CN105281599A - 一种采用声子晶体与机电赫姆霍兹谐振器式声能采集器 - Google Patents
一种采用声子晶体与机电赫姆霍兹谐振器式声能采集器 Download PDFInfo
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Abstract
一种采用声子晶体与机电赫姆霍兹谐振器式声能采集器，包括机电赫姆霍兹谐振器、声子晶体谐振腔（１）、支撑柱（４）、基座（５）；机电赫姆霍兹谐振器由复合压电换能器（３）和赫姆霍兹谐振腔（２）组成。机电赫姆霍兹谐振器处于声子晶体谐振腔的中心位置，并通过支撑柱固定在底座上，而声子晶体谐振腔体通过粘合固定在底座上；入射声波顺序通过声子晶体谐振腔和赫姆霍兹谐振腔的汇聚放大作用之后驱动复合压电换能器振动，因此复合压电换能器产生形变而输出电信号，实现声-机-电的转换，可以应用于复杂环境下的具有多方向、能量密度低特点的声能采集，为各种无线传感器和微机电系统提供电能。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用声子晶体与机电赫姆霍兹谐振器式子声能采集器，属新型能量采集技术领域。
背景技术
在过去的十几年，采集周端环境能量来供电无人自治系统得到了广泛的研究；采集的能量源包括太阳能、振动能、电磁场、流体能及热能能量等。声能是另一种潜在可用的清洁能源，如何有效采集这些环境中普遍存在的声能并转化为电能，得到了广泛的关注和研究。一些声能采集系统已经被提出，从汇聚声能的角度可分为直接声能采集、采用赫姆霍兹谐振腔的声能采集、采用声子晶体结构的声能采集三种；从换能的角度可分为静电式、电磁式、压电式、磁电式四种。在此基础上，研究者相继设计了一些声能采集器，如：公开号CN103701360A公开了一种压电式声音发电机，公开号CN101335463公开了一种声能发电方法及装置，CN202353423U公开了一种声音发电电子产品等；公开号CN201656733U公开了一种采用赫姆霍兹谐振腔的电磁式声能发电装置。
采用直接声能采集技术的采集器体积小，输出功率也很低。采用赫姆霍兹谐振腔的声能采集技术受限于单方向的声能量采集。采用声子晶体谐振器的声能采集技术因为其声放大能力并不强，所以采集效率并不高效。
发明内容
本发明的目的是，根据现有技术采用赫姆霍兹谐振腔声能采集存在的问题，本发明提出一种采用声子晶体与机电赫姆霍兹谐振器式子声能采集器，以实现声能采集器的多方向高效响应特性。
实现本发明的技术方案是，一种采用声子晶体与机电赫姆霍兹谐振器式子声能采集器包括机电赫姆霍兹谐振器、声子晶体谐振腔、支撑柱和基座。
机电赫姆霍兹谐振器处于声子晶体谐振腔的中心位置，并通过支撑柱固定在底座上，而多个声子晶体谐振腔体等间距分布在机电赫姆霍兹谐振器的四周，通过粘合固定在底座上。
机电赫姆霍兹谐振器由复合压电换能器和赫姆霍兹谐振腔组成；赫姆霍兹谐振器安装在复合压电换能器上部。
入射声波顺序通过声子晶体谐振腔和赫姆霍兹谐振腔的汇聚放大作用之后驱动复合压电换能器振动，因此复合压电换能器产生形变而输出电信号，实现声-机-电的转换。
所述复合压电换能器采用弹性金属片与压电材料复合结构，由弹性金属片与压电材料粘合而成。相比于电磁式换能器（动圈式），它具有更高的电压输出、更简单的结构、更小的体积和损耗。压电材料与弹性金属片的复合与单独使用柔性压电材料的结构相比，具有更好机械性能、更高的输出，能够更好地保护压电材料。
所述声子晶体谐振腔为采用圆柱体散射体的声子晶体谐振器，即含中心点缺陷的圆柱体正方阵列结构。
本发明采用圆柱体散射体的声子晶体谐振腔与赫姆霍兹谐振腔相比，因为其结构本身具有二维平面内的对称性和中心缺陷的局域化效应，所以可以很好地采集多个方向的入射声波能量，并把声能局限在腔中心位置。处于声子晶体谐振腔中心位置的机电赫姆霍兹谐振器又可以进一步高效地汇聚声能并驱动其背腔位置的复合压电换能器将振动转换为电能，从而实现多方向高效声能采集。
本发明中声子晶体谐振腔圆柱体散射体的数量、间距可调。
本发明中声子晶体谐振腔采用的散射体形状可调，所述声子晶体谐振腔的横截面形状可为正方形、多边形、椭圆形或矩形。
本发明中机电赫姆霍兹谐振器的开口取向及大小可调。
本发明中机电赫姆霍兹谐振器的复合压电换能器结构和材料可调。
本发明的有益效果是，本发明采用机电赫姆霍兹谐振器与声子晶体谐振腔的结合可实现非常高效的声能采集。机电赫姆霍兹谐振器本身是一种高效声能采集器，它具有较强的声波放大和声能汇聚能力。当有效组合机电赫姆霍兹谐振器与声子晶体谐振腔构成谐振耦合结构时，耦合结构的声波放大和声能汇聚能力将大大提高，从而实现非常高效的声能采集效率。本发明采用声子晶体谐振腔可以实现多方向的声能采集。声子晶体谐振腔本身的结构的对称性导致其对声波响应的多方向性，又因为其本身结构的声波局域化效应，所以可以将多个方向入射的声波局限在其腔中心附近。
本发明可应用于复杂环境下的具有多方向、能量密度低特点的声能采集，为各种无线传感器和微机电系统提供电能。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明中声子晶体谐振腔结构俯视图；
图3是本发明中机电赫姆霍兹谐振器的结构示意图；
图4是本发明中复合压电换能器的结构示意图；
图中：声子晶体谐振腔1；赫姆霍兹谐振腔2；复合压电换能器3；支撑柱4；基座5。
具体实施方式
本发明的具体实施方式如图1所示，
本实施例一种采用声子晶体与机电赫姆霍兹谐振器式子声能采集器包括机电赫姆霍兹谐振器、声子晶体谐振腔１、支撑柱４和基座５。
声子晶体谐振腔1由24根圆棒（1-1、1-2、...、1-24）等间距沿同一平面内相互垂直的两个方向阵列而成，并将其底部粘合在底座5上。机电赫姆霍兹谐振器由赫姆霍兹谐振腔2和复合压电换能器3构成，复合压电换能器3以周端固定的方式粘合在赫姆霍兹谐振腔2的背腔位置；其中复合压电换能器3由压电片3-2粘合在弹性金属片3-1上而成。机电赫姆霍兹谐振器和声子晶体谐振腔的组合是通过支撑柱4支撑机电赫姆霍兹谐振器腔体矗立于底座5上而成。
声子晶体谐振腔的散射体圆棒、支撑柱、外壳的材料均为有机玻璃；赫姆霍兹谐振腔的材料为铝；弹性金属片的材料为铍青铜；压电片的材料为压电陶瓷PZT-5H。
上述例子中，当外部声波从任一方向入射时，声子晶体谐振腔首先将声波放大并局限在其腔中心；而处于声子晶体谐振腔中心的机电赫姆霍兹谐振器进一步放大汇聚腔中心声波；最后增强的声波驱动复合压电换能器振动而产生电信号输出，实现将声能转换为电能，从而实现多方向高效声能采集。
Claims (6)
1.一种采用声子晶体与机电赫姆霍兹谐振器式子声能采集器，其特征在于，所述采集器包括机电赫姆霍兹谐振器、声子晶体谐振腔、支撑柱和基座；所述机电赫姆霍兹谐振器处于声子晶体谐振腔的中心位置，并通过支撑柱固定在底座上，而多个声子晶体谐振腔体等间距分布在机电赫姆霍兹谐振器的四周，通过粘合固定在底座上；所述机电赫姆霍兹谐振器由复合压电换能器和赫姆霍兹谐振腔组成；赫姆霍兹谐振器安装在复合压电换能器上部；
入射声波顺序通过声子晶体谐振腔和赫姆霍兹谐振腔的汇聚放大作用之后驱动复合压电换能器振动，复合压电换能器产生形变而输出电信号，实现声-机-电的转换。
2.根据权利要求１所述一种采用声子晶体与机电赫姆霍兹谐振器式子声能采集器，其特征在于，所述复合压电换能器采用弹性金属片与压电材料复合结构，由弹性金属片与压电材料粘合而成。
3.根据权利要求１所述一种采用声子晶体与机电赫姆霍兹谐振器式子声能采集器，其特征在于，所述声子晶体谐振腔为采用圆柱体散射体的声子晶体谐振器，即含中心点缺陷的圆柱体正方阵列结构。
4.根据权利要求１所述一种采用声子晶体与机电赫姆霍兹谐振器式子声能采集器，其特征在于，所述声子晶体谐振腔圆柱体散射体的数量、间距可调。
5.根据权利要求１所述一种采用声子晶体与机电赫姆霍兹谐振器式子声能采集器，其特征在于，所述声子晶体谐振腔采用的散射体形状可调，所述声子晶体谐振腔的横截面形状可为正方形、多边形、椭圆形或矩形。
6.根据权利要求１所述一种采用声子晶体与机电赫姆霍兹谐振器式子声能采集器，其特征在于，所述机电赫姆霍兹谐振器的开口取向及大小可调。
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