一种基于仿生耳蜗的声波摩擦纳米发电机

本发明涉及声电转换技术，特别是一种基于仿生耳蜗的声波摩擦纳米发电机。

背景技术：

1、声波是自然界中分布广泛、储量丰富的清洁能源，由于其本身能量密度低并且缺乏有效的能量收集技术，其能量大多被浪费了。如果将广泛分布的声波能量有效利用起来，将其转化为电能并且储存利用，这将为物联网产品供电提供重要思路，也能够满足基础设施和环境监控等领域中大量应用的传感器件对能源的需求，从而有力地推动自供能系统在人类生活中的应用，为人们的生活带来极大的便利。

2、能量收集器从各种来源(机器、人类或自然界)获取输入能量，其频率范围为1hz到10khz。再利用电路管理模块对电信号进行整流，匹配最佳阻抗，最终用于为传感器供能、电能储存或小型供电。能量收集器通常包括声学共振装置、振动薄膜与发电材料。能量收集器完成从声波振动到电能输出的能量转换，该收集器通常需要时间来积累足够的有用能量来操作电子系统。通常用于声-电转换的方式有压电式与电磁式，压电方式常用的压电材料灵敏度较高，输出能量密度较低，通常应用受到限制；电磁式声-电转换器通常切割磁感线较为困难，且具有高频的特点，电能输出效率较低。声波摩擦纳米发电机被广泛应用于收集生活中的低频机械能，例如波浪能、风能等，其自身具有成本低、质量轻、易制作等优点。声波自身能够提供较高的驱动频率，非常适合通过声波摩擦纳米发电机来收集和利用。

3、目前，通常利用声学共振装置(包括亥姆霍兹共振腔、半波管共振腔、四分之一波管共振腔)与声波摩擦纳米发电机结合用于收集声波能量。如基于压电效应的阿基米德螺旋声波发电装置，具有在较低频带中将声波能量进行收集，为低功耗的电子元器件供能，260hz时达到共振，但其最大输出功率仅在8.2微瓦，发电效率仍需进一步的提升来实现更好的应用价值。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能提高发电效率的基于仿生耳蜗的声波摩擦纳米发电机。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于仿生耳蜗的声波摩擦纳米发电机，包括螺旋管腔体、圆柱形腔体和声波摩擦纳米发电机；

3、所述螺旋管腔体包括螺旋管和底板，所述螺旋管为等角螺旋管；所述底板固定在螺旋管的下端；

4、所述圆柱形腔体固定在螺旋管的上端；所述圆柱形腔体的上侧设置圆柱形槽，圆柱形槽底部设置圆孔，所述圆孔的圆心位于等角螺旋管基圆的中心轴线上；

5、所述声波摩擦纳米发电机包括铝膜、电极和fep膜；所述fep膜即氟化乙烯丙烯共聚物膜；所述铝膜粘贴在圆柱形槽的开口周边，铝膜上设置多个声孔；所述fep膜覆盖在铝膜上，fep膜的周边与铝膜周边粘贴固定；所述电极为导电油墨印刷电极，印刷在fep膜的上表面；

6、所述螺旋管的上下两端分别与圆柱形腔体和底板之间的空腔构成等角螺旋式共振腔；所述铝膜与圆柱形槽之间构成圆柱形共振腔；

7、所述螺旋管腔体和圆柱形腔体构成仿生耳蜗结构。

8、进一步的，所述的螺旋管及底板为3d打印的整体件，保证等角螺旋式共振腔工作过程形成密闭空间。

9、进一步的，所述的圆柱形腔体的下表面与底板的形状和尺寸相同。

10、进一步的，所述的螺旋管与圆柱形腔体之间用热熔胶固定。

11、进一步的，所述铝膜表面均布着直径为1.5mm、纵横间距均为1mm的圆形通孔。

12、进一步的，所述螺旋管在水平面的投影线为等角螺旋曲线，用以下公式表示：

13、x＝a*cos(t)*exp(b*t)

14、y＝a*sin(t)*exp(b*t)

15、其中，a为基圆的起始半径，b为tan(θ)，θ为等角螺旋的扩散角、其与等角ψ互补，t为角度参数、单位为弧度、初值为0。

16、本发明的工作原理如下：

17、本发明的等角螺旋式共振腔类似螺旋形外耳通道，声波从等角螺旋式共振腔的矩形开口处进入，入射声波经等角螺旋式共振腔传播，声压级随着等角螺旋腔外臂的递减将逐渐增大，等角螺旋式共振腔内的声压最大值发生在等角螺旋式共振腔的中心处，被放大的声波通过圆柱形腔体的圆孔进入圆柱形共振腔，相当于声波经外耳道进入内耳；利用声波来回振动的原理，内耳耳蜗基底膜的横向纤维可以像张弦一样对声音作出敏感的反应，类似于本发明中的声波摩擦纳米发电机的铝膜与fep膜之间由于声波的激励不停地接触与分离，从而实现声-电转换。

18、声波摩擦纳米发电机作为发电单元，由fep膜、导电油墨、铝膜构成，其中fep膜的上面印刷有导电油墨作为碳电极，铝膜作为铝电极。声波摩擦纳米发电机工作时，fep膜与铝膜初始处于分离状态，铝中电子为自由电子。fep膜在逐渐增强的声压驱动下被迫振动。当fep膜与铝膜接触时，fep膜和铝膜的内表面产生等量相反的静电荷。随着膜张力和声压的变化，fep膜倾向于离开铝膜，正负电荷的界面分离导致两个电极的感应电位差。这种差异可以推动碳电极上的自由电子流向铝电极。在此过程中，电位趋于平衡，碳电极上产生正电荷。铝膜与fep膜之间的接触分离行为进而在铝膜表面与fep膜表面之间产生电势差，通过静电感应产生交流电，将传递的机械应变能转换为电能，实现机-电能量转换。

19、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

20、1、本发明利用了仿人体耳蜗的声压放大结构与声波摩擦纳米发电机作为发电单元来进行声波能量收集，具有在更低频下发出更大的电能，在210hz共振频率下，能达到高达324微瓦的输出功率，大大提高了电能的转换效率。

21、2、本发明采用等角螺旋这种由外向内的渐缩型螺旋螺，对声压的放大效果更明显，并且结构紧凑，方便对其实现阵列化的安装和部署。

22、3、本发明采用声波摩擦纳米发电机，其材料具有价格低、质量轻的特点；等角螺旋管采用3d打印机打印，器件总体成本低，低频下声-电转换效率高，便于商业化大批量生产及应用，在无线传感器网络与物联网的传感与供能方面具有很大的应用潜力。

技术特征：

1.一种基于仿生耳蜗的声波摩擦纳米发电机，其特征在于：包括螺旋管腔体、圆柱形腔体(4)和声波摩擦纳米发电机；

2.根据权利要求1所述一种基于仿生耳蜗的声波摩擦纳米发电机，其特征在于：所述的螺旋管(2)及底板(1)为3d打印的整体件，保证等角螺旋式共振腔工作过程形成密闭空间。

3.根据权利要求1所述一种基于仿生耳蜗的声波摩擦纳米发电机，其特征在于：所述的圆柱形腔体(4)的下表面与底板(1)的形状和尺寸相同。

4.根据权利要求1所述一种基于仿生耳蜗的声波摩擦纳米发电机，其特征在于：所述的螺旋管(2)与圆柱形腔体(4)之间用热熔胶固定。

5.根据权利要求1所述一种基于仿生耳蜗的声波摩擦纳米发电机，其特征在于：所述铝膜(5)表面均布着直径为1.5mm、纵横间距均为1mm的圆形通孔。

6.根据权利要求1所述一种基于仿生耳蜗的声波摩擦纳米发电机，其特征在于：所述螺旋管(2)在水平面的投影线为等角螺旋曲线，用以下公式表示：

技术总结
本发明公开了一种基于仿生耳蜗的声波摩擦纳米发电机，包括螺旋管腔体、圆柱形腔体和声波摩擦纳米发电机；所述螺旋管腔体和圆柱形腔体构成仿生耳蜗结构。本发明利用了仿人体耳蜗的声压放大结构与声波摩擦纳米发电机作为发电单元来进行声波能量收集，具有在更低频下发出更大的电能，在210Hz共振频率下，能达到高达324微瓦的输出功率，大大提高了电能的转换效率。本发明采用等角螺旋这种由外向内的渐缩型螺旋螺，对声压的放大效果更明显，并且结构紧凑，方便对其实现阵列化的安装和部署。本发明采用声波摩擦纳米发电机，其材料具有价格低、质量轻的特点，在无线传感器网络与物联网的传感与供能方面具有很大的应用潜力。

技术研发人员：肖秀,刘玲,王梓聿,王昭洋,石岳功,徐敏义
受保护的技术使用者：大连海事大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13