一种低频隔声和声能俘获复用的声超构器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种低频隔声和声能俘获复用的声超构器件及其制备方法，一种低频隔声和声能俘获复用的声超构器件，包括，声学超材料；以及，设置于声学超材料上的纳米发电机，声超构纳米发电器件中的声学超材料结构中融入弯曲梁弹性圆台，解决了传统薄膜声学超材料对薄膜张力的依赖的问题，改善器件的可控性和使用寿命，通过在传统薄膜声学超材料中融入弯曲梁弹性圆台，解决了薄膜超材料中由于薄膜刚度不足而需要施加张力对其拉伸的其对薄膜张力的依赖问题，改善器件的可控性和使用寿命，将声学超材料与纳米发电机结合，实现了低频噪声控制和声能量采集功能的复用。制和声能量采集功能的复用。制和声能量采集功能的复用。

【技术实现步骤摘要】
一种低频隔声和声能俘获复用的声超构器件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及声超构纳米发电器件的
，尤其涉及一种低频隔声和声能俘获复用的声超构器件及其制备方法。

技术介绍

[0002]低频噪声广泛存在于航空航天、机械设备和轨道交通中。发展轻质且高性能的低频噪声控制，是工业界和科研人员关注的热点，其典型代表为声学超材料技术。
[0003]例如，Yang等人提出了薄膜声学超材料的概念(Yang Z,Mei Jun,Yang Min,Chan N H,Sheng Ping.Membrane
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type acoustic metamaterial with negative dynamic mass.[J].Physical review letters,2008,101(20).)，主要由张紧的薄膜、质量块和硬质框架上构成。质量块与薄膜组成的弹簧振子系统出现负等效质量密度特性时，结构表面的平均位移几乎为零，可以看成一个刚性平面将声波反射，表现出优异的隔声性能。
[0004]然而，目前薄膜声学超材料的研究依赖薄膜表面张力，但是由于其张力控制难度大、薄膜易疲劳等缺陷限制了薄膜声学超材料的实际应用。
[0005]此外，噪声也是一种常见的环境能量。为了回收这些清洁、可持续和广泛的声能量，可以使用声发电装置将环境中的声能转化为电能。摩擦电纳米发电机(triboelectric nanogenerator,TENG)是一种新型的能量收集技术，通过接触起电和静电感应相结合，将外部机械能转化为电能。使用纳米发电技术的声能采集器件输出性能非常可观，可以实现对低功耗物联网器件的供电。
[0006]例如，Yuan等人提出了一种基于锥形Helmholtz谐振器的声能发电器件(Yuan Haichao,Yu Hongyong,Liu Xiangyu,Zhao Hongfa,Zhang Yiping,Xi Ziyue,Zhang Qiqi,Liu Ling,Lin Yejin,Pan Xinxiang,Xu Minyi.A High
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Performance Coniform Helmholtz Resonator
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Based Triboelectric Nanogenerator for Acoustic Energy Harvesting[J].Nanomaterials,2021,11(12))，系统地研究了不同几何尺寸的器件在不同声压级条件下的输出性能。Zhang等人研究了一种基于多管Helmholtz谐振器的摩擦电纳米发电机(Zhang Qiqi,Xi Ziyue,Wang Yawei,Liu Ling,Yu Hongyong,Wang Hao,Xu Minyi.Multi
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Tube Helmholtz Resonator Based Triboelectric Nanogenerator for Broadband Acoustic Energy Harvesting[J].Frontiers in Materials,2022.)，用于在低频噪声环境中获取声能。实现了用声音驱动器件为110个LED灯和一个电子温度计供电。但是，目前基于Helmholtz谐振器制作出的声能俘获器件存在装置厚度大、体积大和发电频率调控难等缺陷。
[0007]声学超材料共振时隔声能力较弱，意味着器件此时具有较强的声辐射，常伴随着显著的能量聚集，因此可以进一步与摩擦纳米发电机进行协同设计，通过摩擦纳米发电机进行机电能量转换。
[0008]目前在实际场合使用薄膜声学超材料结构来实现隔声与声能俘获复用的相关研究较少。主要问题有：
[0009]1.现有的部分薄膜超材料结构中薄膜需施加预应力，影响其动态特性，且长期工作易疲劳、张力精确施加与控制难度大；
[0010]2.现有的薄膜超材料结构无法将声能量转换成电能，主要是由于不具备摩擦纳米发电机的接触
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分离关键结构，无法基于摩擦纳米发电机实现对声能的俘获。

技术实现思路

[0011]本部分的目的在于概述本专利技术的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和专利技术名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和专利技术名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本专利技术的范围。
[0012]鉴于上述现有的部分薄膜超材料结构中薄膜需施加预应力，长期工作易疲劳、张力精确施加与控制难度大的问题，提出了本专利技术。
[0013]因此，本专利技术目的是提供一种低频隔声和声能俘获复用的声超构器件，不需要对薄膜施加张力，克服薄膜张力不确定性。
[0014]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：一种低频隔声和声能俘获复用的声超构器件，包括，声学超材料；以及，
[0015]设置于所述声学超材料上的纳米发电机。
[0016]作为本专利技术所述低频隔声和声能俘获复用的声超构器件的一种优选方案，其中：所述声学超材料包括有中心圆台以及设置于所述中心圆台外壁的弯曲梁弹簧。
[0017]作为本专利技术所述低频隔声和声能俘获复用的声超构器件的一种优选方案，其中：所述声学超材料还包括有设置于所述中心圆台外壁的薄膜以及设置于所述薄膜外壁的圆柱质量块。
[0018]作为本专利技术所述低频隔声和声能俘获复用的声超构器件的一种优选方案，其中：所述纳米发电机设置在远离声音入射端的声学超材料结构中心圆台上。
[0019]作为本专利技术所述低频隔声和声能俘获复用的声超构器件的一种优选方案，其中：所述纳米发电机包括有设置于所述弯曲梁弹性中心圆台外壁的正电性材料、贴有导电层的负电性材料、软质衬底、间隔垫片以及硬质背板支撑杆。
[0020]本专利技术的低频隔声和声能俘获复用的声超构器件的有益效果：通过在传统薄膜声学超材料中融入弯曲梁弹性圆台，改善器件的可控性和使用寿命，将声学超材料与纳米发电机结合，实现了低频噪声控制和声能量采集功能的复用。
[0021]鉴于在实际使用过程中，还存在现有的大部分薄膜超材料结构无法将噪声能量转换成电能，无法实现声能的俘获的问题。
[0022]因此，本专利技术的另一个目的是提供低频隔声和声能俘获复用的声超构器件的制备方法，其目的在于：包括如下步骤：
[0023]将薄膜自然铺平粘贴在包含弯曲梁的弹性圆台上，质量块粘贴在薄膜另一面中心；
[0024]纳米发电机设计在含弯曲梁弹性圆台的中心圆台不含薄膜所在面一侧；
[0025]在弯曲梁弹性圆台中间的圆形平台侧放置电正性材料，电负性材料粘贴在导电铝箔上，两个电极之间分隔距离通过垫片调节。
[0026]作为本专利技术所述低频隔声和声能俘获复用的声超构器件的制备方法的一种优选
方案，其中：借助于声学超材料本身的共振特性，对声压激励时的振动幅值进行放大；
[0027]调节弯曲梁弹性圆台的中心圆台直径，可显著改变对薄膜的形变约束能力，实现对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低频隔声和声能俘获复用的声超构器件，其特征在于：包括有，声学超材料(100)；以及，设置于所述声学超材料(100)上的纳米发电机(200)。2.根据权利要求1所述的低频隔声和声能俘获复用的声超构器件，其特征在于：所述声学超材料(100)包括有中心圆台(104)以及设置于所述中心圆台(104)外壁的弯曲梁弹簧(103)。3.根据权利要求2所述的低频隔声和声能俘获复用的声超构器件，其特征在于：所述声学超材料(100)还包括有设置于所述中心圆台(104)外壁的薄膜(101)以及设置于所述薄膜(101)外壁的圆柱质量块(102)。4.根据权利要求3所述的低频隔声和声能俘获复用的声超构器件，其特征在于：所述纳米发电机(200)设置在远离声音入射端的声学超材料结构中心圆台(104)上。5.根据权利要求4所述的低频隔声和声能俘获复用的声超构器件，其特征在于：纳米发电机(200)包括有设置于中心圆台(104)上的正电性材料(201)、贴有导电层的负电性材料(201a)、软质衬底(202)、间隔垫片(205)、硬质背板(203)以及硬质背板支撑杆(204)。6.一种如权利要求1
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3任一所述的低频隔声和声能俘获复用的声超构器件的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：将薄膜自然铺平粘贴在包含弯曲梁的弹性圆台上，质量块粘贴在薄膜另一面中心；纳米发电机设计在含弯曲梁弹性圆台的中心圆台不含薄膜所在面一侧；在弯曲梁弹性圆台中间的圆形平台104侧放置电正性材料，电负性材料放置在硬质背板203侧，两个电极之间分隔距离通过间隔垫片205调节。7.根据权利要求6所述的低频隔声和声能俘获复用的声超构器件的制备方法，其特征在于：借助于声学超材料本身的共振特性，对声压激励时的振动幅值进行放大；调节弯曲梁弹性圆台的中心圆台直径，可显著改变对薄膜的形变约束能力，实现对隔声频率的调控。8.根据权利要求7所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁明，姚卫阳，邰燕航，张文龙，谢燕楠，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：