壓電(diàn)法和電(diàn)磁法，可以将其采集并轉化爲電(diàn)能，有望實現對電(diàn)子器件的供電(diàn)。對于壓電(diàn)器件，通常采用高壓電(diàn)系數的陶瓷材料，但其與空氣的阻抗不匹配極大(dà)影響了聲電(diàn)轉換效能的提升。
低頻(pín)聲能在學術領域和工(gōng)業界都受到了極大(dà)的關注。在我(wǒ)們的生(shēng)活環境中(zhōng)，低頻(pín)聲波波長較長，不易被吸收或隔離(lí)。但是，這種機械能如果采用适當的器件設計和能量轉換方法，如壓電(diàn)法和電(diàn)磁法，可以将其采集并轉化爲電(diàn)能，有望實現對電(diàn)子器件的供電(diàn)。對于壓電(diàn)器件，通常采用高壓電(diàn)系數的陶瓷材料，但其與空氣的阻抗不匹配極大(dà)影響了聲電(diàn)轉換效能的提升。對于電(diàn)磁方式，通常需要線圈、磁鐵等笨重的部件，不利于微弱環境聲能量采集系統的實現。近年來，王中(zhōng)林院士提出的新型摩擦納米發電(diàn)機（TENG）在聲能采集領域顯示出廣闊的前景。與壓電(diàn)聲學器件相比，TENG器件常具有軟、柔性的特點，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(wài)，摩擦電(diàn)器件具有廣泛的材料選擇性，給器件的制作及實現帶來了極大(dà)便利。到目前爲止，已經有幾項研究顯示了TENG在聲波能量收集和自供電(diàn)傳感方面的潛力。上述器件主要采用實現聲壓增強的亥姆霍茲聲諧振器。然而，當亥姆霍茲諧振腔底部采用柔性膜時，往往會出現聲壓放(fàng)大(dà)效果的降低。此外(wài)，基于亥姆霍茲諧振器的聲能采集器對柔性部件的變化非常敏感，這表明要實現最優性能，需要複雜(zá)的調試工(gōng)程。實際上，四分(fēn)之一(yī)波長諧振器是另一(yī)種重要的聲學諧振器，與亥姆霍茲諧振器相比，它具有設計簡單、制作方便等獨特的優點。但這種結構在聲學TENG領域還沒有得到足夠的重視。此外(wài)，對于聲摩擦納米發電(diàn)器件，其關鍵部件之一(yī)是用于聲波傳播的穿孔闆。在以往的研究中(zhōng)，這一(yī)層通常由多孔材料組成，如微穿孔鋁、導電(diàn)織物(wù)、泡沫銅等。然而，這些材料的孔徑很難調控，粘滞損失對聲衰減的影響也沒有進行探讨，對孔的加工(gōng)工(gōng)序也較複雜(zá)。針對上述問題，近日，在南(nán)京郵電(diàn)大(dà)學謝燕楠教授和袁明副教授研究團隊，提出了一(yī)種3D打印的聲學摩擦納米發電(diàn)機（A-TENG），具有結構可控、一(yī)次性成型、制作簡單、成本低等特點。通過四分(fēn)之一(yī)波長管優異的放(fàng)大(dà)性能及器件參數的合理設計，該系統在100 dB聲壓級激勵下(xià)能夠産生(shēng)4.33 mW的峰值功率輸出，實現對72個LED的驅動。當聲壓級爲90分(fēn)貝時，即可驅動一(yī)個商(shāng)用計算器連續工(gōng)作，表明其作爲低功耗電(diàn)子設備電(diàn)源的應用前景。此外(wài)，團隊還開(kāi)發了由A-TENG、AI語音識别芯片和控制電(diàn)路組成的智能邊緣系統。語音信号首先可以通過A-TENG轉化爲電(diàn)信号，然後由内置預訓練的AI芯片進行邊緣識别和處理，産生(shēng)相應的指令動作來控制後續電(diàn)路。該智能邊緣系統無需雲計算即可實現實時語音識别，展示了聲學TENG在低功耗、高性價比的物(wù)聯網領域的巨大(dà)潛力。該成果以題爲“A 3D-printed acoustic triboelectric nanogenerator for quarter-wavelength acoustic energy harvesting and self-powered edge sensing”發表在Nano Energy上（IF 16.602）。圖1 四分(fēn)之一(yī)波長聲能采集系統的示意圖
（c）FEP膜電(diàn)暈充電(diàn)工(gōng)藝示意圖。（d）四分(fēn)之一(yī)波長管的第一(yī)諧振頻(pín)率處的聲壓級。（e）四分(fēn)之一(yī)波長管的第一(yī)諧振頻(pín)率處的粒子速度分(fēn)布。（f）FEP膜在平面波激勵下(xià)的變形示意圖。圖2 提出的A-TENG裝置的工(gōng)作機理
圖3 聲能收集系統的電(diàn)信号表征
（b）聲學系統在不同聲級時的測量輸出電(diàn)壓。（c）測量的不同聲級聲系統的輸出短路電(diàn)流。（d）在不同負載電(diàn)阻下(xià)測得的輸出功率。圖4 A-TENG作爲直接電(diàn)源爲電(diàn)子設備供電(diàn)
（b）不帶電(diàn)池的商(shāng)用計算器由聲學系統連續驅動。圖5 A-TENG對1 kHz内聲頻(pín)範圍的響應
（a）在20~1000 Hz範圍内對A-TENG聯合時頻(pín)分(fēn)析的實驗裝置和測量結果。（c-d）在沒有雲計算的情況下(xià)展示用于實時語音識别的自供電(diàn)邊緣智能系統。綜上所述，提出了一(yī)種3D打印的A-TENG，具有結構可控、一(yī)次性成型、制作簡單、成本低的特點。借助于四分(fēn)之一(yī)波長管，在100 dB SPL激勵下(xià)，A-TENG可以提供4.33 mW的功率輸出，這足以直接驅動72個LED和一(yī)台商(shāng)用計算器。此外(wài)，還開(kāi)發了基于A-TENG的自驅動傳感系統，用于智能語音識别。該系統包括将語音信号轉換爲電(diàn)信号的A-TENG、内置并預先訓練好的神經網絡處理傳感信号的AI語音識别芯片和執行指令的控制電(diàn)路。該智能感知(zhī)組件無需雲計算即可在物(wù)聯網的邊緣端實現語音指令識别與控制，是一(yī)種低功耗、低成本的智能邊緣系統。通過将TENG與人工(gōng)智能技術的結合，可構建更全面的智能自驅動系統，将是令人振奮的發展方向。這些智能系統可以部署在物(wù)聯網的邊緣，具有獨立于雲計算、低功耗、長期運行免維護等優勢。
文章轉載自微信公衆号：材料人
