中科院上硅所Nano Energy: 多孔谐振腔声能收集器实现超高输出功率与智能语音传感

kongxy 1年前 (2023-02-03) 2025浏览

一、【导读】

声能收集器在户外分布式环境供电和声音信号智能传感交互领域有着广泛的应用前景，受到研究人员的长期关注与探索。当前研究的声能收集器主要包括压电型（PENG）、电磁型以及摩擦电型（TENG）。虽然这类声能收集器取得了一定的进展，但还存在限制因素阻碍了其在实际应用中的功效，主要包括电输出功率较低（通常低于5W/m2）、结构复杂（如电磁型收集器需要磁铁与线圈构件）、低频范围（20~200 Hz）声电转换效率有限、以及功率随距离增加的快速衰减。这些问题不仅导致了声能收集器的供电效果有限，还限制了高灵敏度的声音信号传感应用。

二、【成果掠影】

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所的研究人员创新性地提出一种穿孔板谐振器与压差式声接收器耦合的多孔声谐振腔增强型摩擦纳米发电机(MHAR-TENG)。MHAR-TENG 在声能采集领域展现出超高的声电转换功率和声电信号信噪比。此外，借助机器学习技术，MHAR-TENG 还可作为自供电智能声音信号分析平台，实现不同个体的声纹识别和同一个体的情绪识别，识别准确率均达 90%以上。该研究成果以题为“A multi-hole resonator enhanced acoustic energy harvester for ultra-high electrical output and machine-learning-assisted intelligent voice sensing”发表在Nano Energy上。该工作的第一作者是朱国建硕士与周毅博士，通讯作者是王冉冉研究员与程荫副研究员。

三、【核心创新点】

  1. 1.提出了一种将穿孔板谐振器与压差式声波接收器耦合起来的声摩擦电纳米发生器(MHAR-TENG)。
  2. 2. 在150 Hz和104 dB的低频刺激下，可达到的9 W/m2的功率密度，高于此前的各类型声能收集器。
  3. MHAR-TENG为噪声回收、军事监测和智能声学人机交互中的声电转换模式提供了一种新途径。

四、【数据概览】

图1 (a) MHAR-TENG 的结构透视图; (b) 声学 TENG 的结构示意图; (c) 12wt%PVDF 纳米纤维; (d)导电织物；(e) MHAR-TENG 的实物图; (f) MHAR-TENG 的声波放大示意图; (g) 声学 TENG 两电极间周期性电位变化的 COMSOL 模拟。

图2 (a) 相同声波激励下声学 TENG 和 MHAR-TENG 的VOC的三维对比图（频率范围 50~170 Hz，声压级范围 54.8~100.1 dB） ;(b) MHAR-TENG 的声压分布二维截面图（150 Hz）;(c) 相同声波激励下几种 NHAR-TENGs 的声压级曲线;不同穿孔率的 NHAR-TENGS 的(d)ISC、(e)QSC和(f) VOC随着频率变化的曲线图（频率范围 50~400 Hz）;不同穿孔率的 NHAR-TENGS 在 150 Hz 声频下的(g)ISC、(h)QSC、(i)VOC。

图3 声学参数对功率输出性能的影响。MHAR-TENG。MHAR-TENG 在 70 dB 至 104 dB 声压级范围内的(a)VOC和(b)ISC；(c)MHAR-TENG 在 104 dB 声压级下的 VOC信号放大图（声波频率为 150 Hz）；MHAR-TENG 在不同振幅的声波激励下的(d)ISC和(e)QSC（频率范围 50~400 Hz）；(f)MHAR-TENG 的ISC和VOC和声源之间距离的依赖性（声波频率为 150 Hz）。

图4 MHAR-TENG用于可持续供电和声音信号传感。(a) 输出功率对外部负载电阻的依赖性；(b)与此前报道的声能采集装置的功率密度对比图; (c) MHAR-TENG在 150 Hz、104 dB 声波驱动下对不同大小电容器的充电曲线; (d) MHAR-TENG 将音乐信号实时转换成电流信号;(e) 小型电子时钟的充放电曲线;(f) MHAR-TENG 和声学 TENG 用于简单的人声信号检测; (g)原始语音和还原语音的时域声波信号（上）和频谱图（下）。

图5 通过机器学习技术实现智能声纹和情绪识别。(a)MHAR-TENG 用于个

体语音生理识别(语音、情绪、耳鼻喉保健)的数据处理流程；(b)声纹识别过程示意图; (c)声纹识别结果的混淆矩阵图；(d)MHAR-TENG采集到的 8 位不同志愿者的原始输出电流；(e)情绪识别示意图； (f)一个用户在生气、高兴和悲伤的情绪下说“I FEEL GOOD”时采集的电荷、电流和电压图；(g)情绪识别结果的混淆矩阵图。

五、【成果启示】

MHAR-TENG 在声能采集领域展现出超高的输出性能和应用价值，150 Hz 时取得的最大充电速率高达 31.9 µC/s，其瞬时功率密度为 8.9 W/m2，高于此前报道的声驱动TENG 以及 PENG 设备。凭借卓越的充电能力，MHAR-TENG 可通过变压管理电路对纽扣电池直接充电，组成声电转换与存储装置。MHAR-TENG 的功率输出可直接驱动 LED 阵列并且为小型电子时钟以及商用温湿度计连续供能；并且多个 MHAR-TENG 可与 LED 指示灯形成简单的噪声驱动方向引导系统，有望在实际场景中得到更大规模的应用。

得益于良好的频响特性和压差式声接收器模型，MHAR-TENG 被开发为一种灵敏度高、响应速度快的自供电声信号传感器用于高保真、高精度的人声语音和音乐录制。最后，借助机器学习技术，MHAR-TENG 还可作为自供电智能声音信号分析平台，进行个体声纹识别和情绪识别，识别准确率均达 90%以上。总之，MHAR-TENG 作为一种先进的声能采集器，为未来声能采集和声音传感提供了新的模型。

文献链接: 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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