随着对能源问题的愈加重视,能量收集在近些年得到广泛关注,它是一种将环境中的能量转化为电能的技术,例如风能、太阳能、振动能等。其中,声能在环境中无处不在,且不受季节、气候的影响,是一种丰富、可持续、环保的能源,但却常常作为噪声被隔离或吸收,得不到充分利用。声能收集技术可以收集环境中的声能并转化为电能,在噪声处理、微型器件供电等方面有潜在的应用前景。但是,由于空气中声能密度较低、声波波长较长,为声能收集的研究带来了挑战。传统的声能收集器件大多基于亥姆霍兹谐振腔或四分之一波长谐振腔,导致其在收集低频声波时,器件尺寸较大,限制了它的应用。声学超材料的引入打破了这一壁垒,其特殊的物理性质以及出色的声波调控能力,可以改善声能收集器件的性能,使其具有亚波长尺寸和新颖的器件设计。近几年新兴的声学超构表面作为一种二维的声学超材料,具有远小于声波波长的物理厚度,在声波的操纵、吸收等领域都表现出优秀的性能,为新颖声学功能器件的设计提供了丰富的方法。许多基于声学超材料的声能收集研究工作被提出,与传统声能收集器件相比,它们表现出亚波长的尺寸和新颖的机制,但在厚度尺寸、鲁棒性、效率、带宽等方面仍然存在局限性。考虑到环境中更多低频宽带噪声的存在,当前声收集器件仍然需要探索新的机制和结构,进一步向轻薄、高效的方向发展和完善。本文提出了一种基于声超表面的超薄声能收集器件,可以对低频声能实现高效的吸收以及能量转化,为新型超薄声能收集器件的设计提供了新的思路。主要包括以下内容:第一章为绪论,系统地追溯了声学超材料的发展以及声能收集的研究进展,简述了本文的研究背景和研究意义,介绍了声能收集领域的研究成果和存在的局限性,总结了其进一步发展和完善的方向。第二章介绍了声能收集的基本理论,包括声波动理论、集中参数模型、以及能量转化理论。在能量转化模块中分别介绍了常用的压电式和电磁式能量采集系统,绘制了简单类比电路,推导了参数之间的关系,为后续的研究奠定理论基础。第三章研究了一种基于超表面的超薄声能收集单元。在该研究中,我们利用声学超表面降低声波的等效波长,从而将声能局域在狭窄通道内,再通过压电片实现能量转化。我们基于折叠空间的物理思想,提出了类迷宫结构的设计方法,在共振时狭窄通道内的低频声能得到集中。我们建立了理论模型,计算了超表面的声阻抗和吸声系数,并且通过COMSOL数值仿真验证了它的吸声性能。我们通过精准的设计将压电片放置在声场强度极大处,并且优化了压电片的尺寸使之本征频率与声共振频率一致。设计后的超薄声能收集单元厚度仅为声波波长的1/149,单元边长仅为波长的1/11,在2Pa平面声波正入射下442Hz处产生了0.75V电压。同时因其亚波长尺寸的特性,该超薄声能收集单元受入射角度的影响很小,仿真结果证明了它在正入射到大角度斜入射范围内的平面波激励下能产生0.4V-0.6V的电压。第四章研究了一种超薄宽带声能收集超表面器件。我们基于上一章设计的超薄声能收集单元,提出通过单元组合阵列来拓宽工作频带,同时维持其超薄特性,以改善这种声能收集器件的应用潜能。在该研究中,我们利用四个单元排列成混合模式的阵列,其中每个单元的几何参数被单独调节,以使它们具有不同的共振频率。基于第二章介绍的集中参数理论,我们建立了这一阵列的理论模型,并且应用遗传算法优化了四个参数,使超表面的宽带性能最优。确定参数以后,通过数值仿真研究了工作频段内的声场分布。同时我们应用了基于阵列的多模态压电拓频方法,分别设计了各个压电片的尺寸,将它们并联连接。设计后的宽带声能收集超表面相比单个单元,带宽有明显的拓展,仿真结果表明它在428-460Hz频带内能输出5.4μW-11μW的功率。最后,第五章总结了本文的主要结论,提出了对未来工作的展望。