电子器件的快速发展和广泛应用,为人类的生活带来极大的便利。但是如何在使用过程中为这些电子器件持续性地供电或者定期充电却是一个非常棘手的问题。为了解决这一问题,人们尝试从环境中收集各种形式的能量,并将之转化为电能来驱动电子器件,以构建出自供能系统。声波能量作为环境中常见的一种机械能,却由于缺乏有效的收集方法而一直被忽视和浪费。如果能够设计出合理的能量收集装置将这部分能量收集起来并转化为电能,它将能够满足基础设施监控、环境监控等领域中传感系统的能源需求。近年来新出现的纳米发电器件-摩擦纳米发电机能够持续收集环境中微弱、无规则的机械能并将其转化为电能,它为声波能量的收集和利用提供了新的方法。本论文针对环境中声波能量的特点,开展了声波驱动摩擦纳米发电机的设计及结构优化相关的研究工作。基于摩擦起电现象和静电感应效应,我们首先设计并制作出一种能够有效收集声波能量的摩擦纳米发电机。该声波驱动摩擦纳米发电机的输出电流可以达到0.45 mA,是当时最高纪录的28倍。最重要的是,这种摩擦纳米发电机不需要结构复杂的共振箱就可以正常工作,解决了目前声波驱动摩擦纳米发电机结构过于复杂的问题,而且它对50 Hz到450 Hz频率范围内的声音都具有良好的响应,实现了对宽频谱声波能量的收集。为了进一步提高声波驱动摩擦纳米发电机的输出性能,我们又设计出一种由多个工作单元组成的三维立体结构,其最大输出电流和输出电压可以达到2.1 mA和232 V,分别是原来声波驱动摩擦纳米发电机的4.6倍和2.6倍。然后考虑到在实际应用中除了声波驱动摩擦纳米发电机的输出性能,我们还需要考虑应用环境对摩擦纳米发电机的影响。环境中的灰尘、湿气以及雨水等能够直接作用在摩擦面上从而降低摩擦纳米发电机的输出性能。因此,我们基于已有的工作设计出一种密闭型声波驱动摩擦纳米发电机,它的最大输出电压和电流分别为72 V和0.66 mA。该摩擦纳米发电机的密闭型结构可以将环境中的灰尘和湿气隔离在外,使它内部的摩擦层不受环境因素的影响,从而能够在多灰尘和潮湿的环境中保持稳定的输出。最后我们从实验和模拟计算两方面证实摩擦电荷数量随着摩擦层厚度的增加先增加,然后趋于平稳;而且较低的载流子浓度和较小的电子迁移率能够有效地降低摩擦电荷的复合,从而会大幅度提高摩擦纳米发电机的输出电荷量。以此为基础,我们利用PS和PVDF构建出一种复合摩擦层,它能够显著地提高摩擦纳米发电机的输出电荷量。利用这种PVDF/PS复合摩擦层制作出声波驱动摩擦发电机,它的最大输出电荷量是纯PVDF摩擦层的4.5倍,相应的输出能量提高了19倍。这个研究不仅有效地提高了声波驱动摩擦纳米发电机的输出性能,还为其它类型摩擦纳米发电机的进一步优化提供了新的思路。