中科院上硅所Nano?Energy: 多孔諧振腔聲能收集器實現超高輸出功率與智能語音傳感

kongxy 8個月前 (02-03) 1319瀏覽

 

一、【導讀】

聲能收集器在戶外分布式環境供電和聲音信號智能傳感交互領域有著廣泛的應用前景，受到研究人員的長期關注與探索。當前研究的聲能收集器主要包括壓電型（PENG）、電磁型以及摩擦電型（TENG）。雖然這類聲能收集器取得了一定的進展，但還存在限制因素阻礙了其在實際應用中的功效，主要包括電輸出功率較低（通常低于5W/m2）、結構復雜（如電磁型收集器需要磁鐵與線圈構件）、低頻范圍（20~200 Hz）聲電轉換效率有限、以及功率隨距離增加的快速衰減。這些問題不僅導致了聲能收集器的供電效果有限，還限制了高靈敏度的聲音信號傳感應用。

二、【成果掠影】

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所的研究人員創新性地提出一種穿孔板諧振器與壓差式聲接收器耦合的多孔聲諧振腔增強型摩擦納米發電機(MHAR-TENG)。MHAR-TENG 在聲能采集領域展現出超高的聲電轉換功率和聲電信號信噪比。此外，借助機器學習技術，MHAR-TENG 還可作為自供電智能聲音信號分析平臺，實現不同個體的聲紋識別和同一個體的情緒識別，識別準確率均達 90%以上。該研究成果以題為“A multi-hole resonator enhanced acoustic energy harvester for ultra-high electrical output and machine-learning-assisted intelligent voice sensing”發表在Nano Energy上。該工作的第一作者是朱國建碩士與周毅博士，通訊作者是王冉冉研究員與程蔭副研究員。

三、【核心創新點】

  1. 1.提出了一種將穿孔板諧振器與壓差式聲波接收器耦合起來的聲摩擦電納米發生器(MHAR-TENG)。
  2. 2. 在150 Hz和104 dB的低頻刺激下，可達到的9 W/m2的功率密度，高于此前的各類型聲能收集器。
  3. MHAR-TENG為噪聲回收、軍事監測和智能聲學人機交互中的聲電轉換模式提供了一種新途徑。

四、【數據概覽】

圖1?(a)?MHAR-TENG 的結構透視圖; (b)?聲學 TENG 的結構示意圖; (c)?12wt%PVDF 納米纖維;?(d)導電織物；(e)?MHAR-TENG 的實物圖; (f)?MHAR-TENG 的聲波放大示意圖; (g) 聲學 TENG 兩電極間周期性電位變化的 COMSOL 模擬。

圖2 ?(a)?相同聲波激勵下聲學 TENG 和 MHAR-TENG 的VOC的三維對比圖（頻率范圍 50~170 Hz，聲壓級范圍 54.8~100.1 dB） ;(b) MHAR-TENG 的聲壓分布二維截面圖（150 Hz）;(c) 相同聲波激勵下幾種 NHAR-TENGs 的聲壓級曲線;不同穿孔率的 NHAR-TENGS 的(d)ISC、(e)QSC?和(f) VOC?隨著頻率變化的曲線圖（頻率范圍 50~400 Hz）;不同穿孔率的 NHAR-TENGS 在 150 Hz 聲頻下的(g)ISC、(h)QSC、(i)VOC。

圖3?聲學參數對功率輸出性能的影響。MHAR-TENG。MHAR-TENG 在 70 dB 至 104 dB 聲壓級范圍內的(a)VOC?和(b)ISC；(c)MHAR-TENG 在 104?dB 聲壓級下的 VOC?信號放大圖（聲波頻率為 150 Hz）；MHAR-TENG 在不同振幅的聲波激勵下的(d)ISC?和(e)QSC（頻率范圍 50~400 Hz）；(f)MHAR-TENG 的ISC?和VOC?和聲源之間距離的依賴性（聲波頻率為 150 Hz）。

圖4 ?MHAR-TENG用于可持續供電和聲音信號傳感。(a)?輸出功率對外部負載電阻的依賴性；(b)與此前報道的聲能采集裝置的功率密度對比圖; (c)?MHAR-TENG在 150 Hz、104 dB 聲波驅動下對不同大小電容器的充電曲線; (d)?MHAR-TENG 將音樂信號實時轉換成電流信號;(e)?小型電子時鐘的充放電曲線;(f)?MHAR-TENG 和聲學 TENG 用于簡單的人聲信號檢測; (g)原始語音和還原語音的時域聲波信號（上）和頻譜圖（下）。

圖5?通過機器學習技術實現智能聲紋和情緒識別。(a)MHAR-TENG 用于個

體語音生理識別(語音、情緒、耳鼻喉保健)的數據處理流程；(b)聲紋識別過程示意圖;?(c)聲紋識別結果的混淆矩陣圖；(d)MHAR-TENG采集到的 8 位不同志愿者的原始輸出電流；(e)情緒識別示意圖； (f)一個用戶在生氣、高興和悲傷的情緒下說“I FEEL GOOD”時采集的電荷、電流和電壓圖；(g)情緒識別結果的混淆矩陣圖。

五、【成果啟示】

MHAR-TENG 在聲能采集領域展現出超高的輸出性能和應用價值，150 Hz 時取得的最大充電速率高達 31.9 μC/s，其瞬時功率密度為 8.9 W/m2，高于此前報道的聲驅動TENG 以及 PENG 設備。憑借卓越的充電能力，MHAR-TENG 可通過變壓管理電路對紐扣電池直接充電，組成聲電轉換與存儲裝置。MHAR-TENG 的功率輸出可直接驅動 LED 陣列并且為小型電子時鐘以及商用溫濕度計連續供能；并且多個 MHAR-TENG 可與 LED 指示燈形成簡單的噪聲驅動方向引導系統，有望在實際場景中得到更大規模的應用。

得益于良好的頻響特性和壓差式聲接收器模型，MHAR-TENG 被開發為一種靈敏度高、響應速度快的自供電聲信號傳感器用于高保真、高精度的人聲語音和音樂錄制。最后，借助機器學習技術，MHAR-TENG 還可作為自供電智能聲音信號分析平臺，進行個體聲紋識別和情緒識別，識別準確率均達 90%以上。總之，MHAR-TENG 作為一種先進的聲能采集器，為未來聲能采集和聲音傳感提供了新的模型。

 

文獻鏈接: Guojian Zhu, Yi Zhou, Zeyu Si, Yin Cheng, Fei Wu, Huan Wang, Yaozong Pan, Jing Xie, Chaobo Li, Aiying Chen, Ranran Wang, Jing Sun, A multi-hole resonator enhanced acoustic energy harvester for ultra-high electrical output and machine-learning-assisted intelligent voice sensing, Nano Energy, 2023, 108237. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108237

 

本文由作者供稿

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