CN216645591U - 一种实现自供能的声学感知器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种实现自供能的声学感知器件，包括传输聚集装置和声摩擦电装置，所述传输聚集装置为一个号角形声学管路，整体是一个正圆台形声腔，其上下两个端口呈圆环形，四周是硬壳，声信号从大端口进入，经过号角内部广泛地汇聚在小端口处，所述声摩擦电装置设置在所述小端口处，所述声摩擦电装置包括依次粘贴设置的FEP膜，环形垫片，铝箔和底座，入射声波经声号角聚拢收集，传达至声摩擦电装置，带动声摩擦电装置中的FEP膜振动，使得负电性材料FEP膜与铝箔实现接触分离，进而完成由声能到电能的转换得到较大的输出电功率，本实用新型基于摩擦生电原理，制成了自供能的声学感知器件，具有易于成型、可将收集到的声信号转化为电信号的特点。

Description

一种实现自供能的声学感知器件

技术领域

本实用新型属于传感器技术领域，涉及一种声学传感器，特别涉及一种实现自供能的声学感知器件。

背景技术

随着智能时代的发展，传感器得到了前所未有的普及。大部分传感器均为有源器件，海量传感器的部署及通信带来的电池更换及维护限制了其进一步的应用。如果传感器可以实现无源自驱动，就可以摆脱外界能源的限制，降低能量损耗，简化信号调理系统，为物联网边缘智能系统提供感知功能。

早期自驱动系统的研究主要集中在压电领域，其主要机电转换原理在于压电效应，而具有压电效应的压电材料主要包括一些压电晶体、压电陶瓷和具有压电效应的有机化合物，例如聚偏氟乙烯（PVDF)。然而对于压电器件，通常采用压电系数较高的陶瓷材料，但其相对较大的杨氏模量会引起声阻抗与气流的失配，此外，固体陶瓷材料会反射大部分入射声能，影响输出性能。除了压电材料，电磁材料也是一种能量转换方法。根据法拉第电磁感应，当永磁体相对于线圈移动时，线圈终端会产生电势。但电磁法中，通常需要体积大的线圈、磁铁等部件，不利于器件的轻量化和小型化。

摩擦纳米发电机TENG（Triboelectric nanogenerator）的出现，给自感知自驱动的系统带来了更多的发展内涵。基于其丰富的材料选择性、成本低、稳定性好、高输出、转换效率高（最高可到85%)和清洁无污染等优点，TENG迅速地得到了学术界的广泛关注([1]王中林,陈鹏飞.从物联网时代的高熵能源到迈向碳中和的蓝色大能源——接触起电的物理机理与摩擦纳米发电机的科学构架[J].物理,2021,50(10):649-662.)。与压电声学器件相比，TENG器件常具有软、柔性的特点，可以显著降低能量采集器与入射声波之间的声阻抗失配，以提高声能量收集装置的输出功率。此外，摩擦电器件具有广泛的材料选择性，给器件的制作及实现带来了极大便利。

实用新型内容

针对上述存在的问题，本实用新型提供针对克服现有技术中的缺陷，基于TENG，提供了一种可以实现自供能的声学传感器，其可以独立工作无需外部供电，能够将声能转换为电能，在减小能量损耗的同时实现能量的转换，完成实现声压信号的高灵敏自驱动感知，解决了传统的声学器件结构复杂以及更换传感元件成本高的问题。

本实用新型的技术解决方案是：一种实现自供能的声学感知器件，包括传输聚集装置和声摩擦电装置，所述传输聚集装置为一个号角形声学管路，整体是一个正圆台形声腔，其上下两个端口呈圆环形，四周是硬壳，声信号从大端口进入，经过号角内部广泛地汇聚在小端口处，所述声摩擦电装置设置在所述小端口处，所述声摩擦电装置包括依次粘贴设置的FEP膜，环形垫片，铝箔和底座。

本实用新型的进一步改进在于：所述传输聚集装置采用3D打印PLA材料制成。

本实用新型的进一步改进在于：所述环形垫片及底座均采用3D打印制成。

所述传输聚集装置、环形垫片以及支撑底座均使3D打印来制备，正负电性材料使用到的材料成本较低且性能较好。

本实用新型的进一步改进在于：所述FEP膜在和所述小端口的连接面上通过丝网印刷有石墨层。

负电性材料选用FEP膜，FEP膜是一种可商业获得的薄膜，它价格低，厚度小，质量轻，具有良好的热塑性，并且FEP膜有较强的电荷储存能力。并对FEP膜采用了丝网印刷技术制备表面电极，为后续感应电荷的流动提供条件。

本实用新型的进一步改进在于：所述小端口内径为40-50mm，外径45-65 mm，大端口内径115-120mm，外径120-130mm，高65-75mm。

本实用新型提供的一种实现自供能的声学感知器件，入射声波经声号角聚拢收集，传达至声摩擦电装置，带动声摩擦电装置中的FEP膜振动，使得负电性材料FEP膜与铝箔实现接触分离，通过摩擦起电和静电感应，完成由声能到电能的转换。本实用新型基于摩擦生电原理，制成了自供能的声学感知器件，具有易于成型、可将收集到的声信号转化为电信号的特点。

本实用新型的有益效果是：（1）本装置基于摩擦起电和静电感应原理，制成了自供能的声学感知器件，无需外部供能就可实现对声能的能量转换，真正实现了低功耗，甚至零功耗传感器。该装置转化成的电信号幅值相对较高，无需信号放大电路，简化了感知系统；（2）在声摩擦电装置上添加了一个号角形装置，有利于声能聚集，便于采集,在相同正弦激励下，加了声号角的声摩擦电装置输出电压幅值相比于不加声号角的声摩擦电装置输出电压幅值明显增加,这说明该装置可以起到对声能有效聚集的作用；（3）在工艺上具有结构可控、一次性成型、制作简单、成本低等特点。

附图说明

图1为本实用新型声号角的结构示意图；

图2为本实用新型声摩擦电装置的截面示意图；

图3为本实用新型声摩擦电装置的结构示意图；

图4为不加声号角声摩擦电装置在正弦激励下的输出电压波形；

图5为加了声号角声摩擦电装置在正弦激励下的输出电压波形；

其中：1-大端口，2-声学管路内部，3-小端口，4-FEP膜，5-3D打印环形垫片，6-铝箔，7-底座。

具体实施方式

为了加深对本实用新型的理解，下面将结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本实用新型，并不对本实用新型的保护范围构成限定。

如图所示，本实施例提供一种实现自供能的声学感知器件，包括传输聚集装置和声摩擦电装置，所述传输聚集装置为一个号角形声学管路，其整体是一个正圆台形声腔，包括呈圆环形的大端口1和小端口3，采用3D打印PVC材料制成，四周是硬壳，声信号从大端口1进入，经过号角内部2广泛地汇聚在小端口3处，所述声摩擦电装置设置在所述小端口3处，所述声摩擦电装置包括依次粘贴设置的FEP膜4，环形垫片5，铝箔6和底座7，所述FEP膜4在和所述小端口3的连接面上通过丝网印刷有石墨层，所述环形垫片5及底座7均采用3D打印制成。

本实施例提供的一种实现自供能的声学感知器件，其工作过程如下：

在声号角大端口1一侧发出声音激励，声波进入声号角内部实现聚拢，到达小端口3，使铝箔6与FEP膜4产生震动，实现接触分离，在声摩擦电装置内部电路中，由于摩擦起电效应，两个摩擦电极性不同的摩擦材料薄层之间会发生电荷转移而使得二者之间产生电势差；在外部电路中，电子在电势差的驱动下在两个分别粘贴在摩擦电材料层背面的电极之间或者电极与地之间流动，从而平衡这个电势差，将声信号转化成电信号，收集到的电信号用于后续的处理分析。

本实施例的具体实施方式如下：

传输聚集装置结构如图1所示，用3D打印一个喇叭状空心圆台器件，即号角形声学管路，其小端口3圆环内径44mm，外径50 mm；大端口1圆环内径119 mm，外径125mm；高70mm，此器件用于实现声音的聚拢，增强效果。

声摩擦电装置截面图如图2所示，声摩擦电装置粘贴在号角的小端口3处，负电性材料使用FEP膜，首先用丝网印刷技术将电极附着在FEP薄膜上使其导电，再经过高压极化来增强导电性能，然后将丝网印刷那面朝上粘贴在声学管路的圆环下表面，再在FEP膜4下表面粘贴由3D打印制成的环形垫片5，用于保证上下两电极能成功地接触分离，环形垫片5另一侧贴上铝箔6，用作正极，最后在最底端固定一个底座7，来保持结构的完整与牢固。在声摩擦电装置上添加了一个号角形装置，其效果与不加声号角的声摩擦电装置有着显著的提升.其分别测得的电压波形数据如图4和图5所示，在相同正弦激励下，加了声号角的声摩擦电装置输出电压幅值相比于不加声号角的声摩擦电装置输出电压幅值明显增加,这说明该装置可以起到对声能有效聚集的作用。

本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种实现自供能的声学感知器件，其特征在于：包括传输聚集装置和声摩擦电装置，所述传输聚集装置为一个号角形声学管路，整体是一个正圆台形声腔，其上下两个端口呈圆环形，四周是硬壳，声信号从大端口进入，经过号角内部广泛地汇聚在小端口处，所述声摩擦电装置设置在所述小端口处，所述声摩擦电装置包括依次粘贴设置的FEP膜，环形垫片，铝箔和底座。

2.根据权利要求 1 所述的一种实现自供能的声学感知器件，其特征在于：所述传输聚集装置采用3D打印PLA材料制成。

3.根据权利要求 1 所述的一种实现自供能的声学感知器件，其特征在于：所述环形垫片及底座均采用3D打印制成。

4.根据权利要求 1 所述的一种实现自供能的声学感知器件，其特征在于：所述FEP膜在和所述小端口的连接面上通过丝网印刷有石墨层。

5.根据权利要求 1 所述的一种实现自供能的声学感知器件，其特征在于：所述小端口内径为40-50mm，外径45-65 mm，大端口内径115-120mm，外径120-130mm，高65-75mm。

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