用超表面辅助声子腔增强弹性弯曲波的压电能量收集。利用二维板型超材料，我们构建了一个声子腔，该声子腔具有定位和放大弯曲波的能力。另一方面，基于干涉理论，通过粒子群优化算法反设计了一个稀疏的超表面，以实现弯曲波的聚焦。对于协同波操作，在声子腔前设置稀疏超表面。此外，在声子腔内附加了压电片。采用有限元方法研究了超表面辅助声子腔的波动特性。为了进行比较，还考虑了传统声子腔(即没有超表面的腔)和参考裸板。由于超表面的波前控制能力，更多的弯曲波被引导到声子腔区。因此，与基准板相比，超表面辅助腔和常规腔的功率放大比分别为102和7。在稀疏超表面的辅助下，声子腔的电输出显著增强。
(a)二维板型超材料单元胞示意图。(b)方形晶格的第一不可约布里渊区。(c)二维超材料的能带图，其中整个带隙用灰色表示
(a)从完美的超材料板上去掉中心柱的声子腔超级电池示意图。(b)声子腔带图。(c) (b)所示空腔模态位移场(𝑢)分布。(d)空腔模态频率随矿柱半径的变化
(a)有限尺寸声子腔本征频率计算示意图。(b)空腔模特征频率随柱半径的变化。(c)腔型位移场(𝑢)分布
利用粒子群算法设计稀疏元曲面的流程图
设计的稀疏超表面的响应计算示意图，其中线源设置在超表面前面，用于激发弯曲波
(a)激励频率为4500 Hz时稀疏超表面位移场(|𝑢|)分布。(b)位移场(|𝑢|)沿图6所示紫色(上图)和绿色(下图)虚线的变化曲线。
位移场(𝑢)在不同时间步长的稀疏元表面分布
设计的稀疏超表面在不同激励频率下的位移场(|𝑢
(a) 4500 Hz时超表面辅助空腔与常规空腔位移场(|𝑢|)随𝑥coordinate的变化曲线，其中位移场沿图10所示紫色虚线检测。(b) 4500 Hz时超表面辅助空腔与常规空腔的位移场(|𝑢|)分布
(a)电压输出作为激励频率的函数。其中紫色、绿色、蓝色和橙色线分别表示超表面辅助腔、常规腔、超表面和参考裸板产生的电压输出。(b) (a)中标注的三种能量采集器的位移场(|𝑢|)分布。
电压输出与电阻负载的关系。紫色线和绿色线分别表示有稀疏超表面和没有稀疏超表面的声子腔产生的电压输出。橙色线表示参考裸板产生的电压输出
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