CN106411177A - 一种高q值声子晶体谐振腔型声能采集器 - Google Patents
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Abstract
一种高Q值声子晶体谐振腔型声能采集器，包括高Q值声子晶体谐振腔（1）、机电赫姆霍兹谐振器、支撑柱（4）和底座（5）。所述高Q值声子晶体谐振腔由8套十字竖板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上；十字竖板阵列中央留有的空腔形成一个谐振腔；由复合压电换能器（3）和赫姆霍兹谐振腔（2）组成的机电赫姆霍兹谐振器设置在高Q值声子晶体谐振腔中心，并通过支撑柱固定在底座上。入射声波经过声子晶体谐振腔和机电赫姆霍兹谐振腔的双重汇聚放大作用，放大的声压驱动机电赫姆霍兹谐振器背部的复合压电换能器振动；复合压电换能器产生形变并在压电效应下输出电信号，从而实现声电转换。
Description
技术领域
本发明涉及一种高Q值声子晶体谐振腔型声能采集器，属声能技术领域。
背景技术
随着“物联网”兴起及微型电子器件技术的蓬勃发展，无线传感器网络中无线传感器节点的供电问题成为研究热点和难点。无线传感器的供电电源一般为传统电池，但是传统电池因电量有限需要周期更换，特别是对于工作在复杂、恶劣环境下的传感器而言，电池的更换太过麻烦且浪费人力物力财力，严重影响无线传感器网络的使用寿命和对环境的适用性。为了解决该问题，研究注意点着重于超大电量电池和环境能量采集技术。当前超大电量电池主要有化学电池、燃料电池和微核电池，其中相对较大尺寸的化学电池和燃料电池并不适用于日趋微型化的无线传感网络，而微核电池虽使用寿命长但存在放射性污染风险。而环境能量采集技术因为可以直接从无线传感器工作环境中提取能量供电，且具有清洁、环保、无需维护等优势，所以成为当前无线传感网络节点供电的最有前景的解决方案。
目前，环境能量采集技术的研究焦点主要集中几种常见能量源，比如太阳能、风能、电磁能（如公开号CN105609964A公开了一种基于波纹全息超表面的电磁能量收集结构）、流体能（如公开号CN105156274A公开了一种流体能量转化及利用系统）、振动能（如公开号CN105932904A公开了一种多方向响应振动能量采集器）等。声能作为一种常见能量，常常以噪声的形态广泛地分布在商场、工厂、剧院、社区、公路等场所，因此采集环境中的噪声能源可兼顾噪声污染消除和清洁能源供给。当前已经研究了一些声能采集器模型或系统，根据声波汇聚原理，大致分为直接式（如公开号CN105609964A公开了一种基于波纹全息超表面的电磁能量收集结构）、采用赫姆霍兹谐振腔式（如公开号CN105790634A公开了一种宽频声能回收装置）、采用喇叭式（如公开号CN204271951U公开了一种安装于火车的噪声能量利用系统）、采用声子晶体式（如公开号CN105391343A公开了一种声能回收装置）四类。
直接声能采集器体积小，但是输出功率极低；采用赫姆霍兹谐振腔的声能采集器输出性能良好，但是受限于低频、单方向声能；采用喇叭式声能采集器因声波放大原理导致体积过大，且只对单方向声波有效；采用声子晶体的声能采集器因声子晶体声波汇聚能力不强而导致较低的声能采集效率。
发明内容
本发明的目的是，针对现有声能采集器采集效率存在的问题，本发明提出一种高Q值声子晶体谐振腔型声能采集器。
实用本发明的技术方案如下：一种高Q值声子晶体谐振腔型声能采集器包括高Q值声子晶体谐振腔、机电赫姆霍兹谐振器、支撑柱和底座。所述高Q值声子晶体谐振腔由8套十字竖板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上；十字竖板阵列中央留有的空腔形成一个谐振腔；所述机电赫姆霍兹谐振器设置在高Q值声子晶体谐振腔中心，并通过支撑柱固定在底座上；入射声波经过声子晶体谐振腔和机电赫姆霍兹谐振腔的双重汇聚放大作用，放大的声压驱动机电赫姆霍兹谐振器背部的复合压电换能器振动；复合压电换能器产生形变并在压电效应下输出电信号，从而实现声电转换。
所述的高Q值声子晶体谐振腔为采用十字板散射体的声子晶体谐振器，即含中心点缺陷的十字板正方阵列结构。
所述的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；复合压电换能器粘合在赫姆霍兹谐振腔的背腔位置。
所述的复合压电换能器由弹性金属片与压电材料粘合而成。
本发明的高Q值声子晶体谐振腔十字竖板散射体的取向及相邻间距可调。
本发明的十字竖板的长度及厚度可调。
本发明的机电赫姆霍兹谐振器的开口取向及大小可调。
本发明的机电赫姆霍兹谐振器的复合压电换能器结构和材料可调。
本发明的机电赫姆霍兹谐振器的数量及其在声子晶体谐振腔内的安装位置可调。
本发明的工作原理是，采用十字板散射体的高Q值声子晶体谐振腔，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空间对称性，所以可以有效地采集多个方向的入射声波能量；与采用圆柱体散射体的声子晶体谐振腔相比，十字板特有的凹角结构会对腔内声波产生定向性散射作用，从而在空腔内产生等波长驻波效应，并在腔内十字板对角连线中点处（即声波局限点）形成声波的强烈汇聚和声压的急剧放大，因此其具有极高的Q值、较大的声压增益。此外，声子晶体谐振腔中心处的机电赫姆霍兹谐振器可以继续汇聚声能、放大声压，从而驱动复合压电换能器产生更强的振动和更大的输出。
本发明的有益效果是，本发明采用十字板散射体的高Q值声子晶体谐振腔能够采集多个方向来源的声能。声子晶体谐振腔结构固有的空间对称性使其拥有响应多个方向声波的能力。本发明采用十字板散射体的高Q值声子晶体谐振腔具有超高Q值及大声压增益的多个声波局限点。由于十字板凹角对声波的定向性散射作用，入射声波在腔内发生多重散射，多重散射波相互叠加，从而在腔内形成等波长驻波效应，产生若干高Q值、大声压增益的声波局限点。与传统采用圆柱体散射体的声子晶体谐振腔相比，具有更多的声波局限点、更大的声压增益和更高的Q值，并且结构材料使用更少，成本更低。本发明采用十字板散射体型高Q值声子晶体谐振腔耦合机电赫姆霍兹谐振器，可以实现超强的声波汇聚及高效的声能采集。十字板散射体型声子晶体谐振腔与机电赫姆霍兹谐振器均具有较强的声波放大和声能汇聚能力，因此它们的耦合结构将会极大增强声波放大和声能汇聚能力，从而实现非常高效的声能采集效率。
根据上述特点，本发明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供电。
附图说明
图1是本发明结构三维示意图；
图2是本发明中采用十字板散射体的高Q值声子晶体谐振腔结构的俯视图；
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：1是高Q值声子晶体谐振腔；2是赫姆霍兹谐振腔；3是复合压电换能器；4是支撑柱；5是底座。
具体实施方式
本发明的具体实施方式如图1所示。
本实施例一种高Q值声子晶体谐振腔型声能采集器，包括高Q值声子晶体谐振腔1、机电赫姆霍兹谐振器、支撑柱4和底座5。
高Q值声子晶体谐振腔1由8套十字竖板（1-1、1-2、...、1-8）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，十字竖板阵列中央留有空腔形成一个谐振腔。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处于高Q值声子晶体谐振腔中心位置，并通过支撑柱4支撑矗立于底座5上而成。
高Q值声子晶体谐振腔的散射体（十字板）材料为青铜；支撑柱、底座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铁镍合金；压电片的材料为压电陶瓷PZT-8。
本实施例中，当外部声波从任一方向入射时，高Q值声子晶体谐振腔首先将声波放大并局限在其腔内局限点处；而处于声子晶体谐振腔中心局限点处的机电赫姆霍兹谐振器进一步放大及汇聚声波；然后被强烈放大的声波驱动复合压电换能器振动而产生电信号输出，从而将声能转换为电能，由此实现多方向、超高效的声能采集。
Claims (9)
1.一种高Q值声子晶体谐振腔型声能采集器，其特征在于，所述声能采集器包括高Q值声子晶体谐振腔、机电赫姆霍兹谐振器、支撑柱和底座；所述高Q值声子晶体谐振腔由8套十字竖板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上；十字竖板阵列中央留有的空腔形成一个谐振腔；所述机电赫姆霍兹谐振器设置在高Q值声子晶体谐振腔中心，并通过支撑柱固定在底座上；入射声波经过声子晶体谐振腔和机电赫姆霍兹谐振腔的双重汇聚放大作用，放大的声压驱动机电赫姆霍兹谐振器背部的复合压电换能器振动；复合压电换能器产生形变并在压电效应下输出电信号，从而实现声电转换。
2.根据权利要求1所述的一种高Q值声子晶体谐振腔型声能采集器，其特征在于，所述的高Q值声子晶体谐振腔为采用十字板散射体的声子晶体谐振器，即含中心点缺陷的十字板正方阵列结构。
3.根据权利要求1所述的一种高Q值声子晶体谐振腔型声能采集器，其特征在于，所述的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；复合压电换能器粘合在赫姆霍兹谐振腔的背腔位置。
4.根据权利要求1所述的一种高Q值声子晶体谐振腔型声能采集器，其特征在于，所述的复合压电换能器由弹性金属片与压电材料粘合而成。
5.根据权利要求1所述的一种高Q值声子晶体谐振腔型声能采集器，其特征在于，所述的高Q值声子晶体谐振腔十字竖板散射体的取向及相邻间距可调。
6.根据权利要求1所述的一种高Q值声子晶体谐振腔型声能采集器，其特征在于，所述的机电赫姆霍兹谐振器的开口取向及大小可调。
7.根据权利要求1所述的一种高Q值声子晶体谐振腔型声能采集器，其特征在于，所述的机电赫姆霍兹谐振器的复合压电换能器结构和材料可调。
8.根据权利要求1所述的一种高Q值声子晶体谐振腔型声能采集器，其特征在于，所述的机电赫姆霍兹谐振器的数量及其在声子晶体谐振腔内的安装位置可调。
9.根据权利要求1所述的一种高Q值声子晶体谐振腔型声能采集器，其特征在于，所述的十字竖板的长度及厚度可调。
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