一种复合型四分之一波长谐振器的声波摩擦纳米发电机

本发明涉及声电转换技术，特别是一种复合型四分之一波长谐振器的声波摩擦纳米发电机。

背景技术：

1、声波在生活中无处不在，在工业环境中，伴随着生产作业会产生许多噪声，这些噪声既影响人耳的听力，又不利于生产制造。据世界卫生组织(who)估计，全世界有3.6亿人患有致残性听力损失，而这一比例超过了5％世界人口。所以将环境生活中的噪声进行收集与利用就显得格外重要。

2、在现有的声能收集方式大多分为电磁式、压电式以及静电式，可以收集声波并将其转化为电能，为电子设备供电，但是通常发电效率一般，不能高效地会聚、收集与利用声能。对于压电器件，通常采用具有高压电系数的陶瓷，他们通常适用于较高频率的声能收集，但它们相对较大的杨氏模量会导致声阻抗与气流不匹配。此外，固体陶瓷材料将反射大部分入射声能并降低输出性能。至于电磁方法，它通常需要笨重的部件，如线圈和磁体，这对能量采集器的重量轻和体积小是不利的，且声波密度小，切割磁感线较为困难。而摩擦电纳米发电机(teng)可以将不同形式的机械能转换为电能，且具有成本低、制作简单的特点，在微纳发电、自驱动传感和设备性能控制方面具有显著优势。

3、如现有采用四分之一波长谐振器来做的声波摩擦纳米发电机主要存在的问题是声能发电的效能不够高，在最佳输出阻抗匹配时，声波摩擦纳米发电机的最大功率仅为4.33mw，单位声压的功率密度最大可达0.43wpa-1m-2，需进一步提升。

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复合型四分之一波长谐振器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：一种复合型四分之一波长谐振器的声波摩擦纳米发电机，包括四分之一谐振管、锥形聚能器和声波摩擦纳米发电机；

3、所述锥形聚能器固定在四分之一波长谐振管前端，所述声波摩擦纳米发电机固定在四分之一波长谐振管末端；

4、所述声波摩擦纳米发电机包括铝膜、电极、fep膜和固定圆环；所述fep膜即氟化乙烯丙烯共聚物膜；所述铝膜粘贴在四分之一波长谐振管的开口周边，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，所述固定圆环固定在四分之一波长谐振管端部周边，用于固定铝膜和fep膜；所述电极为导电碳纳米管印刷电极，印刷在fep膜的上表面。

5、进一步地，所述锥形聚能器的入口端直径为出口端直径的2-3倍；锥形聚能器的出口端直径与四分之一波长谐振管的直径相同；锥形聚能器的长度为四分之一波长谐振管的长度的1/10-1/12；锥形聚能器的锥角θ的取值范围为5°＜θ＜45°。

6、进一步的，所述四分之一波长谐振管内腔构成四分之一波长共振腔，所述的锥形聚能器和四分之一波长谐振管均为3d打印器件。

7、进一步的，所述的锥形聚能器的出口端表面与四分之一波长谐振管端面的形状和尺寸相同。

8、进一步的，所述的锥形聚能器与四分之一波长谐振管用热熔胶固定。

9、进一步的，所述声波摩擦纳米发电机由圆环卡槽固定在四分之一波长谐振管末端，所述圆环卡槽为3d打印器件。

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

11、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

12、1、本发明利用了复合型的结构用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20hz-250hz内实现宽频带高效收集低频声能的效果。同时该结构具有较好的性能输出结果，能够在100db的声压级、90hz频率时输出电压达到348v，短路电流达到77.3μa，转移电荷量达到197nc的输出。

13、2、本发明的复合型声波摩擦纳米发电机在最佳输出阻抗匹配时，输出功率可达到13.5mw，当声压级为100db时，单位声压的功率密度最大可达2.27wpa-1m-2，因此，本发明与传统的声电转换装置相比，对声能的捕获和增强效果而表现出更好的输出性能。

14、3、本发明结构简单、易制作，器件总成本低，在船舶机舱或者工业场地方面能大批量的生产及应用。在故障检测、声纹识别等无线传感器网络传感与供能方面具有很大的应用潜力。

技术特征：

1.一种复合型四分之一波长谐振器的声波摩擦纳米发电机，其特征在于：包括四分之一谐振管、锥形聚能器(1)和声波摩擦纳米发电机；

2.根据权利要求1所述一种复合型四分之一波长谐振器的声波摩擦纳米发电机，其特征在于：所述锥形聚能器(1)的入口端直径为出口端直径的2-3倍；锥形聚能器(1)的出口端直径与四分之一波长谐振管(2)的直径相同；锥形聚能器(1)的长度为四分之一波长谐振管(2)的长度的1/10-1/12；锥形聚能器(1)的锥角θ的取值范围为5°＜θ＜45°。

3.根据权利要求1所述一种复合型四分之一波长谐振器的声波摩擦纳米发电机，其特征在于：所述四分之一波长谐振管(2)内腔构成四分之一波长共振腔，所述的锥形聚能器(1)和四分之一波长谐振管(2)均为3d打印器件。

4.根据权利要求1所述一种复合型四分之一波长谐振器的声波摩擦纳米发电机，其特征在于：所述的锥形聚能器(1)的出口端表面与四分之一波长谐振管(2)端面的形状和尺寸相同。

5.根据权利要求1所述一种复合型四分之一波长谐振器的声波摩擦纳米发电机，其特征在于：所述的锥形聚能器(1)与四分之一波长谐振管(2)用热熔胶固定。

6.根据权利要求1所述一种复合型四分之一波长谐振器的声波摩擦纳米发电机，其特征在于：所述声波摩擦纳米发电机由圆环卡槽固定在四分之一波长谐振管(2)末端，所述圆环卡槽为3d打印器件。

7.根据权利要求1所述一种复合型四分之一波长谐振器的声波摩擦纳米发电机，其特征在于：所述铝膜(3)表面均布着直径为1mm、纵横间距均为1mm的圆形通孔。

技术总结
本发明公开了一种复合型四分之一波长谐振器的声波摩擦纳米发电机，包括四分之一谐振管、锥形聚能器和声波摩擦纳米发电机；所述锥形聚能器固定在四分之一波长谐振管前端，所述声波摩擦纳米发电机固定在四分之一波长谐振管末端。本发明利用了复合型的结构用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20Hz‑250Hz低频范围内达到宽频带高效的收集声能的效果。同时能够在95dB的声压级、90Hz频率时输出电压达到348V，短路电流达到77.3μA，转移电荷量达到188nC的输出。本发明的复合型声波摩擦纳米发电机在最佳输出阻抗匹配时，输出功率可达13.5mW。因此，本发明对声能的捕获和增强效果而表现出更好的输出性能。

技术研发人员：肖秀,刘玲,徐敏义,王昭洋,于洪勇,石岳功
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