近日，同濟大學物理科學與工程學院李勇教授團隊、祝捷教授團隊與香港城市大學電氣工程系蔡定平教授團隊合作，在連續譜束縛態局域聲能增強與傳感技術方向取得新進展，相關研究成果以“Self-Powered Frequency-Selective Acoustic Sensor Based on Bound States in the Continuum”為題，發表于《先進科學》（Advanced Science）。研究團隊提出了一種基于Friedrich-Wintgen型連續譜束縛態（BIC）的雙態系統，該系統實現了1849倍的局域聲能密度增強。通過將該聲學系統與壓電薄膜結合，利用連續譜束縛態的高品質因子特性，實現了聲能采集，并開發出具備自供電功能的頻率選擇聲傳感器。

環境聲能因其生態友好與可再生性被視為潛在綠色能源，但由于環境聲能密度普遍較低，常被視為噪聲而未加以利用。為實現聲能利用，通常采用聲學器件增強聲能密度，以實現有效的能量收集與自供電傳感。針對這一技術挑戰，研究團隊設計了一種支持Friedrich-Wintgen型連續譜束縛態（BIC）的雙態系統，并結合壓電薄膜，實現了聲能采集與頻率選擇功能（圖1a）。該系統的核心結構由兩個嵌套腔體構成，其模態特性可通過耦合模理論進行分析（圖1b）。研究團隊通過調節兩個耦合腔的腔深差Δl ，實現了對聲能密度和開路電壓的調控（圖1c-d）。與傳統的共振腔型聲學結構相比，該雙態BIC系統在有效平衡Qrad與Qloss的同時，顯著提高了聲能密度增強因子（圖2）；實驗數據表明，該系統可實現1849倍的局域聲強增強和38.6的高Q因子（圖3）。在130dB的入射聲壓下，集成壓電薄膜的系統可產生350 mV的電壓輸出（圖4）。此外，該集成系統對聲波頻率變化具有高靈敏度，進一步開發出具有自供能聲傳感器，能夠在目標頻率501Hz(±4Hz)激發一個發光二極管（圖5）。

圖1.具有局域聲能增強和聲能采集的BIC支持系統示意圖。（a）左圖為陣列結構，右上為單元結構的前視圖，右下為聲能采集裝置示意圖，E0和Ec分別表示入射聲和腔體底部的聲能密度。（b）雙態系統的基模調制示意圖。（c）通過調制腔深差Δl以增強能量密度的概念圖。（d）通過調制Δl得到輸出開路電壓示意圖。

圖2.通過雙態BIC支持系統解除Qrad和Qloss之間的矛盾。（a）雙態系統示意圖。不考慮本征損耗時，數值計算（b）不同腔深差（Δl）下的聲能密度增強因子Er。（c）不同腔深差（Δl）下的Qrad分布。（d）亥姆霍茲諧振腔示意圖。不考慮本征損耗時，數值計算亥姆霍茲諧振腔的（e）直徑d與Er、（f）直徑d與Qrad之間的關系。雙態系統（g）不同腔深差（Δl）與Er之間的關系；（h）Qrad和Qloss之間的關系；（i）亥姆霍茲諧振器的直徑d與Er曲線圖；（j）Qrad與Qloss的曲線圖。

圖3.聲能增強與完美吸聲。（a）測量腔內聲壓的實驗示意圖。（b）仿真得到的腔內聲壓場分布圖。（c）腔體的聲能增強結果。（d）雙態系統的吸聲結果。

圖4.聲能采集實驗裝置與結果。（a）測量開路電壓的實驗裝置圖。（b）不同聲壓級下開路電壓的實驗結果。（c）雙態系統在諧振頻率處的開路電壓時域波形圖。

圖5.自供電頻率選擇聲傳感器。（a）聲傳感器原理圖。（b）聲傳感器實驗設置圖照片，插圖為電路板圖。（c）電路板上的LED隨聲波頻率變化的實驗圖。

同濟大學為論文第一單位，物理科學與工程學院宋潮博士后與香港城市大學黃思博博士后為論文共同第一作者，蔡定平教授、祝捷教授、李勇教授為論文共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金、上海市科委、香港特別行政區大學教育資助委員會/研究資助局以及小米公益基金會等資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202410379

審核編輯 黃宇