一种宽频声能回收装置

摘要

本发明涉及一种宽频声能回收装置，该声能回收装置为1/4波长管声子晶体，所述的1/4波长管声子晶体包括声波导管和多个1/4波长管，所述的1/4波长管固定在所述的声波导管的外壁面上，所述的1/4波长管上设有压电振子充当换能器，将声能转换成电能。与现有技术相比，本发明具有回收声能的频带宽、结构简单、制造方便等优点。

权利要求

1.一种宽频声能回收装置，其特征在于，该声能回收装置为1/4波长管声子晶体，所述的1/4波长管声子晶体包括声波导管和多个1/4波长管，所述的1/4波长管固定在所述的声波导管的外壁面上，所述的1/4波长管上设有压电振子充当换能器，将声能转换成电能；

所述的声波导管的壁面上设有多排通孔，所述的通孔的形状与所述的1/4波长管的截面形状相同，所述的1/4波长管的一端与所述的通孔密封对接，另一端上固定所述的压电振子。

2.根据权利要求1所述的一种宽频声能回收装置，其特征在于，所述的声波导管外壁面上设有至少一排1/4波长管。

3.根据权利要求2所述的一种宽频声能回收装置，其特征在于，所述的一排上相邻的1/

4波长管之间距离相等。

4.根据权利要求1所述的一种宽频声能回收装置，其特征在于，所述的声波导管截面形状为正方形、矩形、三角形或六边形。

5.根据权利要求1所述的一种宽频声能回收装置，其特征在于，所述的1/4波长管截面形状为圆形、正方形、矩形、三角形或六边形。

6.根据权利要求1所述的一种宽频声能回收装置，其特征在于，所述的压电振子为压电单晶片、压电双晶片或PVDF压电薄膜。

7.根据权利要求6所述的一种宽频声能回收装置，其特征在于，所述的压电单晶片的基板为矩形磷铜薄片，压电层为PZT-5H压电陶瓷圆形薄片。

8.根据权利要求1所述的一种宽频声能回收装置，其特征在于，所述的1/4波长管和声波导管均由铝合金、有机玻璃或铸铁制成。

9.根据权利要求8所述的一种宽频声能回收装置，其特征在于，所述的有机玻璃的密度为ρPMMA＝1190kg/m3，纵波波速为cPMMA＝2694m/s。

说明书

一种宽频声能回收装置

技术领域

[0001] 本发明属于能量回收装置技术领域，尤其是涉及一种宽频声能回收装置。

背景技术

[0002] 近年来，微机电系统、无线传感器在环境监测领域得到广泛的使用，其电源多由化学电池供给，需要定期更换。回收环境中能量为无线传感器供电可减少化学电池使用量，具有显著的经济价值和社会环境效益。声能是一种广泛存在，可持续获取的绿色声源。将环境中蕴藏的巨大声能量进行有效回收，为自供电传感器提供可靠的能量来源、营造健康的声学环境，具有显著的经济价值和社会效益，可服务于国家微能源战略。

[0003] 声子晶体是一种具有周期结构的新型功能材料，凭借其丰富且优越的声学和振动特性，引起了广泛关注。根据带隙产生机理声子晶体可分为Bragg散射型声子晶体和局域共振型声子晶体。对于前者，适当地引入点缺陷或线缺陷，就可以在结构中形成高Q值共振腔或者声波导，这一特性使其具有应用于各种声学器件和装置中的潜在优势；对于后者，合理地匹配结构参数，即可在中、低频范围内开辟若干个带隙，利用其带边模态可实现声能或振动能的局域化。

[0004] 目前，声能量回收装置主要是通过赫姆霍兹共振原理或Bragg声子晶体缺陷态共振原理实现声能局域化，再经由压电换能器实现声电转换。上述两种装置仅对个别频段上的窄带声敏感，而环境声多分布在较宽的频带上，这一特性决定了其将错失大部分环境声能量，难以实现高效回收。

发明内容

[0005] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种频带宽、结构简单、制造方便的宽频声能回收装置，将局域共振声子晶体特性与共鸣器共振机理结合，设计出对中、低频范围宽频声敏感程度较高的声能回收装置，可用于回收工业生产、交通运输、航空航天和社会生活中所产生的环境噪声。

[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种宽频声能回收装置，该声能回收装置利用1/4波长管声子晶体将声波局域化，实现局域共振效应，即实现声波在局部区域的声压放大、声能聚焦，所述的1/4波长管声子晶体包括声波导管和多个1/4波长管，所述的1/4波长管固定在所述的声波导管的外壁面上，所述的1/4波长管上设有压电振子充当换能器，将声能转换成电能，通过改变结构参数可实现声能回收装置的动态调节。

[0007] 所述的声波导管外壁面上设有至少一排1/4波长管。

[0008] 所述的一排上相邻的1/4波长管之间距离相等。

[0009] 所述的声波导管的壁面上设有多排通孔，所述的通孔的形状与所述的1/4波长管的截面形状相同，所述的1/4波长管的一端开口与所述的通孔通过粘合剂密封对接，另一端为封闭端，并在封闭端上通过粘合剂固定所述的压电振子，用于接收声压波动以产生电能。所述的1/4波长管为刚性壁面围成的空心管。相邻两个通孔的中心距相等。

[0010] 所述的声波导管截面形状为正方形、矩形、三角形或六边形等多边形。

[0011] 所述的1/4波长管截面形状为圆形、正方形、矩形、三角形或六边形等多边形。

[0012] 优先选择截面形状为正方形的1/4波长管，所述的1/4波长管以一维阵列的形式排布于声波导管的外侧壁面上。

[0013] 所述的压电振子为压电单晶片、压电双晶片或PVDF压电薄膜等。

[0014] 所述的压电单晶片的基板为矩形磷铜薄片，压电层为PZT-5H压电陶瓷圆形薄片。

[0015] 压电振子宜采用厚度较薄、刚度较小的压电单晶片或PVDF压电薄膜以获得更大的变形量，产生更多的电能。

[0016] 所述的1/4波长管和声波导管由铝合金、有机玻璃或铸铁等声学阻抗较大的材料制成，壁面厚度大于5mm，避免结构振动产生能量耗散。

[0017] 所述的有机玻璃的密度为ρPMMA＝1190kg/m3，纵波波速为cPMMA＝2694m/s。

[0018] 所述的压电振子优先选择为压电单晶片，其下层基板为矩形，上层压电陶瓷为圆形，下层基板由磷铜制成，质量密度为ρPVDF＝1780kg/m3，杨氏弹性模量为ECu＝120GPa，泊松比为vCu＝0.32。所述压电陶瓷由PZT-5H制成，质量密度为ρPZT-5H＝7400kg/m3，杨氏弹性模量为EPZT-5H＝40GPa，泊松比为vPZT-5H＝0.3，d31模态下压电常数为d31＝750pC/N。

[0019] 本发明1/4波长管声子晶体的声局域化效果主要受以下因素影响：1/4波长管的几何结构、1/4波长管之间的距离、1/4波长管声子晶体中所包含的单元个数、1/4波长管截面积与声波导管截面积的相对大小、1/4波长管的排列结构、压电振子结构及布置形式。通过调节和改变上述因素可获得满足频率要求、具有良好声局域化效果的1/4波长管声子晶体，为压电振子上施加更大的激振力，提高电能回收效率。

[0020] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：

[0021] (1)本发明通过构造1/4波长管声子晶体，在1000Hz下可以获得一个低频局域共振带隙，利用其带隙边界模态下的共振特性可实现声波局域化，即实现声音在局部区域的声压放大、声能聚焦；

[0022] (2)本发明利用压电效应，即在1/4波长管声子晶体的局域共振区域置入压电振子，将声能转化成电能，可用于回收工业生产、交通运输、航空航天和社会生活中所产生的环境噪声；

[0023] (3)本发明通过改变1/4波长管声子晶体的结构参数实现回收声能的频率动态调节，可实现对1000Hz以下多个分立频段上声能量的回收；

[0024] (4)本发明声波导管和1/4波长管的壁面厚度大于5mm，避免结构振动产生能量耗散；

[0025] (5)本申请发明的声能回收装置结构简单、制造方便。

附图说明

[0026] 图1为本申请实施例1中1/4波长管声子晶体的结构示意图；

[0027] 图2为基于传递矩阵法计算获得的1/4波长管声子晶体的能带图；

[0028] 图3为在带隙上下边界对应频率(721Hz、744Hz、844Hz、880Hz)声波激励下(声源位于声波导管左侧入口)1/4波长管声子晶体内部声压分布图；

[0029] 图4为7周期1/4波长管声子晶体在扫频声波激励下的电压输出频谱；

[0030] 图中标识为：1—声波导管，2—1/4波长管，3—压电振子。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

[0032] 实施例1

[0033] 一种宽频声能回收装置，该声能回收装置利用1/4波长管声子晶体将声波局域化，实现局域共振效应，即实现声波在局部区域的声压放大、声能聚焦，1/4波长管声子晶体包括声波导管1和多个1/4波长管2，声波导管1的壁面上设有多排通孔，每一排相邻两个通孔的中心距相等，通孔的形状与1/4波长管2的截面形状相同，1/4波长管2为刚性壁面围成的空心管，一端开口通过粘合剂与通孔密封对接，另一端为封闭端，并在封闭端上通过粘合剂固定压电振子3，用于接收声压波动，将声能转换成电能。

[0034] 本发明的1/4波长管声子晶体的声局域化效果主要受以下因素影响：1/4波长管2的几何结构、1/4波长管2轴线间的距离、1/4波长管声子晶体中所包含的1/4波长管2的个数、1/4波长管2的截面积与声波导管1截面积的相对大小、1/4波长管2的排列结构、压电振子3结构及布置形式。通过调节和改变上述因素可获得满足频率要求、具有良好声局域化效果的1/4波长管声子晶体，为压电振子3上施加更大的激振力，提高电能回收效率。

[0035] 如图1所示，本实施例的1/4波长管2采用有机玻璃制成，其长度为10cm，截面形状为2cm×2cm的正方形，有机玻璃的密度为ρPMMA＝1190kg/m3，纵波波速为cPMMA＝2694m/s。声波导管1采用有机玻璃制成，其截面形状为5cm×5cm的正方形，长度为80cm，有机玻璃的密度为ρPMMA＝1190kg/m3，纵波波速为cPMMA＝2694m/s。1/4波长管2和声波导管1的壁面厚度为6mm，在声波导管1的一个壁面上加工7个2cm×2cm正方形通孔，所有通孔呈一字形排布，相邻两个通孔的中心距为10cm，将7个1/4波长管2的一端通过专用粘合剂分别与通孔对接，粘合时保证气密性，再将7个压电振子3通过粘合剂布置于1/4波长管2的另一端，压电振子3为压电单晶片，其中下层为正方形磷铜基板(厚度为0.2mm)，质量密度为ρPVDF＝1780kg/m3，杨氏弹性模量为ECu＝120GPa，泊松比为vCu＝0.32。压电层为圆形薄片PZT压电陶瓷(厚度为
0.2mm)，质量密度为ρPZT-5H＝7400kg/m3，杨氏弹性模量为EPZT-5H＝40GPa，泊松比为vPZT-5H＝
0.3，d31模态下压电常数为d31＝750pC/N，基板与压电层采用合适的工艺连为一体。

[0036] 本发明利用1/4波长管声子晶体在带隙边界频率下对声波的局域化作用，将特定频段内的声波积聚在1/4波长管2内部，形成高声压区，以此激励放置在各1/4波长管2顶端的压电振子3强迫振动，实现声电转化。如图2所示为基于传递矩阵法计算获得的1/4波长管声子晶体的能带图，从图2中可以看出其声带隙频率范围是776Hz—830Hz，该频率范围内的声波无法穿透1/4波长管声子晶体。如图3中图(3a)、图(3b)、图(3c)及图(3d)分别表示1/4波长管声子晶体在721Hz、744Hz、844Hz及880Hz的声波激励下的声压分布云图，从图3中可以看出，在这些频率上，各个1/4波长管2内部声压明显升高(图3中数值的绝对值越大，表示声压越高，声局域化效果即声压放大倍数越高，电能回收效率越高)，表现出不同程度的声局域化特性，放大的声压可用于激励压电振子3振动以产生电能。这是由于在靠近带隙边界处，各个1/4波长管2入口处的声阻抗率迅速降低，压电振子3的共振特性骤然增强所致，不仅如此，各个1/4波长管之间的强耦合作用使上述局域共振效应更加强烈。图4中图(4a)—图(4g)反映了1/4波长管声子晶体上不同位置的压电振子3的负载电压随入射声波频率的变化规律。从图(4a)—图(4g)可以看出，各1/4波长管(除第一、二管外)对应负载在1/4波长管声子晶体带隙频率范围内输出电压较小，而在带隙左右边界对应频率附近出现数个电压峰值，拓宽了声能回收频带，体现出良好的声电转化效果，以上结果说明该声能回收装置具有多个敏感频率，适用于回收环境中出现较多的宽频声能量。

[0037] 实施例2

[0038] 本实施例采用的1/4波长管2的横截面形状为圆形，声波导管1的截面形状为矩形，1/4波长管2和声波导管1采用铝合金制成，壁面厚度为6mm，压电振子3为压电双晶片，其余同实施例1。

[0039] 实施例3

[0040] 本实施例采用的1/4波长管2的横截面形状为六边形，声波导管1的截面形状为三角形，压电振子3为PVDF压电薄膜，1/4波长管2采用铸铁制成，壁面厚度为8mm，声波导管1采用铝合金制成，壁面厚度为10mm，其余同实施例1。