CN112910303B

CN112910303B - 一种基于四分之一波长管的声学摩擦纳米发电机

Info

Publication number: CN112910303B
Application number: CN202110087555.4A
Authority: CN
Inventors: 袁明; 刘红棉; 李春晖; 谢燕楠
Original assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2021-01-22
Filing date: 2021-01-22
Publication date: 2022-07-12
Anticipated expiration: 2041-01-22
Also published as: CN112910303A

Abstract

本发明公开了一种基于四分之一波长管的声学摩擦纳米发电机，包括四分之一波长管，所述四分之一波长管的封闭端设置扬声器，四分之一波长管的开口端为声波入射口，声波入射口处设置声学摩擦纳米发电机；所述声学摩擦纳米发电机包括导电FEP薄膜、分隔胶圈和导电PLA板，分隔胶圈连接FEP薄膜和导电PLA板之间，用于在导电PLA板和FEP薄膜之间形成间隙；所述导电PLA板上开设多个声孔，用于将导电PLA板和FEP薄膜之间的间隙与四分之一波长管内部空间连通。本发明的制作成本低，便于批量化生产，且测试发电性能较好，可用于对小型电子器件的供电。

Description

一种基于四分之一波长管的声学摩擦纳米发电机

技术领域

本发明涉及摩擦纳米发电机技术，具体涉及一种基于四分之一波长管的声学摩擦纳米发电机。

背景技术

声能量作为常见的环境能量，在道路及轨道两侧、发动机、工业厂房、交通工具中都具有较高的能量成分。因此，可以通过设计基于摩擦起电和静电感应的摩擦纳米发电机，实现有效的声电转换。摩擦纳米发电机通常为柔性器件，与压电陶瓷等换能器件比，阻抗极低，与声波阻抗的匹配性较好，非常适合用于声波的能量采集。

在以往基于摩擦纳米发电机的研究中，已经有利于静电纺丝法制备出纳米纤维的方法来实现声学摩擦纳米发电机的制备(顾陇.摩擦纳米发电机在声波能量收集中的应用[D].兰州大学，2016)。但是，这种方法成本较高，器件稳定性有待提升。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种能够降低制作成本，同时，提高器件稳定性的于四分之一波长管的声学摩擦纳米发电机。

技术方案：本发明包括四分之一波长管，所述四分之一波长管的封闭端设置扬声器，四分之一波长管的开口端为声波入射口，声波入射口处设置声学摩擦纳米发电机；所述声学摩擦纳米发电机包括导电FEP薄膜、分隔胶圈和导电PLA板，分隔胶圈连接FEP薄膜和导电PLA板之间，用于在导电PLA板和FEP薄膜之间形成间隙；所述导电PLA板上开设多个声孔，用于将导电PLA板和FEP薄膜之间的间隙与四分之一波长管内部空间连通。

所述导电PLA板上沿周向自外向内设置多圈声孔，且声孔的直径由外向内逐渐减小，使得声能量能够较好的激励FEP薄膜产生变形。

所述声学摩擦纳米发电机通过圆环式夹具和四分之一波长管固定连接，能够将声学摩擦纳米发电机固定在管的开口端。

所述圆环式夹具的内外环之间存有间隙，以实现四分之一波长管(7)内的空气与外界空气之间的连通，减少对四分之一波长管谐振特性的影响

所述导电PLA板上声孔的半径大于四分之一波长管声学边界层的厚度，降低声学的热粘性损耗。

所述导电FEP薄膜远离导电PLA板的一面通过丝网印刷技术施加导电油墨印刷电极，实现FEP薄膜的导电功能，且生产成本低。

所述四分之一波长管采用金属铝或硬质PVC材料制作。

有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果在于：(1)利用1/4波长管的特性，实现对声学摩擦纳米发电机的有效激励，并通过巧妙的结构设计，降低声学的热粘性损耗；(2)采用的制备工艺简单，成本低，易于实现批量化生产；(3)经过实际测试，可驱动多个LED灯，驱动计步器、计算器等低功耗电子设备。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的部件拆解图；

图3为本发明中声学摩擦纳米发电机的结构示意图；

图4为本发明中声学摩擦纳米发电机的部件拆解图；

图5为图4中导电PLA板的结构示意图；

图6为本发明的发电原理示意图；

图7为本发明在最佳声波频率及100dB下输出的开路电压；

图8为本发明在最佳声波频率及100dB下输出的短路电流；

图9为本发明在最佳声波频率及100dB下以及不同阻抗下的输出功率；

图10为本发明测量发电功率的装置示意图；

图11为本发明为小型电子器件供电的电路图；

图12为本发明作为无源声学传感器使用时示波器观察到的拍手信号产生的电压波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明做进一步详细描述。

如图1和图2所示，本发明包括四分之一波长管7，四分之一波长管7管壁为硬质材料，一端封闭，一端开口，本实施例中，四分之一波长管7采用金属铝或硬质PVC材料制作。四分之一波长管7的封闭端设置扬声器8，四分之一波长管7的开口端为声波入射口6，声波入射口6处设置声学摩擦纳米发电机1，实现较高的能量输出。声源在激励上，可以放在四分之一波长管7管外，从开口附近位置产生声波，向管内激励；声源也可以放在四分之一波长管7的封闭端，在内部产生声激励向外传出。

根据四分之一波长管的谐振特性，粒子振速在其开口端具有最大，四分之一波长管7内粒子振动产生的瞬时动能dE_k表示为：

式中，ρ表示空气密度；ξ表示粒子位移；dx表示四分之一波长管一小段空气柱的厚度。因此，其瞬时动能在开口端具有最大数值。

如图3和图4所示，声学摩擦纳米发电机1包括依次叠放的导电FEP薄膜2、导电PLA(聚乳酸)板4和圆环式夹具5。导电FEP薄膜2的电负性强，且具有很好的柔性。导电FEP薄膜2远离导电PLA板4的一面通过丝网印刷技术施加导电油墨印刷电极12，导电油墨印刷电极12厚度约6μm。为了进一步提高发电机性能，FEP薄膜2经过高压电晕，进行极化处理，放置一周待性能稳定后进行使用。导电PLA板4通过基于熔融沉积成型(FDM)技术的3D打印机打印，生产成本低。导电PLA板4的上声孔半径应大于四分之一波长管7声学谐振频率对应的声学边界层的厚度。这是因为声学边界层将导致较大的热粘性损失，如果孔径与声学边界层厚度相似，将对输入声学能量产生较大的衰减，因此，导电PLA板4的半径不能过小。需要注意的是，声学边界层厚度与频率有关，随着频率降低，边界层厚度会逐渐增加。例如，在100Hz频率处，声学边界层厚度可达0.2mm。导电PLA板4应具有一定的厚度，与FEP薄膜2相比为硬性材料，这样才能产生较好的接触分离效果。此外，导电PLA板4和圆环式夹具5具有一定的厚度，以实现对结构的有效支撑。本实施例中，圆环式夹具5外环外径为50mm，宽度4mm，高度5mm；内环外径为40mm，宽度5mm，高度3mm，内外环之间的连接轴的高度也为5mm。四分之一波长管7与声学摩擦纳米发电机1通过圆环式夹具5连接，其中圆环式夹具5的内外环之间存有间隙，以实现四分之一波长管7内的空气与外界缝隙连通，使得声波激励时，只有封闭的导电FEP薄膜在振动。将圆环式夹具5放置在四分之一波长管7的声波入射口6，声学摩擦纳米发电机1通过圆环式夹具5和四分之一波长管7固定连接。利用频率为78Hz，100dBA的声压级，通过扬声器8来激励声学摩擦纳米发电机1。本实施例中，导电PLA板4的厚度为0.5mm，FEP薄膜2厚度为25μm，分隔胶圈厚度为0.1mm。导电FEP薄膜2与导电PLA板4之间通过分隔胶圈3连接，分隔胶圈3采用绝缘材料，用于在导电PLA板4和FEP薄膜2之间形成间隙，分隔胶圈3粘贴处应保证气密性。导电PLA板4与导电FEP薄膜2在不受声波激励下处于非接触状态。

如图5所示，导电PLA板4上沿周向自外向内设置多圈声孔，分别为第一声孔9、第二声孔10、第三声孔11，声孔用于将导电PLA板4和FEP薄膜2之间的间隙与四分之一波长管7内部空间连通，使正负声压能够作用于导电FEP薄膜2两侧。第一声孔9、第二声孔10、第三声孔11的直径逐渐减小，本实施例中，第一声孔9的半径为2mm，第二声孔10的半径为1.5mm，第三声孔11的半径为1mm。当FEP薄膜2在声波激励下产生强迫振动时，由于其边沿固定在分隔胶圈3上，根据膜的振动理论，在靠近分隔胶圈3附近的区域无法产生有效的形变，变形量大的地方主要发生在FEP薄膜2的中心区域。由于靠近分隔胶圈3附近的区域变形量小，也就意味着此区域导电PLA板4和FEP薄膜2的接触分离效果差，因此，可以采用较大孔径的声孔，使得更多的声能量激励FEP薄膜2。在中心区域，采用较大孔径将显著减小FEP薄膜2和导电PLA板4之间的接触分离面积，因此，孔径应采用较小的尺寸，但仍需注意边界层的厚度的影响，以减小声学阻尼带来的衰减。

根据摩擦纳米发电机的发电原理，当导电PLA板4和FEP薄膜2相接触时，它们的表面由于接触起电作用会产生正负静电荷，在声波激励下将产生接触分离和静电感应，导致在材料的上下电极上产生感应电势差，当在两个电极之间接入负载或者处于短路状态，这个感应电势差会驱动电子通过外电路在两个电极之间流动，产生交流电，实现声电转换。

如图6所示，负载13一端连接导电PLA板4，负载13另一端连接FEP薄膜2的导电油墨印刷电极12。声学摩擦纳米发电机1的工作过程为：当入射声波激励时，FEP薄膜2随交变声压振动，当FEP薄膜2内侧表现为负压时，FEP薄膜2向内移动与导电PLA板4接触产生相对摩擦。根据静电序列，FEP薄膜2比导电PLA板4更容易获得电子，导致FEP膜的摩擦接触面带有负的摩擦电荷，导电PLA板摩擦面带有正的摩擦电荷。

当FEP薄膜2内侧表现为正压时，与导电PLA板4逐渐分离，正负电荷无法实现相互屏蔽，使得导电PLA板4与FEP膜2之间产生电势差，驱动自由电子在两电极之间流动，抵消此电势差。当FEP膜2达到最大振幅时，器件上的感应电荷达到最大值，新的稳态建立，电子不再转移。在声波作用下，当FEP薄膜2内侧再次表现为负压时，FEP膜2与导电PLA板4间距减小，产生的电势差驱动电子从导电油墨印刷电极12沿外电路流出以补偿导电PLA板4的电子损失并平衡电势差，直到导电PLA板4与FEP薄膜2完全接触。

如图7至图9所示为测试结果，在四分之一波长管达到第一谐振频率附近时，此时控制扬声器的输出，使管口声压级保持在100dB(声级计测试，A计权)，使用图10的测试系统测试器件性能。在此工况下，器件输出最大峰-峰值电压可达到330V，输出峰-峰值电流可达到40μA。在最佳阻抗7MΩ下的输出最大功率可达4.33mW，摩擦纳米发电机输出的电能在电容中储存后可直接向小型传感器供电，可使计步器、计算器等低功耗器件持续工作。摩擦纳米发电机输出的电能也可直接向LED灯供电，可同时并持续点亮串接的94个LED灯。

如图10所示，使用信号发生器产生正弦波信号，并作为激励信号通过功率放大器送入喇叭，产生激励声波。在声学摩擦纳米发电机处用AWA5636声级计测试入射声压，在声学摩擦纳米发电机处引出导线，用数字万用表NI PXI 4071来测试电流信号，用数字万用表NI PXI 4070来测试电压信号。

如图11所示，在声学摩擦纳米发电机后面接上整流桥，将交流电整流成直流电后为电容充电，可为计步器、计算器等电子设备供电。

此外，如果除去四分之一波长管，声学摩擦纳米发电机1可以实现无源声学传感器使用。例如，对声学摩擦纳米发电机1前进行拍手或者说话，即可通过示波器观察到波形，如图12所示，此电平信号可以作为开关量，实现无源触发，或作为边缘无源传感器件，用于低功耗智能边缘器件的前端部分，以进一步降低物联网边缘器件的功耗。

Claims

1.一种基于四分之一波长管的声学摩擦纳米发电机，其特征在于：包括四分之一波长管（7），所述四分之一波长管（7）的封闭端设置扬声器（8），四分之一波长管（7）的开口端为声波入射口（6），声波入射口（6）处设置声学摩擦纳米发电机（1）；所述声学摩擦纳米发电机（1）包括导电FEP薄膜（2）、分隔胶圈（3）和导电PLA板（4），分隔胶圈（3）连接FEP薄膜（2）和导电PLA板（4）之间，用于在导电PLA板（4）和FEP薄膜（2）之间形成间隙；所述导电PLA板（4）上开设多个声孔，用于将导电PLA板（4）和FEP薄膜（2）之间的间隙与四分之一波长管（7）内部空间连通；

所述导电PLA板（4）上沿周向自外向内设置多圈声孔，且声孔的直径由外向内逐渐减小；

所述声学摩擦纳米发电机（1）通过圆环式夹具（5）和四分之一波长管（7）固定连接；

所述圆环式夹具的内外环之间存有间隙，以实现四分之一波长管（7）内的空气与外界空气之间的连通。

2.根据权利要求1所述基于四分之一波长管的声学摩擦纳米发电机，其特征在于：所述导电PLA板（4）上声孔的半径大于四分之一波长管（7）声学边界层的厚度。

3.根据权利要求1所述基于四分之一波长管的声学摩擦纳米发电机，其特征在于：所述导电FEP薄膜（2）远离导电PLA板（4）的一面通过丝网印刷技术施加导电油墨印刷电极（12）。

4.根据权利要求1所述基于四分之一波长管的声学摩擦纳米发电机，其特征在于：所述四分之一波长管（7）采用金属铝或硬质PVC材料制作。