静电纺压电纳米纤维膜声电转换器件结构参数对器件频率响应性能的影响机理研究

Frequency response performance determines service performance and applicable range of acoustoelectric conversion devices. This study focuses on limited frequency response range of high-output electrospun piezoelectric nanofiber acoustoelectric conversion devices based on our previous research results. Research objects are piezoelectric nanofiber webs and vibration substrates of devices. Both experiments and finite element modelling methods are used to analyze vibration and output signals of acoustoelectric conversion devices with different nanofiber webs or different vibration substrates under different sound wave frequencies. This study aims to explore principal factors to influence frequency response property of piezoelectric nanofiber acoustoelectric conversion devices, to explain vibration mechanism of piezoelectric nanofiber acoustoelectric conversion devices under sound waves, and to reveal resonant law of piezoelectric nanofiber acoustoelectric devices under sound waves. This study has important implications for establishing theoretical basis for acoustoelectric conversion behavior of piezoelectric nanofiber and for improving performance evaluation system of acoustoelectric conversion devices, which will expand its applications prospect.

频率响应性能决定了声电转换器件的使用性能和适用范围，本研究针对之前研制的高输出静电纺压电纳米纤维膜声电转换器件响应频率范围较窄的问题，以压电纳米纤维膜的形态结构和器件振动基底为研究对象，采用实验分析与有限元模拟分析相结合的方法，研究由不同形态结构的纳米纤维膜和不同振动基底制备的声电转换器件在不同频率声波场中的振动情况及输出电信号特征，探索影响压电纳米纤维膜声电转换器件频率响应性能的主要因素，拟阐明压电纳米纤维膜声电转换器件在声波场中的振动机制，拟揭示不同结构压电纳米纤维膜声电转换器件在声波作用下的共振规律，相关研究成果对建立压电纳米纤维膜声电转换行为的理论基础以及完善声电转换器件的性能评价体系具有重要意义，并为设计适用于不同应用场合的压电纳米纤维膜声电转换器件结构提供思路。

静电纺压电纳米纤维膜声电转换器件利用纳米纤维膜与振动基底电极在声波场中的协同振动作用，将声音信号转换为有规律的电信号，既可用作声音传感器，输出与商业麦克风极为相似的电信号，又可用作声能发电机，无需储能装置便可驱动微型电子设备和电化学反应等。目前大量研究集中在如何提高输出信号的最大幅值和功率密度，而在实际使用中，能否对不同场景中频率各异的声波具备广泛的响应能力，决定了这类器件在传感器和发电机方面的应用发展潜力。本项目主要研究压电纳米纤维膜的结构、振动基底材料及结构、固定框架形态等影响声电转换器件频率响应性能的因素，明确了上述各种因素的协同作用机制，提出了满足不同场合需求的声电转换器件的设计原则，拓展研究了更多种新型压电聚合物纳米纤维膜的声电转换性能，推动静电纺压电聚合物纳米纤维膜声电转换器件的多样化应用。