用于四分之一波長(zhǎng)聲能采集和自驅(qū)動(dòng)邊緣智能感知的3D打印聲學(xué)摩擦納米發(fā)電機(jī)

1624　 2021-03-24 09:07:11

壓電法和電磁法，可以將其采集并轉(zhuǎn)化為電能，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)電子器件的供電。對(duì)于壓電器件，通常采用高壓電系數(shù)的陶瓷材料，但其與空氣的阻抗不匹配極大影響了聲電轉(zhuǎn)換效能的提升。

【引言】

低頻聲能在學(xué)術(shù)領(lǐng)域和工業(yè)界都受到了極大的關(guān)注。在我們的生活環(huán)境中，低頻聲波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，不易被吸收或隔離。但是，這種機(jī)械能如果采用適當(dāng)?shù)钠骷O(shè)計(jì)和能量轉(zhuǎn)換方法，如壓電法和電磁法，可以將其采集并轉(zhuǎn)化為電能，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)電子器件的供電。對(duì)于壓電器件，通常采用高壓電系數(shù)的陶瓷材料，但其與空氣的阻抗不匹配極大影響了聲電轉(zhuǎn)換效能的提升。對(duì)于電磁方式，通常需要線圈、磁鐵等笨重的部件，不利于微弱環(huán)境聲能量采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)，王中林院士提出的新型摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）在聲能采集領(lǐng)域顯示出廣闊的前景。與壓電聲學(xué)器件相比，TENG器件常具有軟、柔性的特點(diǎn)，可以顯著降低能量采集器與入射聲波之間的聲阻抗失配，以提高聲能量收集裝置的輸出功率。此外，摩擦電器件具有廣泛的材料選擇性，給器件的制作及實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了極大便利。

到目前為止，已經(jīng)有幾項(xiàng)研究顯示了TENG在聲波能量收集和自供電傳感方面的潛力。上述器件主要采用實(shí)現(xiàn)聲壓增強(qiáng)的亥姆霍茲聲諧振器。然而，當(dāng)亥姆霍茲諧振腔底部采用柔性膜時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)聲壓放大效果的降低。此外，基于亥姆霍茲諧振器的聲能采集器對(duì)柔性部件的變化非常敏感，這表明要實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能，需要復(fù)雜的調(diào)試工程。實(shí)際上，四分之一波長(zhǎng)諧振器是另一種重要的聲學(xué)諧振器，與亥姆霍茲諧振器相比，它具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、制作方便等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。但這種結(jié)構(gòu)在聲學(xué)TENG領(lǐng)域還沒有得到足夠的重視。此外，對(duì)于聲摩擦納米發(fā)電器件，其關(guān)鍵部件之一是用于聲波傳播的穿孔板。在以往的研究中，這一層通常由多孔材料組成，如微穿孔鋁、導(dǎo)電織物、泡沫銅等。然而，這些材料的孔徑很難調(diào)控，粘滯損失對(duì)聲衰減的影響也沒有進(jìn)行探討，對(duì)孔的加工工序也較復(fù)雜。

【成果簡(jiǎn)介】

針對(duì)上述問題，近日，在南京郵電大學(xué)謝燕楠教授和袁明副教授研究團(tuán)隊(duì)，提出了一種3D打印的聲學(xué)摩擦納米發(fā)電機(jī)（A-TENG），具有結(jié)構(gòu)可控、一次性成型、制作簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)。通過(guò)四分之一波長(zhǎng)管優(yōu)異的放大性能及器件參數(shù)的合理設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)在100 dB聲壓級(jí)激勵(lì)下能夠產(chǎn)生4.33 mW的峰值功率輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)72個(gè)LED的驅(qū)動(dòng)。當(dāng)聲壓級(jí)為90分貝時(shí)，即可驅(qū)動(dòng)一個(gè)商用計(jì)算器連續(xù)工作，表明其作為低功耗電子設(shè)備電源的應(yīng)用前景。此外，團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了由A-TENG、AI語(yǔ)音識(shí)別芯片和控制電路組成的智能邊緣系統(tǒng)。語(yǔ)音信號(hào)首先可以通過(guò)A-TENG轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后由內(nèi)置預(yù)訓(xùn)練的AI芯片進(jìn)行邊緣識(shí)別和處理，產(chǎn)生相應(yīng)的指令動(dòng)作來(lái)控制后續(xù)電路。該智能邊緣系統(tǒng)無(wú)需云計(jì)算即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)語(yǔ)音識(shí)別，展示了聲學(xué)TENG在低功耗、高性價(jià)比的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的巨大潛力。該成果以題為“A 3D-printed acoustic triboelectric nanogenerator for quarter-wavelength acoustic energy harvesting and self-powered edge sensing”發(fā)表在Nano Energy上（IF 16.602）。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 四分之一波長(zhǎng)聲能采集系統(tǒng)的示意圖

（a）聲能收集系統(tǒng)示意圖。

（b）A-TENG裝置原理圖。

（c）FEP膜電暈充電工藝示意圖。

（d）四分之一波長(zhǎng)管的第一諧振頻率處的聲壓級(jí)。

（e）四分之一波長(zhǎng)管的第一諧振頻率處的粒子速度分布。

（f）FEP膜在平面波激勵(lì)下的變形示意圖。

圖2 提出的A-TENG裝置的工作機(jī)理

圖3 聲能收集系統(tǒng)的電信號(hào)表征

（a）聲能收集系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置的照片。

（b）聲學(xué)系統(tǒng)在不同聲級(jí)時(shí)的測(cè)量輸出電壓。

（c）測(cè)量的不同聲級(jí)聲系統(tǒng)的輸出短路電流。

（d）在不同負(fù)載電阻下測(cè)得的輸出功率。

圖4 A-TENG作為直接電源為電子設(shè)備供電

（a）聲學(xué)系統(tǒng)直接點(diǎn)亮了72個(gè)綠色LED。

（b）不帶電池的商用計(jì)算器由聲學(xué)系統(tǒng)連續(xù)驅(qū)動(dòng)。

圖5 A-TENG對(duì)1 kHz內(nèi)聲頻范圍的響應(yīng)

（a）在20~1000 Hz范圍內(nèi)對(duì)A-TENG聯(lián)合時(shí)頻分析的實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量結(jié)果。

（b）自供電聲學(xué)AI邊緣系統(tǒng)示意圖。

（c-d）在沒有云計(jì)算的情況下展示用于實(shí)時(shí)語(yǔ)音識(shí)別的自供電邊緣智能系統(tǒng)。

【小結(jié)】

綜上所述，提出了一種3D打印的A-TENG，具有結(jié)構(gòu)可控、一次性成型、制作簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)。借助于四分之一波長(zhǎng)管，在100 dB SPL激勵(lì)下，A-TENG可以提供4.33 mW的功率輸出，這足以直接驅(qū)動(dòng)72個(gè)LED和一臺(tái)商用計(jì)算器。此外，還開發(fā)了基于A-TENG的自驅(qū)動(dòng)傳感系統(tǒng)，用于智能語(yǔ)音識(shí)別。該系統(tǒng)包括將語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的A-TENG、內(nèi)置并預(yù)先訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理傳感信號(hào)的AI語(yǔ)音識(shí)別芯片和執(zhí)行指令的控制電路。該智能感知組件無(wú)需云計(jì)算即可在物聯(lián)網(wǎng)的邊緣端實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音指令識(shí)別與控制，是一種低功耗、低成本的智能邊緣系統(tǒng)。通過(guò)將TENG與人工智能技術(shù)的結(jié)合，可構(gòu)建更全面的智能自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，將是令人振奮的發(fā)展方向。這些智能系統(tǒng)可以部署在物聯(lián)網(wǎng)的邊緣，具有獨(dú)立于云計(jì)算、低功耗、長(zhǎng)期運(yùn)行免維護(hù)等優(yōu)勢(shì)。

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