CN105391149B - 基于薄膜振动为led灯提供电源的方法 - Google Patents
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Abstract
基于薄膜振动为LED灯提供电源的绿色方法，属于环保领域，本发明为解决现有室内噪声不能有效利用，造成能源浪费的问题。本发明方法为：将多个声转电单元排布成一层或多层m×n阵列结构，每个声转电单元包括方形框固定支架、压电薄膜片、金属硬片和泡沫外层；依次将所有声转电单元的金属硬片和方形框固定支架的上表面串联，然后串联稳压二极管，将声波转成电能为LED灯提供电源；声转电单元接收低频声波，在某一频段引起压电薄膜片的反共振，设置在压电薄膜片上表面中心位置的金属硬片因反共振产生大幅度位移，对压电薄膜片产生应力，压电薄膜片在应力作用下产生应变，进而产生电压为LED灯供电。
Description
技术领域
本发明涉及一种能源回收再利用的方法，属于环保领域。
背景技术
目前，噪音污染越来越严重，特别是KTV和酒吧等公众场所。这些场所的噪音大多数都是大功率低音炮产生的，频率在70～125(dB)之间，低频声波穿透能力强，传播距离远，衰减系数低。人们一般通过在墙面加减振阻尼层和隔声层来减弱噪音的危害，并没有利用这些低频声波的能量，造成了能源浪费。
发明内容
本发明目的是为了解决现有室内噪声不能有效利用，造成能源浪费的问题，提供了一 种基于薄膜振动为LED灯提供电源的方法。
本发明包括两个技术方案：
第一个技术方案：本发明所述基于薄膜振动为LED灯提供电源的方法，该方法 为：将多个声转电单元排布成一层m×n阵列结构，每个声转电单元包括方形框固定支架、 压电薄膜片、金属硬片和泡沫外层；方形框固定支架为密闭空腔结构，方形框固定支架的 上表面镀有铜层，方形框固定支架的上表面设置有压电薄膜片，压电薄膜片的上表面中心 位置设置有金属硬片；在方形框固定支架的四周外侧壁设置有泡沫外层；
压电薄膜片的直径与方形框固定支架上表面的边长相等，压电薄膜片和方形框固定支 架之间采用导电银胶粘合，压电薄膜片的半径是金属硬片半径的2～5倍，包括边界值2倍和5倍，压电薄膜片和 金属硬片之间采用导电银胶粘合，压电薄膜片上表面空白部分涂绝缘漆；在与方形框固定 支架的一个边长平行的压电薄膜片的直径方向、绝缘漆上表面刷银浆，金属硬片通过银浆 延伸至边缘作为压电薄膜片的一个电极，方形框固定支架上表面作为压电薄膜片的另一个 电极；
依次将所有声转电单元用导线串联，然后串联稳压二极管，将声波转成电能为LED灯提供电源；
声转电单元接收低频声波，在某一频段引起压电薄膜片的反共振，设置在压电薄膜片 上表面中心位置的金属硬片因反共振产生大幅度位移，对压电薄膜片产生应力，压电薄膜 片在应力作用下产生应变，进而产生电压为LED灯供电。
第二个技术方案：本发明所述基于薄膜振动为LED灯提供电源的方法，该方法 为：将多个声转电单元多层叠加，每层均为m×n阵列结构，每个声转电单元包括方形框 固定支架、压电薄膜片和金属硬片；方形框固定支架为密闭空腔结构，方形框固定支架的 上表面镀有铜层，方形框固定支架的上表面设置有压电薄膜片，压电薄膜片的上表面中心 位置设置有金属硬片；同一位置的多层声转电单元的四周外侧壁设置有泡沫外层；同一位 置的多层声转电单元的之间留有空隙；
压电薄膜片2的直径与方形框固定支架1上表面的边长相等，压电薄膜片2和方形框 固定支架1之间采用导电银胶粘合，压电薄膜片2的半径是金属硬片3半径的2～5倍，包括边界值2倍和5倍， 压电薄膜片2和金属硬片3之间采用导电银胶粘合，压电薄膜片2上表面空白部分涂绝缘 漆；在与方形框固定支架1的一个边长平行的压电薄膜片2的直径方向、绝缘漆上表面刷 银浆，金属硬片3通过银浆延伸至边缘作为压电薄膜片2的一个电极，方形框固定支架1 上表面作为压电薄膜片2的另一个电极；
依次将每层所有声转电单元用导线串联，然后串联稳压二极管，将声波转成电能为 LED灯提供电源；
声转电单元接收低频声波，在某一频段引起压电薄膜片的反共振，设置在压电薄膜片 上表面中心位置的金属硬片因反共振产生大幅度位移，对压电薄膜片产生应力，压电薄膜 片在应力作用下产生应变，进而产生电压为LED灯供电。
本发明的优点：声波具有能量，能让薄膜结构产生共振，薄膜巨大的振幅能够产生一 定的电能。本发明在墙面上添加一种或多层薄膜超结构层，既可以吸收低频声波，又可以 将声波能量转化为电能，为功率较小的LED提供电源，达到一举两得的目的。
附图说明
图1是一层薄膜结构中一个声转电单元的结构示意图；
图2是电极连接原理图；
图3是图1的A-A剖视图；
图4是多层薄膜结构的结构示意图；
图5是图4的B-B剖视图；
图6是多层薄膜结构同一位置的多层声转电单元的剖视图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述基于薄膜振 动为LED灯提供电源的方法，该方法为：将多个声转电单元排布成一层m×n阵列 结构，每个声转电单元包括方形框固定支架1、压电薄膜片2、金属硬片3和泡沫外层4； 方形框固定支架1为密闭空腔结构，方形框固定支架1的上表面镀有铜层，方形框固定支 架1的上表面设置有压电薄膜片2，压电薄膜片2的上表面中心位置设置有金属硬片3； 在方形框固定支架1的四周外侧壁设置有泡沫外层4；
压电薄膜片2的直径与方形框固定支架1上表面的边长相等，压电薄膜片2和方形框 固定支架1之间采用导电银胶粘合，压电薄膜片2的半径是金属硬片3半径的2～5倍， 包括边界值2倍和5倍，压电薄膜片2和金属硬片3之间采用导电银胶粘合，压电薄膜片2上表面空白部分涂绝缘 漆；在与方形框固定支架1的一个边长平行的压电薄膜片2的直径方向、绝缘漆上表面刷 银浆，金属硬片3通过银浆延伸至边缘作为压电薄膜片2的一个电极，方形框固定支架1 上表面作为压电薄膜片2的另一个电极；
依次将所有声转电单元用导线串联，然后串联稳压二极管，将声波转成电能为LED灯提供电源；
声转电单元接收低频声波，在某一频段引起压电薄膜片2的反共振，设置在压电薄膜 片2上表面中心位置的金属硬片3因反共振产生大幅度位移，对压电薄膜片2产生应力，压电薄膜片2在应力作用下产生应变，进而产生电压为LED灯供电。
金属硬片3采用铜片来实现。
压电薄膜片2引起反共振的频段由方形框固定支架1的空腔厚度D决定。
当低频声波作用于压电薄膜片2时，会引起压电薄膜片2的共振和反共振。薄膜振动 是基于局域共振的，跟薄膜结构单元的形状没有关系，当然采用圆形时有效利用面积最大。 利用薄膜共振可以达到对噪声的超吸收效果(也就是某一频段的声音可以近乎完美的吸 收，达到百分之九十以上)，这个声音吸收频率范围也在20-200Hz左右，且吸收噪声的频率可以通过调整空腔的厚度来调节；同时，更为重要的是，本实施方式利用薄膜反共振进行发电，因为反共振的振幅是共振振幅的20倍左右，变形应力大，产生大量的电荷，将 压电薄膜片2极化，压电薄膜片2的正极和负极分别连接金属硬片3和镀铜的方形框固定 支架1的上表面，即压电薄膜片2的正负极被导线引出，将电量输出。
采用本实施方式的结构，相邻两个声转电单元之间电连接部分距离为泡沫外层4厚度 的两倍，引出导线最大程度的缩短，则在需要大量声转电单元的情况下，也不会因为导线 过长过乱而影响结构稳定性、或产生电干扰等问题。
压电薄膜片2中心粘附着金属硬片3，此种单元结构对低频声波的某一频段有着强烈 的吸收，达到吸收噪音的效果。反共振的振幅比共振的振幅大得多，利用反共振，压电薄膜片2中心粘附的金属硬片3运动的位移很大，压电薄膜片2在应力作用下应变很大，会 产生比较可观的电压。在金属硬片3和方形框固定支架1之间连接两根导线，两个导线的 输出端就会有微弱的电压输出。
Qi＝dijFj
Qi为声转电单元总的输出电荷，Fj为声转电单元承受的外力，dij为压电薄膜片2的 压电应变系数。
一个声转电单元的面积很小，可以做一个周期性阵列，大大增加声波作用面积。由于 单元结构简单，可以借助于3D打印，快速的制备。本单元的金属硬片3通过延伸出来的银浆与相邻下一个单元的方形框固定支架1镀铜的上表面用一根导线依次串联连接，相当于有一个串联电路，由于声音的不稳定性，可以在电路上添加稳压二极管起到一个保护作用，单层结构所有声转电单元的电压之和足以供给低功率LED灯的工作电源。
改变声转电单元的空腔的厚度D，低频声音高吸收的频段会发生变化，而共振和反共 振的频率也会有所改变。
具体实施方式二：下面结合图4至图6说明本实施方式，本实施方式所述基于薄膜振 动为LED灯提供电源的方法，该方法为：将多个声转电单元多层叠加，每层均为m ×n阵列结构，每个声转电单元包括方形框固定支架1、压电薄膜片2和金属硬片3；方 形框固定支架1为密闭空腔结构，方形框固定支架1的上表面镀有铜层，方形框固定支架 1的上表面设置有压电薄膜片2，压电薄膜片2的上表面中心位置设置有金属硬片3；同 一位置的多层声转电单元的四周外侧壁设置有泡沫外层4；同一位置的多层声转电单元的 之间留有空隙；
压电薄膜片2的直径与方形框固定支架1上表面的边长相等，压电薄膜片2和方形框 固定支架1之间采用导电银胶粘合，压电薄膜片2的半径是金属硬片3半径的2～5倍，包括边界值2倍和5倍， 压电薄膜片2和金属硬片3之间采用导电银胶粘合，压电薄膜片2上表面空白部分涂绝缘 漆；在与方形框固定支架1的一个边长平行的压电薄膜片2的直径方向、绝缘漆上表面刷 银浆，金属硬片3通过银浆延伸至边缘作为压电薄膜片2的一个电极，方形框固定支架1 上表面作为压电薄膜片2的另一个电极；
依次将每层所有声转电单元用导线串联，然后串联稳压二极管，将声波转成电能为 LED灯提供电源；
声转电单元接收低频声波，在某一频段引起压电薄膜片2的反共振，设置在压电薄膜 片2上表面中心位置的金属硬片3因反共振产生大幅度位移，对压电薄膜片2产生应力，压电薄膜片2在应力作用下产生应变，进而产生电压为LED灯供电。
金属硬片3采用铜片来实现。
压电薄膜片2引起反共振的频段由方形框固定支架1的空腔厚度决定。
每层结构的方形框固定支架1的空腔厚度相同或不同。
将薄膜结构层进行多层叠加，每一层吸收的低频声音频段有所不同，就会扩大噪音的 吸收范围，同时压电薄膜片2的反共振振幅大小不同，每一层薄膜结构层产生的电压是不 同的，可以供给不同功率的LED灯照明。
给出一个具体实施例：参见图4至图6，在KTV和酒吧等存在低频噪声的场所，墙 壁和地板粘附三层薄膜结构，每层为6×6阵列结构，压电薄膜片2的预应力为5×105Pa， 半径45mm，厚度0.2mm；方形框固定支架1为硬塑性绝缘材料，上表面镀有铜，金属硬 片3材料为铜，半径10mm，厚度2mm。
薄膜结构单元边缘填充5mm厚的泡沫塑料吸音材料，既可以让每个单元之间绝缘，又可以吸收一定的噪音。
每个声转电单元依次首尾相连，形成一个串联电路。由于声波的不稳定性，在电路上 添加一个稳压二极管，再在两端连接上LED灯，当声音使得压电薄膜片2发生振动时， 低功率LED灯就会发光。
叠加不同厚度的空气腔，以D1＝20mm，D2＝25mm，D3＝30mm为例，在电路两端加 上不同低功率的LED灯，就会达到很好的吸声效果，并且让不同功率的LED灯发光。在 制备方法上，由于薄膜振动单元结构简单，可以借助于3D打印进行快速生产。
Claims (7)
1.基于薄膜振动为LED灯提供电源的方法，其特征在于，该方法为：将多个声转电单元排布成一层m×n阵列结构，每个声转电单元包括方形框固定支架(1)、压电薄膜片(2)、金属硬片(3)和泡沫外层(4)；方形框固定支架(1)为密闭空腔结构，方形框固定支架(1)的上表面镀有铜层，方形框固定支架(1)的上表面设置有压电薄膜片(2)，压电薄膜片(2)的上表面中心位置设置有金属硬片(3)；在方形框固定支架(1)的四周外侧壁设置有泡沫外层(4)；
压电薄膜片(2)的直径与方形框固定支架(1)上表面的边长相等，压电薄膜片(2) 和方形框固定支架(1)之间采用导电银胶粘合，压电薄膜片(2)的半径是金属硬片(3)半径的2～5倍，包括边界值2倍和5倍，压电薄膜片(2)和金属硬片(3)之间采用导电银胶粘合，压电薄膜片(2) 上表面空白部分涂绝缘漆；在与方形框固定支架(1)的一个边长平行的压电薄膜片(2)的直径方向、绝缘漆上表面刷银浆，金属硬片(3)通过银浆延伸至边缘作为压电薄膜片(2) 的一个电极，方形框固定支架(1)上表面作为压电薄膜片(2)的另一个电极；
依次将所有声转电单元用导线串联，然后串联稳压二极管，将声波转成电能为LED灯提供电源；
声转电单元接收低频声波，在某一频段引起压电薄膜片(2)的反共振，设置在压电薄膜片(2)上表面中心位置的金属硬片(3)因反共振产生大幅度位移，对压电薄膜片(2)产生应力作用，压电薄膜片(2)在应力作用下产生应变，进而产生电压为LED灯供电。
2.根据权利要求1所述基于薄膜振动为LED灯提供电源的方法，其特征在于，金属硬片(3)采用铜片来实现。
3.根据权利要求1所述基于薄膜振动为LED灯提供电源的方法，其特征在于，压电薄膜片(2)引起反共振的频段由方形框固定支架(1)的空腔厚度D决定。
4.基于薄膜振动为LED灯提供电源的方法，其特征在于，该方法为：将多个声转电单元多层叠加，每层均为m×n阵列结构，每个声转电单元包括方形框固定支架(1)、压电薄膜片（2）和金属硬片（3）；方形框固定支架（1）为密闭空腔结构，方形框固定支架（1）的上表面镀有铜层，方形框固定支架(1)的上表面设置有压电薄膜片(2)，压电薄膜片(2)的上表面中心位置设置有金属硬片(3)；同一位置的多层声转电单元的四周外侧壁设置有泡沫外层(4)；同一位置的多层声转电单元的之间留有空隙；
压电薄膜片(2)的直径与方形框固定支架(1)上表面的边长相等，压电薄膜片(2)和方形框固定支架(1)之间采用导电银胶粘合，压电薄膜片(2)的半径是金属硬片(3)半径的2～5倍，包括边界值2倍和5倍，压电薄膜片(2)和金属硬片(3)之间采用导电银胶粘合，压电薄膜片(2)上表面空白部分涂绝缘漆；在与方形框固定支架(1)的一个边长平行的压电薄膜片(2)的直径方向、绝缘漆上表面刷银浆，金属硬片(3)通过银浆延伸至边缘作为压电薄膜片(2)的一个电极，方形框固定支架(1)上表面作为压电薄膜片(2)的另一个电极；
依次将每层所有声转电单元用导线串联，然后串联稳压二极管，将声波转成电能为LED灯提供电源。
5.根据权利要求4所述基于薄膜振动为LED灯提供电源的方法，其特征在于，金属硬片(3)采用铜片来实现。
6.根据权利要求4所述基于薄膜振动为LED灯提供电源的方法，其特征在于，压电薄膜片(2)引起反共振的频段由方形框固定支架(1)的空腔厚度决定。
7.根据权利要求4所述基于薄膜振动为LED灯提供电源的方法，其特征在于，每层结构的方形框固定支架(1)的空腔厚度相同或不同。
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