Yeni tip esnek nano jeneratör: Mikrofon ve hoparlörün tek bir yerde birleştirilmesi umulmaktadır!
Kılavuz
Son zamanlarda, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Michigan Eyalet Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, yalnızca insan hareketinden enerji toplamakla kalmayıp, aynı zamanda akustik alanında şaşırtıcı bir uygulama olan, ferroelektrik elektret nanojeneratörlere dayanan esnek bir cihaz geliştirdiler. Yalnızca esnek bir mikrofon ve hoparlöre dönüştürülmekle kalmaz, aynı zamanda hem mikrofon hem de hoparlör çift işlevli ses ekipmanı getirmesi beklenir.
Anahtar kelime
Nano jeneratör, kendi kendine çalışan, esnek, akustik, hoparlör, mikrofon
arka fon
Piller her zaman giyilebilir cihazları, akıllı donanımı ve hatta tüm tüketici elektroniği ürünlerini kısıtlayan önemli bir darboğaz olmuştur. Tüketiciler yalnızca pilin bitmesi durumuyla karşılaşmakla kalmaz, aynı zamanda tekrar tekrar şarj etme sorunuyla da yüzleşmek zorundadır.
Bu nedenle, hem akademi hem de endüstri, pillerden kurtulmak için yeni enerji tedarik yöntemlerini aktif olarak araştırmaktadır. Örneğin, insan hareketinin kullanılması. Yazar bir keresinde "Giyilebilir cihazların insan hareketi yoluyla güç sağlaması mümkün müdür? "Makalede tanıtılan; ayrıca, insan vücut ısısını kullanan yazar, bir keresinde" Telefonunuzu şarj etmek için tencerenin ısısını kullanın mı? " Yeni termoelektrik malzemelerin birçok kullanımı var! "Makalede tanıtıldı.
Bu yöntemlerin tümü, enerji elde etmek için çevre dostu ve uygun olan termal enerji ve mekanik enerji gibi temiz ve yenilenebilir enerji kullanır.
Geçen yılın Aralık ayında yazarın "Bataryadan kurtulun! ? Michigan State Üniversitesi Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Bölümü'nde doçent olan Nelson Sepulveda'nın "Esnek Nano Cihazlar Elektrik Üretmek İçin İnsan Hareketini Kullanıyor" başlıklı makalesinde, ekibi insan hareketinden enerji elde edebilen ince bir film cihazı icat etti.
Bu düşük maliyetli cihaz, İngilizce kısaltması olan "ferroelektrik elektret nanojeneratör" olarak adlandırılır: FENG. Aslında ilke, basınç uygulamak için insan vücudu hareketini kullanmaktır ve cihaz deforme olduktan sonra, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi büyük miktarda elektrik üretilir:
(Resim kaynağı: Michigan Eyalet Üniversitesi)
Araştırmacılar bu amaçla sırasıyla üç deneysel gösteri gerçekleştirdiler: Üç farklı elektronik cihaz, parmakları kaydırarak veya bastırarak etkinleştirilerek mekanik enerjiyi etkili bir şekilde elektrik enerjisine dönüştürdü.
bir deney : Araştırmacılar klavyedeki ilgili tuşlara hafifçe basarlar ve ilgili harfler bilgisayar ekranında (resmin sağ alt kısmında) görüntülenecektir.
(Resim kaynağı: Michigan Eyalet Üniversitesi)
İkinci deney : Araştırmacı, cihaza avuç içi ile bastırarak, mavi ve yeşile bölünmüş 20 LED ışığı başarıyla "yaktı".
(Resim kaynağı: Michigan Eyalet Üniversitesi)
Üçüncü Deney : Araştırmacı cihazın bulunduğu ekrana parmağıyla bastıktan sonra ekranda karakterler gösterilecektir.
(Resim kaynağı: Michigan Eyalet Üniversitesi)
Yenilikçilik
Bununla birlikte, yukarıda bahsedilen kendinden enerjili esnek film cihazları, esas olarak görsel ve dokunsal etkileşimde yansıtılan insan-bilgisayar etkileşimi için kullanılır. Bununla birlikte, akustik etkileşim (dinleme ve konuşma) da çok potansiyel bir alandır.Göreceli olarak, akustik etkileşim çok fazla ilgi görmemiştir.
(Resim kaynağı: Michigan Eyalet Üniversitesi)
Bugün tanıtacağımız çığır açan inovasyon ses ile ilgilidir. Benzer şekilde, bu teknoloji, Michigan Eyalet Üniversitesi Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Bölümü'nde doçent olan Nelson Sepulveda liderliğindeki bir ekip tarafından yürütülen bir araştırma projesinden de geliyor.
Kağıt kadar hafif ve ince, esnekliği olan bir cihaz geliştirdiler. Sadece insan hareketinden enerji elde etmekle kalmaz, aynı zamanda esnek bir hoparlör veya mikrofon haline getirilebilir. Sesteki bu çığır açan yenilik büyük önem taşıyor. Aşağıdakiler gibi bir dizi sesle ilgili yenilikçi tüketici elektroniği ürünü getirecektir:
-
Katlanabilir hoparlör , Bu tür bir konuşmacı küçük bir bayrak gibidir. Bununla sadece favori takımınız için tezahürat yapamaz, aynı zamanda favori müziğinizi de çalabilirsiniz.
(Resim kaynağı: Michigan Eyalet Üniversitesi)
-
Yama gibi esnek mikrofon , Yalnızca yüksek kalitede kayıt yapmakla kalmaz, aynı zamanda ziyaretçinin kimliğini belirlemek ve doğrulamak için ses kullanarak bilgisayar erişim kontrolü için de kullanılabilir.
(Resim kaynağı: Michigan Eyalet Üniversitesi)
-
"Elektronik gazete" konuşuyor , Gazete ile okurken sesli olarak etkileşimde bulunabilirsiniz.
Tüm bu yenilikçi ürünlerde kullanılan teknolojiler, FENG ekipmanı temelinde genişletilmiştir. Bu ileri teknoloji malzeme yalnızca mikrofon olarak değil (sesten titreşim veya mekanik enerji elde edin ve sonra onu elektrik enerjisine dönüştürün), aynı zamanda bir hoparlör olarak (tersi: elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştürme), aynı zamanda iki şekilde de kullanılabilir. İşlevler arasında geçiş yapın.
Bu çalışmanın makalesi 16 Mayıs'ta Nature Communications dergisinde yayınlandı.
teknoloji
Daha sonra bu yeniliği teknik açıdan kısaca inceleyeceğim.
İlk olarak, bu teknolojinin temel bileşenine, FENG ekipmanına dayalı akustik dönüştürücünün yapısal diyagramına bir göz atalım:
( a ) Geniş alanlı, esnek, FENG tabanlı akustik ekipman yapısının şematik diyagramı ( b ) Polipropilen köpük malzemenin enine kesitinin geri saçılmış taramalı elektron mikroskobu görüntüsü (ölçek çubuğu, 20 m). Ekte perspektif bir görünüm (ölçek çubuğu, 10 m) Silikat parçacıkları harita üzerinde kolaylıkla ayırt edilebilir ve parlak alanlardır. ( c ) Eksenel bir cam tüp (ölçek çubuğu, 5 cm) içinde FENG bazlı akustik ekipmanın optik resmi Ekte, polipropilen köpük malzemenin (ölçek çubuğu, 5 cm) üstten görünüşü gösterilmektedir.
(Resim kaynağı: Referans malzemeleri [2])
Ardından aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi cihazın çalışma mekanizmasına bir göz atalım:
( a ) Mikro plazma deşarjından sonra FENG ve dev dipolün yük dağılımı, boşluğun üst ve alt yüzeylerinin zıt yüklü olduğunu gösterir. ( b , c ) Elektrik ve mekanik enerjinin doğrudan etkileşimi ( b ) FENG ekipmanının yüzeyine ellerinizle bastırın. ( c El serbest bırakıldıktan sonra, dev dipol orijinal boyutuna geri döner. ( d , e ) Elektrik ve mekanik enerjinin zıt etkileşimi ( d Pozitif bir potansiyel uygulandığında, dev dipol daha da genişler. ( e Negatif bir potansiyel uygulandığında, dev dipol küçülür.
(Resim kaynağı: Referans malzemeleri [2])
Yukarıdaki şekilden de görülebileceği gibi, FENG ekipmanı bir dizi avantajı olan (basitlik, esneklik, esneklik, dayanıklılık, hafiflik, kolay genişletme yapısı vb.) İki yönlü özelliğe sahiptir. Bu nedenle, bu cihaz sadece enerji hasadı için değil, aynı zamanda elektroakustik için esnek bir cihaz olarak da kullanılabilir ve aynı zamanda esnek hoparlörler ve mikrofonlar için yeni bir çalışma mekanizması oluşturur.
Ardından konuşmacılar ve mikrofonlar hakkında ayrıntılı olarak konuşalım. Öncelikle konuşmacı deneyiyle başlayalım.
FENG tabanlı ince film hoparlörler için, araştırmacılar ses basınç seviyesi yönlülüğünü ölçtüler, yani odaklanmış ses veya ses enerjisini nicel olarak ölçtüler.
( a ) FENG'ye dayalı bağımsız deneysel hoparlör kurulumu. ( b ) Ölçüm donanımı bağlantısının yandan görünümü. Deneyde, mikrofon dönerken FENG hoparlörü sabit kaldı. ( c - h ) Farklı frekanslarda veya voltajlarda ses basıncı seviyelerinin optik resimleri ve kutupsal koordinatları (ölçek çubuğu, 5 cm) ( c , d ) Dairesel bağımsız tip ( e , f ) Esnek akrilik plastik matrisli yuvarlak tip ( g , h ) Silindirik tip makara
(Resim kaynağı: Referans malzemeleri [2])
Daha sonra, araştırmacılar frekans tepkisini ve FENG'ye dayalı müzik çalma bayrağını da inceledi.
( a - c ) 10 Hz'den 20 kHz'e kadar ses basınç seviyesi spektrumu ölçümü, üç farklı FENG tabanlı hoparlör yapısı için, her yapının optik resmi görüntülenir. ( a ) Bağımsız yapı, boyut oranı 1: 2: 4'tür. ( b ) Katlama ve çok katmanlı kaplama yapısı. ( c ) Matris yapısı olan ve olmayan. ( d - f ) Michigan Eyalet Üniversitesi (MSU) tarafından tasarlanan ve gösterilen müziği çalabilen bir bayrak. ( d ) Şematik ( e ) Modelin büyütülmüş bir optik resmi ( f ) Demo
(Resim kaynağı: Referans malzemeleri [2])
Konuşmacıları inceledikten sonra, araştırmacılar FENG tabanlı film mikrofonlarının performansını ve ilkelerini incelemeye başladı. Aşağıda gösterildiği gibi:
( a ) Ses enerjisini elektrik enerjisine dönüştürme mekanizması. ( b ) FENG'nin mikrofon sistemi deneyine dayanarak, müzik kaydetme. ( CD ) Akustik dalga ve spektrogram: ( c ) Orijinal müzik ( d ) Müzik kaydedin. ( e, f ) Kısa bir senkronize müzik parçası: ( e ) Orijinal müzik ( f ) Müzik kaydedin, genişletin ve ayrıntılı olarak analiz edin.
(Resim kaynağı: Referans malzemeleri [2])
Analizden sonra araştırmacılar şu sonuca vardı:
Kaydedilen müziğin akustik bilgileri, yüksek doğruluk ve yüksek kalite elde edebilen kısa bir bölüm için bile orijinal müziğe oldukça benzer.
FENG tabanlı mikrofonlar ve hoparlörler temelde aynı yapıdadır, ancak elektrik ve mekanik enerjinin ters ve tersine çevrilebilir etkileşim etkilerini kullanır. Bu, bu FENG tabanlı hoparlör veya mikrofonun gerçek bir çift işlevli ses cihazı olduğu anlamına gelir. FENG, kullanıcı ihtiyaçlarına göre işlevlerini kolayca değiştirebilir.
Son olarak, kişisel gizlilik ve güvenlik uygulamalarına, yani ses tanıma ve kimlik doğrulama işlevlerine bir göz atalım.
Giyilebilir cihazlar tarafından toplanan daha fazla veriyle, gizlilik koruması gittikçe daha önemli hale geliyor. FENG tabanlı mikrofonlar, kullanıcıların kimliklerini sesli izler aracılığıyla doğrulamak için ses tanıma yöntemlerini kullanabilir.
( a ) Kişisel bilgisayar erişimi, FENG tabanlı tanımlama sistemi aracılığıyla doğrulanan ses kodunun girilmesini gerektirir. ( b ) Mel frekans cepstrum analizine dayalı yapay sinir ağı modeli. ( c - e ) Yönetici (üstte) ve yasa dışı kullanıcılar (altta) tarafından söylenen "AÇIK SESAME" ses kodunun ses bilgisi. ( c ) Sonik ( d ) Spektrogram ( e ) Periyodik güç spektral yoğunluğu değerlendirme tablosu ( f ) FENG tabanlı akustik ekipmanın çeşitli uygulamaları
(Resim kaynağı: Referans malzemeleri [2])
değer
Bu FENG tabanlı cihaz için yenilikçi değeri, enerji toplama cihazlarıyla sınırlı değildir, aynı zamanda giyilebilir cihazlar, akıllı donanım ve ses cihazları gibi birçok alanda da kullanılabilir.
Ses enerjisi ile elektrik enerjisi arasındaki iki yönlü dönüşümü gerçekleştirebilir, sadece elektrik yoluyla ses üretmekle kalmaz, aynı zamanda ses yoluyla da elektrik üretir. Gelecekte, bu tür cihazların kişisel bilgisayarlar, giyilebilir cihazlar ve akıllı donanımlar gibi bir dizi tüketici elektroniği ürününe entegre edilmesi beklenmektedir.Sadece insan hareketinden enerji elde etmekle kalmaz, aynı zamanda çeşitli daha heyecan verici uygulamalar da getireceklerdir.
Referans
[1]
[2] https://www.nature.com/articles/ncomms15310
Değişimi daha fazla tartışması gereken arkadaşlar, lütfen yazarla doğrudan WeChat: JohnZh1984 üzerinden iletişime geçin veya WeChat genel hesabını izleyin: IntelligentThings.
