CN104836473B - 采集声音能量的发电机和声音传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供能够采集声音能量的发电机，将Helmholtz声共振腔和摩擦电纳米发电部件结合，薄膜结构的摩擦电纳米发电部件设置在Helmholtz共振腔的外壁或者开口位置，声音经过声共振腔使所述摩擦电纳米发电部件的电极层与摩擦层在声压的驱动下互相接触和分离，在两个电极层上产生电能。这种发电机无需额外设置振动膜，减少不必要的声能损失，能够高效的将声音能量转换为电能。利用这种发电机可以作为声音传感器，无需为传感器提供电源，是一种自驱动无源声传感器。

Description

采集声音能量的发电机和声音传感器

技术领域

本发明涉及一种发电机，特别涉及一种采集声音能量的发电机，以及应用该发电机的声音传感器。

背景技术

声传感器是将声音信号转换为电信号的能量转换器件，目前主要包括：电动式（动圈式、铝带式），电容麦克风式（直流极化式）、压电式（晶体式、陶瓷式）、以及电磁式、碳粒式、半导体式等。目前广泛应用的驻极式/电容式传感器具有频率范围宽、灵敏度高、失真小等特点，但仍然必须依靠直流电源才能进行阻抗变换，即需要外部电源才能保证其优良性能。现有的其他声传感器同样都需要外部电源的驱动来工作。为了解决声传感器的供电问题，现有技术是在外部另外提供电源来为声传感器供电，不仅使传感器的使用不方便，而且应用范围受到限制。

发明内容

本发明提供一种能够高效收集声音能量的发电机，可以将环境中普遍存在的声音能量进行收集并转化为电能。

本发明提供一种收集声音能量的发电机，包括Helmholtz共振腔和摩擦电纳米发电部件，其中，所述摩擦电纳米发电部件设置在Helmholtz共振腔的外壁或者开口位置，声音经过Helmholtz共振腔使所述的摩擦电纳米发电部件在声音的作用下产生电能。

优选的，所述摩擦电纳米发电部件包括第一电极层、第二电极层以及摩擦层，其中，

所述第一电极层的内表面与摩擦层的上表面面对面设置，所述第一电极层与摩擦层之间设置间距为d的间隙；

所述摩擦层的下表面接触设置第二电极层；

当所述声音经过所述Helmholtz共振腔的开口，在声压驱动下所述第一电极层的内表面与所述摩擦层的上表面能够互相接触和分离的相对运动，在所述第一电极层与第二电极层之间形成电势差。

优选的，所述第一电极层为弹性材料和/或第二电极层与摩擦层形成的整体为弹性；

或者，所述第一电极层与所述摩擦层之间具有弹性机构。

优选的，所述摩擦电纳米发电部件设置在所述Helmholtz共振腔的外壁，所述第一电极层的外表面为所述Helmholtz共振腔外壁的部分内表面，所述第二电极层为所述Helmholtz共振腔外壁的部分外表面；

或者，所述第一电极层的外表面为所述Helmholtz共振腔外壁的部分外表面，所述第二电极层为所述Helmholtz共振腔外壁的部分内表面。

优选的，包括一个所述摩擦电纳米发电部件。

优选的，所述摩擦电纳米发电部件设置在所述Helmholtz共振腔的开口面对的外壁上。

优选的，包括两个所述摩擦电纳米发电部件。

优选的，所述摩擦电纳米发电部件设置在所述Helmholtz共振腔的开口的两侧的外壁上，并且面对面设置。

优选的，所述摩擦电纳米发电部件设置在所述Helmholtz共振腔的开口处，所述第一电极层、摩擦层和第二电极层均只有一端固定在所述开口处的外壁上，均具有与固定端对应的自由端；

所述第一电极层远离所述Helmholtz共振腔的空腔；所述第一电极层为弹性材料，摩擦层与第二电极层为非弹性材料。

优选的，所述第一电极层的自由端设置质量块。

优选的，所述第一电极层内表面和所述摩擦层上表面的材料具有摩擦电极序差异。

优选的，所述摩擦层材料为下列聚合物绝缘材料中的一种或几种：聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚四氟乙烯。

优选的，所述第一电极层和第二电极层的材料为金属材料、金属合金材料、导电氧化物或者导电有机物。

优选的，所述第一电极层与摩擦层之间设置间隙的间距范围为0.1mm-0.8mm。

优选的，所述摩擦层的厚度范围为100nm-3mm。

优选的，所述第一电极层和/或第二电极层的厚度范围为10nm-3mm。

优选的，所述第一电极层的内表面设置有接触层，声压的驱动使所述接触层与摩擦层之间能够互相接触和分离。

优选的，在所述摩擦层的上表面、所述第一电极层的内表面和/或所述接触层的下表面全部或部分分布有纳米、微米或次微米量级的微结构。

相应的，本发明还提供一种声音传感器，包括上述任一项所述的发电机。

优选的，由上述发电机形成传感器阵列，其中，多个所述发电机具有不同尺寸的Helmholtz共振腔和摩擦电纳米发电部件。

与现有技术相比，本发明的采集声音能量的发电机具有下列优点：

本发明的发电机中，将Helmholtz共振腔与摩擦电纳米发电部件结合，Helmholtz共振腔的中空腔体具有汇聚声能的作用，并且将声音能量传递至摩擦电纳米发电部件的弹性膜结构，在第一电极层与摩擦层的接触分离过程中对外输出电信号。发电机中，无需额外设置振动膜，减少不必要的声能损失，提高了声能利用效率，即使在较弱声场条件下，也可产生电输出。

发电机作为声音传感器，利用了声音自身的能量，无需为传感器提供电源，实现了声音的无源传感，使传感器的应用不再受到电源寿命或者工作环境等条件的限制。

本发明的发电机和传感器可以应用在日常生活中各类声音例如讲话、噪音或音乐等声音的采集和利用以及传感。同样，可广泛收集道路、桥梁和铁路等环境的声能，为各种检测传感等电子器件供电或者对声音进行传感。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明发电机实施例一的结构示意图；

图2为本发明发电机实施例二的结构示意图；

图3本发明发电机实施例三的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。

现有的声传感器均需要提供外部电源驱动其工作，使的传感器的应用受到电源的限制，本发明提供一种能够采集声音能量的发电机，这种发电机可以应用在声传感领域，无需为传感器提供电源即可进行传感探测。本发明的发电机的技术方案是将Helmholtz声共振腔和摩擦电纳米发电部件结合，将摩擦电纳米发电部件设置在Helmholtz共振腔的外壁或者开口位置，声音经过声共振腔使所述的摩擦电纳米发电部件在声音的振动下产生电能。利用这种发电机可以作为声音传感器，无需为传感器提供电源，是一种自驱动的声传感器。而且，发电机无需额外设置振动膜，减少不必要的声能损失，提高了声能利用效率。同时，将纳米材料应用在摩擦纳米发电部件中，利用纳米材料优良的机械和电特性，使发电机具有高的声能到电能的转换效率。

下面结合附图详细介绍本发明的实施例。

实施例一：

本实施例的采集声音能量的发电机，参见图1，包括Helmholtz共振腔和一个摩擦电纳米发电部件，其中，Helmholtz共振腔具有开口105，摩擦电纳米发电部件为所述Helmholtz共振腔的外壁104的一部分。摩擦电纳米发电部件包括两层面对面设置的薄膜，参见图1，摩擦电纳米发电部件的边缘固定在Helmholtz共振腔的外壁上，包括第一电极层101、第二电极层103以及摩擦层102，其中第一电极层101的内表面与摩擦层102的上表面面对面设置，摩擦层102的下表面接触设置第二电极层103；第一电极层101为弹性材料，或者第二电极层103与摩擦层102形成的整体为弹性材料，或者三层材料均为弹性材料，不受外力的原始状态时第一电极层101与摩擦层之间存在间距为d的间隙，当摩擦电纳米发电部件的两侧受到力的作用（例如声压的驱动）时，第一电极层101与摩擦层102能够互相接触，撤去外力时，由于弹性回复使第一电极层101与摩擦层102能够互相分离。第一电极层101的外表面为Helmholtz共振腔外壁的部分内表面，第二电极层103为Helmholtz共振腔外壁的部分外表面。在其它实施例中，摩擦电纳米发电部件的两部分的位置可以互换，使第一电极层101的外表面为Helmholtz共振腔外壁的部分外表面，第二电极层103为Helmholtz共振腔外壁的部分内表面。第一电极层101与摩擦层102由外壁104支撑和固定。优选的摩擦电纳米发电部件的厚度与Helmholtz共振腔的壁厚h相同。优选将摩擦电纳米发电部件设置在Helmholtz共振腔的开口105面对的外壁上。

Helmholtz共振腔的外壁为将Helmholtz共振腔的腔内和腔外进行划分的部分，即Helmholtz共振腔外壁包围形成的空间为Helmholtz共振腔的腔内。

由于第一电极层101的内表面与摩擦层102的上表面的材料存在摩擦电极序差异，即在互相接触时存在得失电子能力差异，两种材料在相互摩擦的瞬间，在摩擦面上负电荷从摩擦电极序中极性较正的材料表面转移至摩擦电极序中极性较负的材料表面。当外部声音作用在摩擦电纳米发电部件上时，由于摩擦电纳米发电部件中的部分或全部结构为弹性材料，声音作用下发生弹性形变，这一弹性形变与Helmholtz共振腔内的空气产生振动耦合作用，Helmholtz共振腔内空气产生压缩或者扩张，从而将外界声压能量集中在腔体内，导致所述的摩擦电纳米发电部件的第一电极层101和摩擦层102的接触和分离，第一电极层101在与摩擦层102接触过程中失去电子，而摩擦层102得到电子，并且在分离后表面所带有的电荷能够保持；由于腔体内空气的压缩和扩张振动与弹性的摩擦电纳米发电部件的变形不断耦合，使不同摩擦电材料的第一电极层101和摩擦层102产生接触分离或相对位移变化，为了平衡摩擦层表面保留的电荷，从而在第一电极层101与第二电极层103之间形成电势差，能够对外产生电输出，该电输出大小取决于外界声压大小，在相同尺寸和材料参数条件下，在一定声压范围内，外界声压越大，电输出越大，反之亦然。

Helmholtz共振腔的宽度W、高度H、开口尺寸D和壁厚h共同决定发电机响应声波的频率，并且，由于摩擦电纳米发电部件的振动频率由摩擦电发电部件的第一电极层101、摩擦层102以及第二电极层的厚度和面积共同决定，因此，各层的面积和厚度选择需要与Helmholtz共振腔谐振频率相一致，这样才能使腔体内空气与摩擦电纳米发电部件弹性材料的振动产生最强的耦合；壁厚h可同时考虑摩擦发电机的厚度来共同决定。通常地，在开孔直径和壁厚固定情况下，腔体体积越大响应声音频率越低；或者，在腔体体积固定情况下，开孔直径D越大，频率越高，壁厚h越大，频率越低。第一电极层101、摩擦层102和第二电极层103放置在所述Helmholtz共振腔一个外壁104，通常单个摩擦电纳米发电部件情况下，设置在共振腔开口面对的外壁上。

摩擦电纳米发电部件中，能够互相接触的摩擦层102和第一电极层101的材料之间摩擦电极序的差异是产生可输出电信号的关键，本发明中，优选摩擦层102的材料为绝缘体材料，第一电极层101内表面或者第一电极层101全部为导电材料。作为摩擦层的绝缘体材料中，优选聚合物绝缘材料。以下聚合物材料均可用于本发明的摩擦层102中，并且按照排列的顺序具有越来越强的得电子能力：聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚四氟乙烯。限于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出几种具体的聚合物材料供人们参考，但是显然这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制性因素，因为在发明的启示下，本领域的技术人员根据这些材料所具有的摩擦电特性很容易选择其他类似的材料。

通过实验发现，当摩擦层102上表面的材料与第一电极层101内表面的材料之间得电子能力相差越大，发电机输出的电信号越强。所以，可以根据上面列出的顺序并结合简单的对比实验，选择合适的聚合物材料作为摩擦层102，以获得最佳的电信号输出性能。

摩擦层102的厚度对本发明的实施没有显著影响，本发明优选摩擦层为薄膜，厚度为100nm-3mm，优选1μm-1mm，更优选10μm-800μm，更优选20μm-500μm，这些厚度对本发明中所有的技术方案都适用。

第一电极层101可以选自常规的导电材料，例如金属材料、金属合金材料、导电氧化物或者导电有机物等，优选为具有优良导电性能的金属薄膜材料，例如铂膜、铝膜、金膜或铜膜等。同样的，第二电极层103可以采用金属材料、导电氧化物或者导电有机物等材料的薄膜，例如铂膜、铝膜、金膜或铜膜等。第一电极层和第二电极层的厚度的可选范围为10nm-3mm，优选为100nm-500μm。第二电极层103与摩擦层102可以通过金属沉积方法使两者结合在一起，也可以采用现有的磁控溅射、蒸镀和印刷打印等技术来制作；摩擦层102与第一电极层101间存在间隙d，该距离大小的设置需保证在声波能量激励下，摩擦层102与第一电极层101能够较好的接触在一起，取值范围在0.1mm-0.8mm,优选为0.4mm-0.6mm。

为了提高发电机的输出性能，优选在摩擦层101的上表面，和/或，第一电极层101的内表面，全部或部分分布有纳米、微米或次微米量级的微结构，以增加摩擦层和第一电极层的有效接触面积，提高二者的表面电荷密度。所述微结构优选为纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽，纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由前述一种或多种结构形成的阵列，特别是由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列，可以是通过光刻蚀、等离子刻蚀等方法制备的线状、立方体、或者四棱锥形状的阵列，阵列中每个这种单元的尺寸在纳米到微米量级，具体微纳米结构的单元尺寸、形状不应该限制本发明的范围。还可以在摩擦层101的上表面和/或第一电极层101的内表面通过纳米材料的点缀或涂层的方式，获得表面的微结构。

在其他实施例中，还可以在第一电极层101的内表面设置接触层，接触层材料的选择与摩擦层102的选择范围相同，只要保证接触层下表面（能够与摩擦层接触的表面）与摩擦层102的材料存在摩擦电极序差异即可。包含接触层的摩擦电纳米发电部件中，通过声压的驱动使接触层与摩擦层之间的互相接触和分离，在第一电极层101与第二电极层之间产生电势差。同样也可以在接触层面向摩擦层的表面部分或者全部设置前述的纳米、微米或次微米量级的微结构，达到增加接触面积提高发电机的发电效率。

在本发明的其他实施例中，也可以在第一电极层101与摩擦层102之间设置弹性机构，例如弹簧或者弹性材料，在声压驱动下可以使第一电极层101外表面与摩擦层102的上表面接触和分离的往复运动。这种结构的摩擦电纳米发电部件中，不需要特别限定第一电极层或者第二电极层以及摩擦层为弹性材料，硬性材料也可以。

以摩擦层102与第二电极层103共同构成弹性膜、第一电极层101为非弹性材料为例，本实施例的发电机发电具体过程为：当外界声波作用到第二电极层103与摩擦层102构成的弹性膜时，弹性膜向腔体内或者向腔体外方向产生变形，压缩或者释放腔体内空气，并且与腔外声压存在差异，这一差异是腔内空气和腔外空气通过弹性膜耦合的结果，弹性膜在声压差作用下产生震荡，使第一电极层101和摩擦层102产生接触、分离再接触的过程。当声压差带动第一电极层101和摩擦层102产生分离过程中，由于第一电极层101和摩擦层102各自表面上极性相反的接触电荷存在，两种材料之间发生分离时，带正电的接触电荷和带负电的接触电荷在第一电极层101和第二电极层103上存在电势差异，在有外加负载的情况下，该电势差将引起自由电子在第一电极层101和第二电极层103间重新分布，以平衡该电势差，从而形成通过负载的电流；当声压差使第一电极层101和摩擦层102回复接触过程中，由于摩擦层102和第一电极层101之间的相对位移再次被改变，第一电极层101和第二电极层103间的电势差再次出现，使达到平衡的电荷分布被改变，重新分布的电荷造成再次通过外加负载的电流。在负载接入的情况下，摩擦层102和第一电极层101之间在相对位移增加和减小过程中产生相反的电势差，因此，两个过程中的电流流向相反。值得注意的，外界声压越大，摩擦层102和第二电极层103构成的弹性膜震荡幅度越大，产生的电压越高，电压与声压成正比，从而实现收集声音能量的同时进行声传感。

可以在第一电极层上若干个声孔，时声音能量可以不受限制的传递到弹性膜上。

第一电极层或者第一电极层与接触层共同形成摩擦电纳米发电部件的弹性膜的情况下，发电原理与上述情况相同。本发明的发电机能够收集声音能量，将其转变为电能。

实施例二：

本实施例的采集声音能量的发电机，参见图2，包括Helmholtz共振腔和两个摩擦电纳米发电部件，其中，Helmholtz共振腔具有开口105，两个摩擦电纳米发电部件为所述Helmholtz共振腔的外壁104的一部分，优选的，两个摩擦电纳米发电部件设置在开口105的两侧的外壁上，并且面对面设置，例如图2中Helmholtz共振腔的开口设置在右侧外壁，两个摩擦电纳米发电部件对称设置在Helmholtz共振腔的上下外壁上。与实施例一相同，Helmholtz共振腔的宽度W、高度H、开孔直径D和外壁的壁厚h共同决定响应声波的频率，响应频率大小关系与实施例一类似，不在赘述。

本实施例的发电机发电具体过程为：当外界声波作用到Helmholtz共振腔外壁任一个摩擦电发电机的第二电极层103与摩擦层102构成的弹性膜时，弹性膜产生向腔体内或者向腔体外方向的变形，压缩或者释放腔体内空气，此时腔内与腔外声压存在差异，这一差异是腔内空气和腔外空气通过弹性膜耦合的结果，弹性膜在声压差作用下产生震荡，并且该震荡过程会作用到另外一个摩擦电发电机的弹性膜上，若两个摩擦电发电机的弹性膜的尺寸、机械性能完全一致时，两个弹性膜将具有相位和振幅一致的运动过程，这一运动使两个摩擦电纳米发电部件中的第一电极层101和摩擦层102将产生接触、分离再接触的过程。当声压差带动第一电极层101和摩擦层102产生分离过程中，由于第一电极层101和摩擦层102各自表面上极性相反的接触电荷存在，两种材料之间发生分离时，带正电的接触电荷和带负电的接触电荷在第一电极层101和第二电极层103上存在电势差异，在有外加负载的情况下，该电势差将引起自由电子在第一电极层101和第二电极层103间重新分布，以平衡该电势差，从而形成通过负载的电流；当声压差使第一电极层101和摩擦层102回复接触过程中，由于摩擦层102和第一电极层101之间的相对位移再次被改变，第一电极层101和第二电极层103之间的电势差再次出现，使达到平衡的电荷分布被改变，重新分布的电荷造成再次通过外加负载的电流。在负载接入的情况下，摩擦材料层102和第一电极层101之间在相对位移增加和减小过程中产生相反的电势差，因此，两个过程中的电流流向相反。值得注意的，外界声压越大，所述摩擦层102和第二电极层103构成的弹性膜震荡幅度越大，产生的电压越高，电压与声压成正比，从而实现收集声音能量的同时进行声传感。

优选的，两个摩擦电纳米发电部件的材料和尺寸均相同。摩擦电纳米发电部件中，第一电极层101、摩擦层102和第二电极层103的材料、结构及制备与实施例一相同，不再赘述。

实施例三：

本实施例的采集声音能量的发电机，参见图3，包括Helmholtz共振腔和一个摩擦电纳米发电部件，其中，Helmholtz共振腔具有开口105，摩擦电纳米发电部件设置在Helmholtz共振腔的开口处。所述Helmholtz共振腔的宽度W、高度H、开孔直径D和壁厚h共同决定响应声波的频率，响应频率大小关系与实施例一类似，不在赘述。摩擦电纳米发电部件与实施例一中的摩擦电纳米发电部件结构基本相同，区别在于第一电极层、摩擦层和第二电极层均是只有一端固定在开口105处的外壁上，均具有与固定端对应的自由端，使摩擦电纳米发电部件形成一种悬梁臂结构的发电机。第一电极层201远离Helmholtz共振腔的空腔。本实施例的发电机中，声音能够从开口通过，同时使第一电极层与摩擦层能够互相接触和分离。具体的，摩擦电纳米发电部件包括第一电极层201、摩擦层203和第二电极层202，第一电极层201的一端固定在Helmholtz共振腔的外壁上，摩擦层202上表面与第一电极层201的内表面面对面相隔间距d设置，第二电极层203设置在摩擦层202的下表面，摩擦层202与第二电极层203也单端固定在共振腔外壁上。优选的，还可以在第一电极层201自由端设置质量块204，其中，质量块204质量大小与第一电极层201的刚度系数共同决定了悬臂梁（第一电极层201）的谐振频率，因此，质量大小的确定需根据谐振频率以及悬臂梁刚度系数来确定。第一电极层201、摩擦层202和第二电极层203的材料、结构及制备与实施例一相近，不再赘述。其中，第一电极层201优选为弹性材料。

以第一电极层为弹性材料，摩擦层和第二电极层为非弹性材料为例，本实施例的发电机发电具体过程为：当外界声波存在时，引起Helmholtz共振腔的腔体内空气压缩或者释放，这一运动将耦合到第一电极层201和质量块204构成的悬臂梁上，当腔体内空气震荡频率和悬臂梁固有频率一致时，第一电极层201和质量块204构成的悬臂梁将产生振动，而摩擦层202和第二电极层203保持不动，因此，第一电极层201和摩擦层202将产生接触、分离再接触的过程。当第一电极层201和摩擦层202产生分离过程中，由于第一电极层201和摩擦层202各自表面上极性相反的接触电荷存在，两种材料之间发生分离时，带正电的接触电荷和带负电的接触电荷在第一电极层201和第二电极层203上存在电势差异，在有外加负载的情况下，该电势差将引起自由电子在第一电极层201和第二电极层203之间重新分布，以平衡该电势差，从而形成通过负载的电流；当声压差使所述第一电极层201和摩擦层202回复接触过程中，由于摩擦层202和第一电极层201之间的相对位移再次被改变，第一电极201和第二电极层203之间的电势差再次出现，使达到平衡的电荷分布被改变，重新分布的电荷造成再次通过外加负载的电流。在负载接入的情况下，摩擦层202和第一电极层201之间在相对位移增加和减小过程中产生相反的电势差，因此，两个过程中的电流流向相反。

在本实施例中，开口105处设置的摩擦电纳米发电部件不限定为一个，根据发电机的工作需要也可以为多个，只要为Helmholtz共振腔保留开口即可。

实施例四：

实施例一至实施例三中，外界声压越大，摩擦电纳米发电部件中，摩擦层和第二电极层构成的弹性膜震荡幅度越大，产生的电压越高，电压与声压成正比，从而实现收集声音能量的同时进行声传感。Helmholtz共振腔的宽度W、高度H、开孔直径D和壁厚h共同决定响应声波的频率，可以通过调整Helmholtz共振腔的参数调整发电机对声音频率的响应。因此，本发明的收集声音能量的发电机，可以进行声压、频率的响应，采用多个传感器还可以进行声源位置的测定。

固定尺寸的Helmholtz共振腔的单个发电机作为传感器主要响应一定频段的声波信号，为了达到宽频带响应，可以将多个发电机作为传感器构成阵列形式的声音传感器，其中，多个传感器具有不同尺寸的Helmholtz共振腔和摩擦电纳米发电部件，传感具有宽频带的声波，使传感器具有宽频带响应。

本发明的发电机中，Helmholtz共振腔的中空腔体具有汇聚声能的作用，无需额外设置振动膜，减少不必要的声能损失，提高了声能利用效率，即使在较弱声场条件下，也能驱动摩擦电纳米发电部件中第一电极层和摩擦层产生分离接触等运动，无需提供电源即可产生电输出。

本发明的发电机和传感器可以应用在日常生活中讲话、噪音或音乐等声音的采集和利用以及传感。同样，可广泛收集道路、桥梁和铁路等环境的声能，为各种检测传感等电子器件供电或者对声音进行传感。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (17)

1.一种采集声音能量的发电机，其特征在于，包括Helmholtz共振腔和摩擦电纳米发电部件，其中，所述摩擦电纳米发电部件设置在Helmholtz共振腔的外壁或者开口位置，声音经过Helmholtz共振腔使所述的摩擦电纳米发电部件在声音的作用下产生电能；

其中，所述摩擦电纳米发电部件包括第一电极层、第二电极层以及摩擦层，所述第一电极层为弹性材料和/或第二电极层与摩擦层形成的整体为弹性，其中，

所述第一电极层的内表面与摩擦层的上表面面对面设置，不受外力的原始状态时所述第一电极层与摩擦层之间设置间距为d的间隙；其中，所述第一电极层与摩擦层之间设置间隙的间距范围为0.1mm-0.8mm；

所述摩擦层的下表面接触设置第二电极层；

所述摩擦电纳米发电部件设置在所述Helmholtz共振腔的外壁，所述第一电极层的外表面为所述Helmholtz共振腔外壁的部分内表面，所述第二电极层为所述Helmholtz共振腔外壁的部分外表面；或者，所述第一电极层的外表面为所述Helmholtz共振腔外壁的部分外表面，所述第二电极层为所述Helmholtz共振腔外壁的部分内表面；

当所述声音经过所述Helmholtz共振腔的开口，在声压驱动下所述第一电极层的内表面与所述摩擦层的上表面能够互相接触和分离的相对运动，在所述第一电极层与第二电极层之间形成电势差。

2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，包括一个所述摩擦电纳米发电部件。

3.根据权利要求2所述的发电机，其特征在于，所述摩擦电纳米发电部件设置在所述Helmholtz共振腔的开口面对的外壁上。

4.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，包括两个所述摩擦电纳米发电部件。

5.根据权利要求4所述的发电机，其特征在于，所述摩擦电纳米发电部件设置在所述Helmholtz共振腔的开口的两侧的外壁上，并且面对面设置。

6.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述摩擦电纳米发电部件设置在所述Helmholtz共振腔的开口处，所述第一电极层、摩擦层和第二电极层均只有一端固定在所述开口处的外壁上，均具有与固定端对应的自由端；

所述第一电极层远离所述Helmholtz共振腔的空腔；所述第一电极层为弹性材料，摩擦层与第二电极层为非弹性材料。

7.根据权利要求6所述的发电机，其特征在于，所述第一电极层的自由端设置质量块。

8.如权利要求1或6所述的发电机，其特征在于，所述第一电极层内表面和所述摩擦层上表面的材料具有摩擦电极序差异。

9.根据权利要求8所述的发电机，其特征在于，所述摩擦层材料为下列聚合物绝缘材料中的一种或几种：聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚四氟乙烯。

10.根据权利要求9所述的发电机，其特征在于，所述聚酯为聚对苯二甲酸乙二醇酯。

11.根据权利要求9所述的发电机，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层的材料为金属材料、金属合金材料、导电氧化物或者导电有机物。

12.根据权利要求1或7所述的发电机，其特征在于，所述摩擦层的厚度范围为100nm-3mm。

13.根据权利要求1或7所述的发电机，其特征在于，所述第一电极层和/或第二电极层的厚度范围为10nm-3mm。

14.根据权利要求1或7所述的发电机，其特征在于，所述第一电极层的内表面设置有接触层，声压的驱动使所述接触层与摩擦层之间能够互相接触和分离。

15.根据权利要求1或7所述的发电机，其特征在于，在所述摩擦层的上表面、所述第一电极层的内表面和/或所述接触层的下表面全部或部分分布有纳米、微米或次微米量级的微结构。

16.一种声音传感器，其特征在于，包括权利要求1-15任一项所述的发电机。

17.根据权利要求16所述的声音传感器，其特征在于，由多个权利要求1-15任一项所述的发电机形成传感器阵列，其中，多个所述发电机具有不同尺寸的Helmholtz共振腔和摩擦电纳米发电部件。