CN104702152A - 基于声学超材料的低频和宽频噪声发电装置 - Google Patents

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贾海燕
吴莉
陶威
王晓丹
王晓乐
黄震宇
叶杰明
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Abstract

本发明公开一种基于声学超材料的低频噪声发电装置，包括呈中空的螺旋状的基体板、弹性软薄膜层、两块永磁体和两根导线；所述的弹性软薄膜层嵌入在所述的基体板中空处的中部，异极相对的两块永磁体分别位于该弹性软薄膜层的上下两侧，通过磁力和弹性软薄膜层紧密固定在一起；所述的基体板上下表面分别开有槽，供所述的导线放置，当声波入射时，能激起薄膜上的永磁体较大振幅的振动，从而改变通过基体板的电磁场分布，产生感应电动势。本发明可以有效吸收环境中的低频噪声，降噪的同时还能获取电能，实现了能量的有效利用。

Description

基于声学超材料的低频和宽频噪声发电装置
技术领域
本发明涉及声学超材料技术领域，具体是一种基于声学超材料的低频和宽频噪声发电装置。
背景技术
现代社会的噪声主要是低频噪声，包括交通低频噪声和电器低频噪声。人们对噪声的处理主要是用低频隔音材料隔离，效果不佳而且没有有效得对能量加以利用。另外，由于低频噪声能量密度低，穿透力强，普通的噪声发电装置无法将其有效利用。
声学超材料是最近非常热门的一类自然界没有的具有特殊性质的用于声学的人造材料。目前，声学超材料已普遍用于声学隐形以及声学棱镜，低频高效隔声，能量吸收等领域，但尚未用于噪声发电领域。
局域共振声子晶体由香港科技大学刘正猷等人，首次用硅胶包覆铅球嵌入在环氧树脂基体中，弹性波以及声波传播到此类结构时，由于受到硅胶和铅球的振动影响，导致一部分频段的声波无法继续向前传播，形成了禁带。这一发现实现了小尺寸控制大波长，广泛的应用于低频振动噪声隔绝中。
声波无处不在，若能将声波加以收集利用，可以获得很大的社会效益和经济效益。声能发电技术主要分为压电式声能发电技术、电磁式声能发电技术以及声振式发电技术。
发明内容
本发明的目的在于解决现代社会低频噪声污染大的问题，提供一种基于声学超材料的低频和宽频噪声发电装置，将噪声合理利用，获得较高的转换效率。产品可以做成高速公路或者工地边上的遮声板，将汽车和机器的噪音转换为路灯或者指示灯所需的电能，也可以安装在低频电器或者KTV包厢的四周，隔绝其发出的噪声，并将产生的电能通过储能机构存储起来。
本发明的发明目的通过以下技术方案实现：
一种基于声学超材料的低频噪声发电装置，其特点在于，包括呈中空的螺旋状的基体板、弹性软薄膜层、两块永磁体和两根导线；
所述的弹性软薄膜层嵌入在所述的基体板中空处的中部，异极相对的两块永磁体分别位于该弹性软薄膜层的上下两侧，通过磁力和弹性软薄膜层紧密固定在一起；
所述的基体板上下表面分别开有槽，供所述的导线放置。
所述的弹性软薄膜层的边缘与所述的基体板的中部螺旋孔的边缘粘接。
所述的基体板是由杨氏模量大于1Gpa的硬质材料制成、且导电性好。
所述的弹性软薄膜层是由杨氏模量小于0.1Gpa的软性材料制成。
所述的弹性软薄膜层是硅橡胶膜、丁苯橡胶膜或乳胶膜。
所述的基体板的外形为圆形或正方形，基体板的厚度为0.1-0.2mm,不超过100层螺旋层。
一种宽频噪声发电装置，其特点在于，由多个所述的低频噪声发电装置周期性排列组成，且每个低频噪声发电装置的导线与下一个低频噪声发电装置的带相反极性的导线相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)结构简单，易于设计和制造；
2)通过选择永磁体的质量或者薄膜的杨氏模量，可以让能量转换效率最高的位置位于噪声的峰值处，可以有效减少其它方式难以隔绝的低频噪声污染；
3)共振位置附近的磁铁振动幅度很大，能够得到较高的能量转换效率；
4)有效吸收环境中的低频噪声，降噪的同时还能获取电能，实现了能量的有效利用。
附图说明
图1是本发明基于声学超材料的低频噪声发电装置结构示意图，即单个结构图，其中(a)为俯视图(b)为正视图。
图2是本发明基于声学超材料的宽频噪声发电装置结构示意图，即多个单元组合结构图。
图3是共振图，即声波入射结构产生共振时的整形图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图1，图1是本发明基于声学超材料的低频噪声发电装置结构示意图，即单个结构图。如图所示，一种基于声学超材料的低频噪声发电装置，包括导电性能良好的材料制成的螺旋形基体板1和弹性软薄膜层2，处于弹性软薄膜层2上表面和下表面的永磁体3，外接导线4。弹性软薄膜层2为弹性良好的硅橡胶薄膜或者乳胶膜。螺旋形基体板有中心孔，中间某一层孔的边缘和薄膜的边缘固定连接，两块异极相对的永磁体分别位于弹性软薄膜层2两侧，通过磁力和弹性软薄膜层2紧密固定在一起，螺旋形基体板的上下两端分别连接导线。
当声波入射时，尤其是低频声波入射能激起薄膜上的永磁体较大振幅的振动，当声波频率和结构自身特征频率一致时，会产生共振现象，如图3所示，此时永磁体的振动幅度最大，入射的声能几乎都被结构吸收成振动能。永磁体振动时，会改变通过基体螺旋板的电磁场分布，根据法拉第定律，会产生感应电动势，再通过外接导线现成回路，从而产生感应电流，起到发电的作用。共振的时候，声能转成电能的效率达到最大值。
基体板材料可以用铝或者铜这两种性价比较高的良导体材料，但不限于这两种，也可以用其它金属代替。将基体板设计成多层的螺旋形结构主要是为了大大提高产生的感应电动势，层数越多，产生的感应电动势越大。基体板的外形可以是圆形也可以是正方形等任意形状，单层螺旋板的厚度为0.1-0.2mm,螺旋形结构总共的层数不超过100层。弹性软薄膜层嵌入在结构的中心层，厚度可以与螺旋板的一层一致，也可以略小或者略大，连接处用胶水粘接。孔的形状可以是圆形也可以是别的形状。螺旋形基体板的上下两端不能接触在一起，需用导线引出，以阻断环形感应电流的产生，只形成电动势，通过导线将感应电动势通过导线导出接入到用电器，从而形成电流。永磁体有两个作用，第一个作用是构成配重块，利用其较大的杨氏模量和密度，作为弹簧振子模型中的振子，弹性薄膜的杨氏模量很低，作为弹簧振子模型中的振子，两者加上铝板基体一同组成了局域共振声子晶体这一声学超材料。由弹簧振子模型可得，永磁体质量m越大，弹性软薄膜层的杨氏模量k越小,整个结构的共振频率w也越小，可以选取合适的k与m将共振频率调节在低频范围内，同时也可以根据噪声源的频段，选取合适的永磁体质量与薄膜的杨氏模量，将结构的共振频段控制在噪声频段中。这样，当声波入射时，会激起结构单元的振动，而且永磁体的振幅会很大，振动的能量也大，单位时间内通过螺旋板的磁通量改变量也会很大，从而产生大的电动势。第二个作用是产生稳定的电磁场，当永磁体振动时，稳定的电磁场即变成变化的电磁场，通过铝板的磁通量发生改变，根据麦克斯韦方程可得，E＝nΔψ/Δt，其中Δt为很小的时间间隔，Δψ为Δt时间内改变的磁通量，n为基体螺旋形板的圈数，结构两端导线即产生一个电势差E，将电势差用导线导出，即可产生电流。在实际应用中，由于声能分布不均匀，单一结构产生的能量不够大，一般都会将多个单元输出的电能送入整流装置中整流，这样可以获得更平稳的电能输出，提高电能利用率。另外，上述低频噪声发电装置，单个结构往往过小，不能阻断整个噪声通道，所以需要多个结构组合。往往沿着平面周期性排列，这样可以在声波的传播路径中形成一个完整的屏障，以获得更大效率的噪声吸收以及发电效率。需要注意的，当采用多个单元组合时，单元与单元之间一定需要用绝缘层隔开，另外，单元与单元之间的距离也不能过近，避免一个单元的磁通量影响到附近单元。同时，当噪声的频谱峰值范围比较宽的时候，单个结构的共振峰值无法覆盖噪声频谱的时候，需要多个不同质量永磁体组成的单个结构周期性排列组成，或者采用统一质量的永磁体，但是永磁体固定于薄膜的不同位置，这样的复合结构可以很好的成为一个宽频噪声发电装置。还可以将导线连接至储能机构或者小型用电器，将产生的电能存储起来。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于声学超材料的低频噪声发电装置，其特征在于，包括呈中空的螺旋状的基体板(1)、弹性软薄膜层(2)、两块永磁体(3)和两根导线(4)；
所述的弹性软薄膜层(2)嵌入在所述的基体板(1)中空处的中部，异极相对的两块永磁体(3)分别位于该弹性软薄膜层(2)的上下两侧，通过磁场力和弹性软薄膜层(2)紧密固定在一起；
所述的基体板(1)上下表面分别开有槽，供所述的导线(4)放置。
2.根据权利要求1所述的基于声学超材料的低频噪声发电装置，其特征在于，所述的弹性软薄膜层(2)的边缘与所述的基体板(1)的中部螺旋孔的边缘粘接。
3.根据权利要求1所述的基于声学超材料的低频噪声发电装置，其特征在于，所述的基体板(1)是由杨氏模量大于1Gpa的硬质材料制成、且导电性好。
4.根据权利要求1所述的基于声学超材料的低频噪声发电装置，其特征在于，所述的弹性软薄膜层(2)是由杨氏模量小于0.1Gpa的软性材料制成。
5.根据权利要求4所述的基于声学超材料的低频噪声发电装置，其特征在于，所述的弹性软薄膜层是硅橡胶膜、丁苯橡胶膜或乳胶膜。
6.根据权利要求1所述的基于声学超材料的低频噪声发电装置，其特征在于，所述的基体板(1)的外形为圆形或正方形，基体板(1)的厚度为0.1-0.2mm,不超过100层螺旋层。
7.一种宽频噪声发电装置，其特征在于，由多个权利要求1-6任一项所述的低频噪声发电装置周期性排列组成，且每个低频噪声发电装置的导线(4)与下一个低频噪声发电装置的带相反极性的导线(4)相连。
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