CN117060763A - 一种具备高性能隔音的声学纳米发电机结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能隔音的声学纳米发电机结构及制备方法，一种双层高性能隔音的声学纳米发电机结构，包括，接触分离式摩擦纳米发电机；以及，双层声学超材料，声学纳米发电机中的声学超材料结构中融入弯曲梁弹性圆台，解决了传统薄膜声学超材料对薄膜张力的依赖的问题，改善器件的可控性和使用寿命，通过调节弯曲梁弹性圆台的中心圆台直径来让器件具有不同的有效隔声频率，将不同隔声峰值频率的两个声学超材料结构通过间隔进行叠加，拓宽器件的隔声频带，优化了传统薄膜声学超材料隔声频带窄、张紧力控制难的问题。
Description
技术领域
本发明涉及声学纳米发电机的技术领域，尤其涉及一种高性能隔音的声学纳米发电机结构及制备方法。
背景技术
低频噪声广泛存在于航空航天、机械设备和轨道交通中。近年，噪声作为一种潜在的环境能量受到许多科研人员的关注，但是一直缺乏有效的声能转化为电能的技术。
低频噪声的隔音降噪一直是科研人员研究的热点，根据质量定律，传统的轻质隔声材料对低频声波的隔音能力较差。具有高隔音性能的声学超材料的设计成为研究热点。Yang等人提出了薄膜声学超材料的概念(Yang Z,Mei Jun,Yang Min,Chan N H,ShengPing.Membrane-type acoustic metamaterial with negative dynamic mass.[J].Physical review letters,2008,101(20).)，其结构可以看成张紧的薄膜与质量块组成的弹簧振子系统。出现负等效质量密度特性时，结构类似一个刚性平面，将声波反射实现低频隔音。Lu等设计了一种基于偏心分裂环质量的薄膜声学超材料(Zhenbo Lu,Xiang Yu,Siu-Kit Lau,Boo CheongKhoo,Fangsen Cui.Membrane-type acoustic metamaterialwith eccentric masses for broadband sound isolation[J].Applied Acoustics,2020,157(C).)，添加到膜上的质量可以改变膜表面密度，并诱导新的反共振模式，拓宽器件的隔音频带。声学超材料共振时隔声能力较弱，意味着器件此时具有较强的声辐射，常伴随着显著的能量聚集，因此可以进一步与摩擦纳米发电机进行协同设计，通过摩擦纳米发电机进行机电能量转换。
目前在实际场合还是很少使用现有的薄膜声学超材料结构来实现隔声。主要问题有：
1.现有的部分薄膜超材料结构中薄膜长期工作易疲劳、张力控制难度大，使用单层薄膜声学超材料，其低频隔声性能还需要进一步提升；
2.现有的部分薄膜超材料结构无法将噪声能量转换成电能，无法实现声能的俘获。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有的部分薄膜超材料结构中薄膜长期工作易疲劳、张力控制难度大的问题，提出了本发明。
因此，本发明目的是提供一种高性能隔音的声学纳米发电机结构，其目的在于：通过双层结构设计，显著提升器件对低频噪声的隔离性能，克服薄膜张力不确定方面，不需要对薄膜施加张力。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种高性能隔音的声学纳米发电机结构，包括，双层声学超材料；以及，设置于所述双层声学超材料外壁的接触分离式摩擦纳米发电机。
作为本发明所述高性能隔音的声学纳米发电机结构的一种优选方案，其中：所述双层声学超材料包括有第一声学超材料以及第二声学超材料。
作为本发明所述高性能隔音的声学纳米发电机结构的一种优选方案，其中：所述第一声学超材料包括有第一中心圆台、设置于所述第一中心圆台外壁的第一弯曲梁弹簧、设置于所述第一中心圆台外壁的第一薄膜以及设置于所述第一薄膜外壁的第一圆柱质量块；以及，
第二声学超材料包括有第二中心圆台、设置于所述第二中心圆台外壁的第二弯曲梁弹簧、设置于所述第二中心圆台外壁的第二薄膜以及设置于所述第二薄膜外壁的第二圆柱质量块。
作为本发明所述高性能隔音的声学纳米发电机结构的一种优选方案，其中：所述接触分离式摩擦纳米发电机设置在远离声音入射端的声学超材料结构中心圆台上，所述第二声学超材料102外壁设置有连接圆环300。
作为本发明所述高性能隔音的声学纳米发电机结构的一种优选方案，其中：所述接触分离式摩擦纳米发电机包括有设置于所述弯曲梁弹性圆台外壁的正电性材料、贴有导电层的负电性材料、软质衬底、间隔垫片以及硬质背板。
本发明的高性能隔音的声学纳米发电机结构的有益效果：声学纳米发电机中的声学超材料结构中融入弯曲梁弹性圆台，解决了传统薄膜声学超材料对薄膜张力的依赖的问题，改善器件的可控性和使用寿命，通过调节弯曲梁弹性圆台的中心圆台直径来让器件具有不同的有效隔声频率，将不同隔声峰值频率的两个声学超材料结构通过间隔进行叠加，拓宽器件的隔声频带，优化了传统薄膜声学超材料隔声频带窄、张紧力控制难的问题。
鉴于在实际使用过程中，还存在现有的薄膜超材料结构无法将噪声能量转换成电能，无法实现声能的俘获的问题。
因此，本发明的另一个目的是提供高性能隔音的声学纳米发电机结构的制备方法，其目的在于：包括如下步骤：
将单层的声学超材料将薄膜平铺粘贴在弯曲梁弹性圆台结构上，在薄膜的第二面的中心粘贴圆柱形质量块；
将两个相同结构、不同结构参数的单层声学超材料通过环形间隔叠加组成；
将纳米发电机结构设置在远离声音入射端的声学超材料结构中心圆台上；
纳米发电机正电性材料位于第二声学超材料弯曲梁弹性圆台的中心圆台上，负电性材料贴上导电层。
作为本发明所述高性能隔音的声学纳米发电机结构的制备方法的一种优选方案，其中：借助于声学超材料本身的共振特性，对声压激励时的振动幅值进行放大；
调节弯曲梁弹性圆台的中心圆台直径，改变对薄膜的形变约束能力，实现对隔声频率的调控。
作为本发明所述高性能隔音的声学纳米发电机结构的制备方法的一种优选方案，其中：设计模型的结构参数，包括如下步骤：
第一声学超材料的PET薄膜厚度为0.2mm，质量块重量设置为5g，弯曲梁弹性圆台材料为PLA，厚度设为1.5mm、中心圆台直径为25mm；
第二声学超材料的PET薄膜厚度为0.2mm，质量块重量设置为5g，弯曲梁弹性圆台厚度为1.5mm、中心圆台直径为45mm；
将上述两个单层的器件通过高为20mm的圆环间隔进行叠加；
通过有限元仿真对设计的模型结构进行分析。
作为本发明所述双层高性能隔音的声学纳米发电机结构的制备方法的一种优选方案，其中：制作出与仿真时结构参数相同的器件样件，采用阻抗管对器件的隔声性能进行测试，包括如下步骤：
将发明装置样件放置在阻抗管中间，PC端的LabVIEW程序通过PXI机箱PXI-4461采集卡向功率放大器发送声波信号；
信号经过功率放大器传至扬声器，在阻抗管中形成入射平面波；
声波到达样件后，会被样件反射和吸收一部分，其余透过样件成为透射声波；
阻抗管末端的吸声棉对透射声波进行吸收；
样件两侧特定距离的4个麦克风传感器来采集声压，采集的值通过PXI机箱PXI-4461采集卡传入PC端的LabVIEW程序中，计算出样件的隔声量。
作为本发明所述双层高性能隔音的声学纳米发电机结构的制备方法的一种优选方案，其中：通过在上述的双层声学超材料结构中融入接触分离式摩擦纳米发电机，可以实现将这部分振动能量转换为电能，实现声能俘获；
对双层高性能隔音的声学纳米发电机结构的输出电压和电流进行测试，包括如下步骤：在测试过程中，PC端的LabVIEW程序通过PXI机箱中的PXI-4461采集卡向功率放大器发送声音信号；
信号通过功率放大器传输到扬声器，扬声器发出声音以激励本发明器件，纳米发电机输出的电压由PXI-4070数据采集卡获得，电流由PXI-4071数据采集卡获取；
将获得电能测试结果显示在PC端的LabVIEW程序上。
本发明的高性能隔音的声学纳米发电机结构的制备方法有益效果：通过融入接触分离式的摩擦纳米发电机来实现声能到电能的转化，将器件在声音激励共振时增强的振动能量转化为电能，提高了声能俘获效率，且双层声学超材料结构低频隔声性能好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明第一声学超材料结构示意图；
图2为本发明第二声学超材料结构示意图；
图3是本发明整体装置示意图；
图4为本发明“A”部放大结构示意图；
图5为本发明结构纳米发电机工作原理图；
图6是本发明结构的阻抗管隔声测试系统示意图；
图7是本发明结构的输出电压和电流测试系统示意图；
图8是本发明结构双层声学超材料与仅一层结构仿真隔声曲线对比图；
图9是本发明结构实验与仿真隔声曲线对比图；
图10是本发明结构实验与质量定律隔音曲线对比图；
图11是本发明结构共振频率不同声压激励时输出电压图；
图12是本发明结构共振频率不同声压激励时输出电流图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
再其次，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，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
实施例1
参照图1～12，为本发明第一个实施例，提供了一种高性能隔音的声学纳米发电机结构，此装置将不同隔声峰值频率的两个声学超材料结构通过间隔进行叠加，拓宽器件的隔声频带，优化了传统薄膜声学超材料隔声频带窄、张紧力控制难的问题。
具体的，包括，双层声学超材料100；以及，设置于双层声学超材料100外壁的接触分离式摩擦纳米发电机200。
双层声学超材料包括有第一声学超材料101以及第二声学超材料102(102与101在结构形式上相同，参数上有所不同)。
第一声学超材料101包括有第一中心圆台101d、设置于第一中心圆台101d外壁的第一弯曲梁弹簧101c、设置于第一中心圆台101d外壁的第一薄膜101a以及设置于第一薄膜101a外壁的第一圆柱质量块101b；以及，
第二声学超材料101包括有第二中心圆台102d、设置于第二中心圆台102d外壁的第二弯曲梁弹簧102c、设置于第二中心圆台102d外壁的第二薄膜102a以及设置于第二薄膜102a外壁的第二圆柱质量块102b(圆柱质量块与中心圆台的中心重合)。
接触分离式摩擦纳米发电机设置在第二声学超材料弯曲梁弹性圆台的中心圆台102d上，所述第二声学超材料102外壁设置有连接圆环300。
纳米发电机200包括有设置于第二中心圆台102d上的正电性材料201、贴有导电层的负电性材料201a、软质衬底202、间隔垫片205、硬质背板203以及硬质背板支撑杆204。
其中，双层声学超材料包括无薄膜张力控制、具有不同隔声峰值频率的两个声学超材料和纳米发电机。单个声学超材料结构由薄膜101a、圆柱质量块101b以及弯曲梁弹簧101c、中心圆台101d、圆环边框101e构成的弯曲梁弹性圆台组成，所述薄膜101a通过双面胶粘贴在弯曲梁弹性圆台上，再将质量块101b粘贴在薄膜第二面的中心位置。通过调节弯曲梁弹性圆台的中心圆台直径，改变其对薄膜形变约束效果，实现器件对隔声频率的调控，将两个不同中心圆台直径的声学超材料通过连接圆环300间隔进行叠加。
第一声学超材料101和第二声学超材料102结构具有不同隔声峰值频率。本发明结构中双层声学超材料的隔音量显著改善是由第一声学超材料101和第二声学超材料102控制的，其隔音量峰值的频率位置与第一声学超材料101和第二声学超材料102的两个峰值频率一致。但是在低频时会出现两个隔声谷值，这与质量-弹簧-质量系统的共振现象类似。声学超材料可以看成一个弹簧振子系统，当中心质量块的振动方向与声波入射相反，薄膜表面的平均位移接近为零，结构出现负等效质量密度，此时薄膜表面可以看成刚性面，将声波反射实现隔声降噪功能。
具体的，所述双层高性能隔音的声学纳米发电机结构的制备方法的具体步骤如下：
将单层的声学超材料将薄膜平铺粘贴在弯曲梁弹性圆台结构上，在薄膜的第二面的中心粘贴圆柱形质量块；
将两个相同结构、不同结构参数的单层声学超材料通过环形间隔叠加组成；
将纳米发电机结构设置在远离声音入射端的声学超材料结构中心圆台上；
纳米发电机正电性材料位于第二声学超材料弯曲梁弹性圆台的中心圆台第二面上，负电性材料贴上导电层；
借助于声学超材料本身的共振特性，对声压激励时的振动幅值进行放大；调节弯曲梁弹性圆台的中心圆台直径，改变对薄膜的形变约束能力，实现对隔声频率的调控。
设计模型的结构参数，包括如下步骤：
第一声学超材料的PET薄膜厚度为0.2mm，质量块重量设置为5g，弯曲梁弹性圆台材料为PLA，厚度设为1.5mm、中心圆台直径为25mm；其中PET薄膜可采用商用薄膜，质量块采用硬质金属，通过CNC技术加工制作，PLA圆台通过3D打印完成制作。
第二声学超材料的PET薄膜厚度为0.2mm，质量块重量设置为5g，弯曲梁弹性圆台厚度为1.5mm、材料为PLA，中心圆台直径为45mm、材料为PLA；其中PET薄膜可采用商用薄膜，质量块采用硬质金属，通过CNC技术加工制作，PLA圆台通过3D打印完成制作；
将上述两个单层的器件通过高为20mm的圆环间隔进行叠加；圆环通过3D打印完成制作。
其中，增强纳米发电机起电层接触分离效果，提高摩擦纳米发电机输出性能，实现声能俘获，圆台谐振时为平面运动，确保了与正、负电性材料接触分离时具有足够的物理接触面积，有效改善纳米发电机的输出性能。通过调节弯曲梁弹性圆台的中心圆台直径，改变对薄膜的形变约束能力，实现对隔声频率的调控。弯曲梁连接薄膜与圆台，消除了对薄膜的预应力，解决了传统薄膜声学超材料张紧力控制难、使用寿命短的问题。
通过有限元仿真对所设计的结构进行分析，模型的结构参数为：双层薄膜第一声学超材料101样品层的PET薄膜厚度为0.2mm，质量块重量设置为5g，弯曲梁弹性圆台材料为PLA，厚度设为1.5mm、中心圆台直径为25mm。样品B层的PET薄膜厚度为0.2mm，质量块重量设置为5g，弯曲梁弹性圆台厚度为1.5mm、中心圆台直径为45mm。将上述两个单层的器件通过高为20mm的圆环间隔进行叠加。仿真结果如图8实线所示，在200～450Hz频带范围内可以对低频噪声的传播实现有效阻隔。图8虚线为两个组成双层声学超材料(即第一声学超材料和第二声学超材料)仿真出的各自的隔音量曲线。与双层结构的隔音量进行比较可以看出，双层声学超材料的两个隔音量峰值的频率位置与第一声学超材料101和第二声学超材料102的两个隔音量峰值频率基本一致。与单层结构相比，双层结构的声学超材料拓宽了隔声频带，隔音性能也显著提升。
综上，将不同隔声峰值频率的两个声学超材料结构通过间隔进行叠加，拓宽器件的隔声频带，优化了传统薄膜声学超材料隔声频带窄、张紧力控制难的问题。
实施例2
参照图1～12，为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是：通过对隔声性能进行测试，证实本发明装置的隔声量要比质量定律算出的隔声量实现了显著提升。
具体的，制作出与仿真时结构参数相同的器件样件，采用阻抗管对器件的隔声性能进行测试，包括如下步骤：
将发明装置样件放置在阻抗管中间，PC端的LabVIEW程序通过PXI机箱PXI-4461采集卡向功率放大器发送声波信号；
信号经过功率放大器传至扬声器，在阻抗管中形成入射平面波；
声波到达样件后，会被样件反射和吸收一部分，其余透过样件成为透射声波；
阻抗管末端的吸声棉对透射声波进行吸收；
样件两侧特定距离的4个麦克风传感器来采集声压，采集的值通过PXI机箱PXI-4461采集卡传入PC端的LabVIEW程序中，计算出样件的隔声量。
进一步的，为了探究所述发明装置的实际隔音效果，制作出与仿真时结构参数相同的器件样件，采用阻抗管对器件的隔声性能进行测试。阻抗管隔声测试系统示意图如图6所示。将发明装置样件放置在阻抗管中间，PC端的LabVIEW程序通过PXI机箱PXI-4461采集卡向功率放大器发送声波信号。信号经过功率放大器传至扬声器，在阻抗管中形成入射平面波。声波到达样件后，会被样件反射和吸收一部分，其余透过样件成为透射声波。阻抗管末端的吸声棉对透射声波进行吸收。样件两侧特定距离的4个麦克风传感器来采集声压，采集的值通过PXI机箱PXI-4461采集卡传入PC端的LabVIEW程序中，计算出样件的隔声量。如图9所示为实验所测的隔声数据，通过对比可以发现，实验所测数据与仿真计算结果变化趋势基本一致。
隔声质量定律：隔音量TL＝20lg(m)+20lg(f)-42，其中m为材料面密度，f为频率。如图10所示，为本发明的双层声学超材料(面密度：5.09kg/m2)与相同面密度条件下质量定律算出的隔声量曲线对比图，可以看出在200～450Hz频带范围，本发明装置的宽频隔声量显著优于质量定律算出的隔声量，证明其有优秀的低频宽带隔声性能。
实施例3
参照图1～12，为本发明的第三个实施例，该实施例不同于第二个实施例的是：通过测试数据表明，证实本发明装置能够将入射声能转换为电能。
通过在上述的双层声学超材料结构中融入接触分离式摩擦纳米发电机，可以实现将这部分振动能量转换为电能，实现声能俘获；
对高性能隔音的声学纳米发电机结构的输出电压和电流进行测试，包括如下步骤：在测试过程中，PC端的LabVIEW程序通过PXI机箱中的PXI-4461采集卡向功率放大器发送声音信号；
信号通过功率放大器传输到扬声器，扬声器发出声音以激励本发明器件，纳米发电机输出的电压由PXI-4070数据采集卡获得，电流由PXI-4071数据采集卡获取；
将获得电能测试结果显示在PC端的LabVIEW程序上。
当器件产生共振时，器件整体的隔声效果降低，但由于产生局域共振具有较大的振动能量，通过在上述的双层声学超材料结构中融入接触分离式摩擦纳米发电机，可以实现将这部分振动能量转换为电能，实现声能俘获。本器件中所实现的摩擦纳米发电机的工作原理如图4所示，负电性的FEP薄膜另一侧贴有作为导电层的铝箔胶带，与正电性的导电油墨通过负载连接。双层声学超材料共振时，其第二声学超材料102的中心圆台振动促使纳米发电机上下两个不同电性材料(即正电性材料、负电性材料)接触分离。导电油墨与FEP薄膜摩擦分开时形成电势差，为了平衡两个电极间的静电电势差，电子会在两个电极之间流动。产生的电势差会在两个电极再次接触时消失，这时电子反向流动。不断的接触分离会让摩擦发电机对外输出电能。纳米发电机的输出性能受接触面积影响很大，为了提高器件的接触面积，增加输出功率，将质软的泡棉胶粘贴在FEP薄膜电极底部。
图7是本发明结构的输出电压和电流测试系统的示意图。在测试过程中，PC端的LabVIEW程序通过PXI机箱中的PXI-4461采集卡向功率放大器发送声音信号。信号通过功率放大器传输到扬声器，扬声器发出声音以激励本发明器件。纳米发电机输出的电压由PXI-4070数据采集卡获得，电流由PXI-4071数据采集卡获取。最后，将测试结果显示在PC端的LabVIEW程序上。
由隔音曲线可知器件的共振频率在80Hz左右，当给器件施加不同声压级的80Hz正弦波声音激励时，所测的输出电压如图11所示，95dB、100dB时测得器件输出电压峰峰值分别为132V和189V。所测的输出电流如图12所示，95dB、100dB时输出电流峰峰值分别为4.6μA和8.2μA。测试数据表明，依据本发明所完成的实施例具有良好的声电转换性能，能够将入射声能转换为电能。
综上，本发明提出的声学纳米发电机，将器件共振时产生的振动能量转化为电能，实现声能俘获。同时具有更宽频带的低频隔声性能，在200～450Hz范围内对低频噪声实现有效阻隔。此外，本发明的设计结构具有轻质的、稳定和制作简单的特点。
重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种具备高性能隔音的声学纳米发电机结构，其特征在于：包括有，
双层声学超材料(100)；以及，
设置于所述双层声学超材料(100)外壁的接触分离式摩擦纳米发电机(200)。
2.根据权利要求1所述的高性能隔音的声学纳米发电机结构，其特征在于：所述双层声学超材料包括有第一声学超材料(101)以及第二声学超材料(102)。
3.根据权利要求2所述的高性能隔音的声学纳米发电机结构，其特征在于：所述第一声学超材料(101)包括有第一中心圆台(101d)、设置于所述第一中心圆台(101d)外壁的第一弯曲梁弹簧(101c)、设置于所述第一中心圆台(101d)外壁的第一薄膜(101a)以及设置于所述第一薄膜(101a)外壁的第一圆柱质量块(101b)；以及，
第二声学超材料(102)包括有第二中心圆台(102d)、设置于所述第二中心圆台(102d)外壁的第二弯曲梁弹簧(102c)、设置于所述第二中心圆台(102d)外壁的第二薄膜(102a)以及设置于所述第二薄膜(102a)外壁的第二圆柱质量块(102b)。
4.根据权利要求3所述的高性能隔音的声学纳米发电机结构，其特征在于：接触分离式摩擦纳米发电机(200)设置在远离声音入射端的第二声学超材料(102)结构中心圆台(102d)上，所述第二声学超材料(102)外壁设置有连接圆环(300)。
5.根据权利要求4所述的高性能隔音的声学纳米发电机结构，其特征在于：所述纳米发电机(200)包括有设置于第二中心圆台(102d)上的正电性材料(201)、贴有导电层的负电性材料(201a)、软质衬底(202)、间隔垫片(205)、硬质背板(203)以及硬质背板支撑杆(204)。
6.一种如权利要求1-3任一所述的高性能隔音的声学纳米发电机结构的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
将单层的声学超材料的薄膜平铺粘贴在弯曲梁弹性圆台结构上，在薄膜的第二面的中心粘贴圆柱形质量块；
将两个相同结构、不同结构参数的单层声学超材料通过环形间隔叠加组成；
将纳米发电机结构设置在远离声音入射端的声学超材料结构中心圆台上；
纳米发电机正电性材料位于第二声学超材料弯曲梁弹性圆台的中心圆台上，负电性材料贴上导电层。
7.根据权利要求6所述的高性能隔音的声学纳米发电机结构的制备方法，其特征在于：借助于声学超材料本身的共振特性，对声压激励时的振动幅值进行放大；
调节弯曲梁弹性圆台的中心圆台直径，改变对薄膜的形变约束能力，实现对隔声频率的调控。
8.根据权利要求7所述的高性能隔音的声学纳米发电机结构的制备方法，其特征在于：
设计模型的结构参数，包括如下步骤：
第一声学超材料的PET薄膜厚度为0.2mm，质量块重量设置为5g，弯曲梁弹性圆台材料为PLA，厚度设为1.5mm、中心圆台直径为25mm；
第二声学超材料的PET薄膜厚度为0.2mm，质量块重量设置为5g，弯曲梁弹性圆台厚度为1.5mm、中心圆台直径为45mm；
将上述两个单层的器件通过高为20mm的圆环间隔进行叠加；
通过有限元仿真对设计的模型结构进行分析。
9.根据权利要求8所述的高性能隔音的声学纳米发电机结构的制备方法，其特征在于：制作出与仿真时结构参数相同的器件样件，采用阻抗管对器件的隔声性能进行测试，包括如下步骤：
将发明装置样件放置在阻抗管中间，PC端的LabVIEW程序通过PXI机箱PXI-4461采集卡向功率放大器发送声波信号；
信号经过功率放大器传至扬声器，在阻抗管中形成入射平面波；
声波到达样件后，会被样件反射和吸收一部分，其余透过样件成为透射声波；
阻抗管末端的吸声棉对透射声波进行完全吸收；
样件两侧特定距离的4个麦克风传感器来采集声压，采集的值通过PXI机箱PXI-4461采集卡传入PC端的LabVIEW程序中，计算出样件的隔声量。
10.根据权利要求9所述的高性能隔音的声学纳米发电机结构的制备方法，其特征在于：
通过在上述的声学超材料结构中融入接触分离式摩擦纳米发电机，可以实现将这部分振动能量转换为电能，实现声能俘获；
对高性能隔音的声学纳米发电机结构的输出电压和电流进行测试，包括如下步骤：在测试过程中，PC端的LabVIEW程序通过PXI机箱中的PXI-4461采集卡向功率放大器发送声音信号；
信号通过功率放大器传输到扬声器，扬声器发出声音以激励本发明器件，纳米发电机输出的电压由PXI-4070数据采集卡获得，电流由PXI-4071数据采集卡获取；
将获得电能测试结果显示在PC端的LabVIEW程序上。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310866142.5A CN117060763A (zh) | 2023-07-13 | 2023-07-13 | 一种具备高性能隔音的声学纳米发电机结构及制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310866142.5A CN117060763A (zh) | 2023-07-13 | 2023-07-13 | 一种具备高性能隔音的声学纳米发电机结构及制备方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| CN117060763A true CN117060763A (zh) | 2023-11-14 |
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ID=88663556
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310866142.5A Pending CN117060763A (zh) | 2023-07-13 | 2023-07-13 | 一种具备高性能隔音的声学纳米发电机结构及制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117060763A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118041118A (zh) * | 2024-04-12 | 2024-05-14 | 之江实验室 | 一种声学摩擦纳米发电机振膜张紧装置和方法 |
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2023
- 2023-07-13 CN CN202310866142.5A patent/CN117060763A/zh active Pending
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|---|---|---|---|---|
| CN118041118A (zh) * | 2024-04-12 | 2024-05-14 | 之江实验室 | 一种声学摩擦纳米发电机振膜张紧装置和方法 |
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