壓電法和電磁法，可以將其采集并轉化為電能，有望實(shí)現對電子器件的供電。對于壓電器件，通常采用高壓電系數的陶瓷材料，但其與空氣的阻抗不匹配極大影響了聲電轉換效能的提升。
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(cháng)較長(cháng)，不易被吸收或隔離。但是，這種機械能如果采用適當的器件設計和能量轉換方法，如壓電法和電磁法，可以將其采集并轉化為電能，有望實(shí)現對電子器件的供電。對于壓電器件，通常采用高壓電系數的陶瓷材料，但其與空氣的阻抗不匹配極大影響了聲電轉換效能的提升。對于電磁方式，通常需要線(xiàn)圈、磁鐵等笨重的部件，不利于微弱環(huán)境聲能量采集系統的實(shí)現。近年來(lái)，王中林院士提出的新型摩擦納米發(fā)電機（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(zhù)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)現帶來(lái)了極大便利。到目前為止，已經(jīng)有幾項研究顯示了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(shí)，往往會(huì )出現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柔性部件的變化非常敏感，這表明要實(shí)現最優(yōu)性能，需要復雜的調試工程。實(shí)際上，四分之一波長(cháng)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，它具有設計簡(jiǎn)單、制作方便等獨特的優(yōu)點(diǎn)。但這種結構在聲學(xué)TENG領(lǐng)域還沒(méi)有得到足夠的重視。此外，對于聲摩擦納米發(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、導電織物、泡沫銅等。然而，這些材料的孔徑很難調控，粘滯損失對聲衰減的影響也沒(méi)有進(jìn)行探討，對孔的加工工序也較復雜。針對上述問(wèn)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隊，提出了一種3D打印的聲學(xué)摩擦納米發(fā)電機（A-TENG），具有結構可控、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(cháng)管優(yōu)異的放大性能及器件參數的合理設計，該系統在100 dB聲壓級激勵下能夠產(chǎn)生4.33 mW的峰值功率輸出，實(shí)現對72個(gè)LED的驅動(dòng)。當聲壓級為90分貝時(shí)，即可驅動(dòng)一個(gè)商用計算器連續工作，表明其作為低功耗電子設備電源的應用前景。此外，團隊還開(kāi)發(fā)了由A-TENG、AI語(yǔ)音識別芯片和控制電路組成的智能邊緣系統。語(yǔ)音信號首先可以通過(guò)A-TENG轉化為電信號，然后由內置預訓練的AI芯片進(jìn)行邊緣識別和處理，產(chǎn)生相應的指令動(dòng)作來(lái)控制后續電路。該智能邊緣系統無(wú)需云計算即可實(shí)現實(shí)時(shí)語(yǔ)音識別，展示了聲學(xué)TENG在低功耗、高性?xún)r(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1 四分之一波長(cháng)聲能采集系統的示意圖
（d）四分之一波長(cháng)管的第一諧振頻率處的聲壓級。（e）四分之一波長(cháng)管的第一諧振頻率處的粒子速度分布。
圖3 聲能收集系統的電信號表征
（a）聲能收集系統的實(shí)驗測量裝置的照片。（b）聲學(xué)系統在不同聲級時(shí)的測量輸出電壓。
（a）聲學(xué)系統直接點(diǎn)亮了72個(gè)綠色LED。（b）不帶電池的商用計算器由聲學(xué)系統連續驅動(dòng)。
（a）在20~1000 Hz范圍內對A-TENG聯(lián)合時(shí)頻分析的實(shí)驗裝置和測量結果。（c-d）在沒(méi)有云計算的情況下展示用于實(shí)時(shí)語(yǔ)音識別的自供電邊緣智能系統。綜上所述，提出了一種3D打印的A-TENG，具有結構可控、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(cháng)管，在100 dB SPL激勵下，A-TENG可以提供4.33 mW的功率輸出，這足以直接驅動(dòng)72個(gè)LED和一臺商用計算器。此外，還開(kāi)發(fā)了基于A(yíng)-TENG的自驅動(dòng)傳感系統，用于智能語(yǔ)音識別。該系統包括將語(yǔ)音信號轉換為電信號的A-TENG、內置并預先訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )處理傳感信號的AI語(yǔ)音識別芯片和執行指令的控制電路。該智能感知組件無(wú)需云計算即可在物聯(lián)網(wǎng)的邊緣端實(shí)現語(yǔ)音指令識別與控制，是一種低功耗、低成本的智能邊緣系統。通過(guò)將TENG與人工智能技術(shù)的結合，可構建更全面的智能自驅動(dòng)系統，將是令人振奮的發(fā)展方向。這些智能系統可以部署在物聯(lián)網(wǎng)的邊緣，具有獨立于云計算、低功耗、長(cháng)期運行免維護等優(yōu)勢。
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