CN106941327A - 一种用于除噪发电的压电复合声子晶体板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于除噪发电的压电复合声子晶体板，由若干质量片和压电片分别阵列固定在一块弹性薄板上、下两面而成，并在弹性薄板的含有压电片的那面设置框架式栅格，每一格框架式栅格、每一格框架式栅格所限定的弹性薄板单元、及设置在弹性薄板单元上、下两面的质量片和压电片构成了压电复合声子单元晶胞，压电复合声子单元晶胞阵列得到压电复合声子晶体板。本发明实现了噪声能量的采集及电能输出，即降噪发电二合一。

Description

一种用于除噪发电的压电复合声子晶体板

技术领域

本发明属于新型隔音降噪、减振技术领域，具体涉及一种用于除噪发电的压电复合声子晶体板，用于隔音降噪、兼顾发电。

背景技术

环境保护是可持续发展战略的重要支撑，其主要挑战包括噪声污染、电磁辐射污染、空气污染、水质污染等。其中，噪声污染因其具有来源多、分布面广、分布不均衡等特点而备受关注，噪声污染治理也成为环境保护与治理领域的重要内容之一。噪声主要分布在商场、工厂、公路、隧道、铁路、机场、变电站等场所，这些场所噪声的声功率密度、方向性、频率谱分布有很大差异。因此，如何设计一种简单、有效、宽频带的节能结构或材料以实现多种场合下的隔音降噪需求，这是需要解决的噪声治理难题之一。

当前关于噪声治理的专利主要针对具体的应用场所或场合，主要分为三类：采用消声腔、消声室、多孔板等腔室、多孔结构；采用海绵、橡胶、玻璃棉、隔音棉等材料；采用主动声波抑制方法。(1)采用消声腔、消声室、多孔板等腔室、多孔结构，比如中国发明专利CN106448696A公开了一种其利用多级消声室针对往复活塞式压缩机的节能降噪消声减振方法；中国发明专利CN106352194A公开一种利用多层消声腔的天然气喷射噪声降噪装置；中国发明专利CN106401723A公开了一种环保降噪汽车排气管；中国发明专利CN106088698A公开一种采用腔室与吸声孔结合的用于动力设备降噪室；中国发明专利CN106218540A公开一种采用空腔和多孔板组合的降噪隔声材料板。(2)采用海绵、橡胶、玻璃棉、隔音棉等材料，比如中国发明专利CN106423468A公开一种针对工业原料破碎设备的降噪减振技术，其主要利用海绵与消震片组合降噪；中国发明专利CN106381961A公开了一种条形隔热降噪型木楼板，其主要利用玻璃纤维棉与普通胶合板等材料；中国发明专利CN106366613A公开一种采用硅橡胶裂解产物为主的隔音降噪材料及其制备方法；中国发明专利CN106451900A公开一种采用隔音棉的电机降噪装置；中国发明专利CN106351722A公开一种降噪汽车排气管用吸音棉。(3)采用主动声波抑制方法，利用声反馈机制主动发射声波抵消噪声，比如中国发明专利CN106382143A公开一种针对发动机转速的主动降噪装置。中国发明专利CN106388473A公开一种隔音降噪枕头。中国发明专利CN106340290A公开一种有源降噪方法及其装置；CN106335082A公开一种利用反相降噪喇叭的降噪桁架机器人；中国发明专利CN106375896A公开一种采用主动降噪胶囊的头戴式降噪耳机。

这三类降噪方法中：(1)采用消声腔、消声室、多孔板等腔室、多孔结构虽然节能环保，但是体积较大、吸声频带并不宽；(2)采用海绵、橡胶、玻璃棉、隔音棉等材料虽然结构简单，但是低频段除噪时厚度较大，且需要多层组合才有效；(3)采用主动声波抑制方法虽然效果显著，但是需要额外的声波探测、算法处理及声波发射，并不节能，且系统结构复杂。这三类方法存在宽带吸声式体积大或者构造复杂、不节能等缺点，且噪声只是被抑制抵消或者转换为空气热能，并没有很好地利用噪声能量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于除噪发电的压电复合声子晶体板，在保证结构简单、厚度薄、宽频带高效吸声降噪的前提下，实现噪声能量的采集及电能输出，即降噪发电二合一。

本发明是通过下述技术方案来实现的。一种用于除噪发电的压电复合声子晶体板，由若干质量片和压电片分别阵列固定在一块弹性薄板上、下两面而成，并在弹性薄板的含有压电片的那面设置框架式栅格。

作为优选，每一格框架式栅格、每一格框架式栅格所限定的弹性薄板单元、及设置在弹性薄板单元上、下两面的质量片和压电片构成了压电复合声子单元晶胞。

作为优选，压电复合声子单元晶胞二维阵列排布形成了二维压电复合声子晶体板。

作为优选，压电复合声子单元晶胞按布拉菲点阵阵列排列。

作为优选，所述压电复合声子单元晶胞由散射体和基底组成，其中散射体由质量片、压电片及与质量片和压电片接触的弹性薄板部分复合而成，基底为弹性薄板单元。

作为优选，相邻压电复合声子单元晶胞中心之间的距离为晶格常数(既压电复合声子单元晶胞的边长)，压电复合声子单元晶胞沿晶格的任意晶格方向阵列。

作为优选，晶格形状为正方形、三角形、矩形、六边形等。

本发明一种实施方式中，所述质量片材料可以为塑料、铝、有机玻璃等。

本发明一种实施方式中，所述压电片材料可以为PVDF、压电单晶等。

本发明一种实施方式中，所述弹性薄板材料可以为钢、竹等。

本发明一种实施方式中，质量片、压电片与弹性薄板间的界面耦合方式可以遴选为磁控溅射等。

本发明一种实施方式中，压电复合声子晶体板的局域谐振频率调整也可以通过粘合多层质量片等方式实现。

在降噪隔音方面：(1)压电复合声子晶体板固有的晶胞周期结构蕴含弹性波/声波的布拉格散射效应(各晶胞波场间的相互作用)导致其在某些频率带(禁带)禁止弹性波/声波传播，又因为禁带频率取决于晶格常数、晶格形状、散射体填充比且其对应的波长与晶格常数相当或者比晶格常数小，所以布拉格散射效应只对中高频弹性波/声波有效，也可以设计不同的晶格常数、晶格形状而非仅仅一种晶格常数、晶格形状，以实现中高频段的除噪带宽拓展。(2)压电复合声子晶体板中每个晶胞内的质量片、弹性薄板组成了典型的“质量-弹簧”系统，其谐振频率取决于质量片的质量、弹性薄板的弹性性能及固支方式，与晶格常数、晶格形状等无关。当外界弹性波/声波激励频率接近晶胞单元的谐振频率时，晶胞单元发生共振效应，弹性波/声波能量被局限在晶胞内并转化为质量片、弹性薄板的机械能，这就是声子晶体板的局域共振效应。局域共振效应作用下的弹性波/声波能量转化为机械能之后，一部分因空气和晶胞内部的阻尼作用转化为热能，另一部被压电片转化为电能。为了增强局域共振效应，在每个晶胞四周位置固定的框架式栅格需选用弹性较差的材料。为了实现宽频带范围(特别是低频段)的降噪隔音，需要合理设计不同大小、厚度的质量片，实现局域共振频率的宽频带范围分布。

在发电方面：(1)针对压电复合声子晶体板内布拉格散射效应在中高频段的作用机理，弹性波/声波因相位相反而相互叠加减弱、甚至抵消，可以在晶胞内不同的位置设置压电片或者利用压电片的高阶模态来响应未削弱的波场，从而实现有效地采集这些波场能量。(2)针对压电复合声子晶体板内晶胞单元局域共振效应的作用机理，可以选用压电片的主振模态来采集局域化的机械能，进而通过压电效应转化为电能输出。为了实现高效的噪声能量采集及电能转化，整个声-机-电耦合过程中的能量损耗应尽量小。其中，质量片选择弹性较小的材料(如铁)，而弹性薄板选择弹性较好的材料(如铍青铜)，以实现较高的机械Q值及高效的声-机转换；压电片尽量选择压电系数高的材料(如压电陶瓷)，以实现高效的机-电转换；质量片、压电片与弹性薄板之间界面耦合方式选择薄层胶合等工艺，以减少耦合界面的能量传递损耗。为了实现输出电能的高效存储等后续操作，各压电片之间选择串联方式以减少后续电源管理电路的损耗。

本发明的特点及优势在于：

(1)采用不同尺寸的质量片，形成不同的散射体填充比及不同的局域谐振频率，从而实现覆盖低频及中高频率段的降噪隔音能力。与单一散射体填充比或晶格常数的设计相比，提出的声子晶体板结构具有更强、更宽频带的除噪隔音能力。

(2)采用局域谐振设计，解决了低频时降噪材料厚度过大的固有弊端，大大降低了除噪材料的体积、厚度、成本，具有更好的节能经济效应。

(3)采用压电片采集声子晶体板内的波场能量，实现了宽频带范围内噪声能量的采集及电能输出。输出电能通过后续处理可进一步为物联网内的无线传感器提供电源支持，解决无线传感器微型化带来的供电问题，从而实现降噪发电二合一、节能环保。

本发明可以应用于高效隔音降噪、发电供能、环保节能。

附图说明

图1是本发明的压电复合声子晶体板结构二维示意图(俯视)；

图2是本发明的压电复合声子晶体板结构二维示意图(仰视)。

图3是压电复合声子单元晶胞的俯视示意图；

图4是压电复合声子单元晶胞的仰视示意图；

图5是压电复合声子单元晶胞的主视示意图。

附图中：质量片1、弹性薄板2、压电片3、框架式栅格4、正电极5-1、负电极5-2。

具体实施方式

如图1-5所示，本发明中除噪发电复合材料采用的压电复合声子晶体板主要由若干质量片1、弹性薄板2、若干压电片3、框架式栅格4组成。若干质量片1和压电片2分别阵列固定在一块弹性薄板2上、下两面，并在弹性薄板2的含有压电片的那面设置框架式栅格4。每一格框架式栅格、每一格框架式栅格所限定的弹性薄板单元、及设置在弹性薄板单元上、下两面的质量片1和压电片3构成了压电复合声子单元晶胞。压电复合声子单元晶胞二维阵列排布形成了二维压电复合声子晶体板。压电复合声子单元晶胞按布拉菲点阵阵列排列，当然压电复合声子单元晶胞也可以三维排列。

压电复合声子单元晶胞由散射体和基底组成，其中散射体由质量片1、压电片3及与质量片1和压电片3接触的弹性薄板部分复合而成，基底即为弹性薄板单元。

相邻压电复合声子单元晶胞中心之间的距离为晶格常数(既压电复合声子单元晶胞的边长)，压电复合声子单元晶胞沿晶格的任意晶格方向阵列，可以按压电复合声子单元晶胞任意一条边长的方向排列。晶格形状为正方形、三角形、矩形、六边形等。压电片3上下表面镀有正电极5-1、负电极5-2，并由引线引出电信号。其中质量片1选用铁或有机玻璃片；弹性薄板2选用铍青铜薄板；压电片3选用PVDF片或压电陶瓷片；框架式栅格4选用铁；电极选用镀银。

通过设计不同的晶格常数、晶格形状而非仅仅一种晶格常数、晶格形状，以实现中高频段的除噪带宽拓展。为了增强局域共振效应，在每个晶胞四周位置固定的框架式栅格需选用弹性较差的材料。为了实现宽频带范围(特别是低频段)的降噪隔音，需要合理设计不同大小、厚度的质量片，实现局域共振频率的宽频带范围分布。

针对压电复合声子晶体板内布拉格散射效应在中高频段的作用机理，弹性波/声波因相位相反而相互叠加减弱、甚至抵消，可以在单元晶胞内不同的位置设置压电片或者利用压电片的高阶模态来响应未削弱的波场，从而实现有效地采集这些波场能量。针对压电复合声子晶体板内晶胞单元局域共振效应的作用机理，可以选用压电片的主振模态来采集局域化的机械能，进而通过压电效应转化为电能输出。为了实现高效的噪声能量采集及电能转化，整个声-机-电耦合过程中的能量损耗应尽量小。其中，质量片选择弹性较小的材料(如铁)，而弹性薄板选择弹性较好的材料(如铍青铜)，以实现较高的机械Q值及高效的声-机转换；压电片尽量选择压电系数高的材料(如压电陶瓷)，以实现高效的机-电转换；质量片、压电片与弹性薄板之间界面耦合方式选择薄层胶合等工艺，以减少耦合界面的能量传递损耗。为了实现输出电能的高效存储等后续操作，各压电片之间选择串联方式以减少后续电源管理电路的损耗。

上述例子中，当外部噪声从空气入射到本发明的压电复合声子晶体板时，噪声经空气/薄板的界面耦合作用转化为薄板2振动，进而产生弹性波。若噪声波长与声子晶体板晶格常数相当，则声子晶体板内发生弹性波的布拉格散射效应，噪声能量因为弹性波场的相互抵消而被削弱、甚至消除。若噪声频率接近局域谐振频率，则声子晶体板内发生晶胞的局域谐振效应，噪声能量转化为晶胞的机械能，其中大部分被压电片3收集并转化为电能经电极输出，另一部分转化为空气及晶胞内能而消散。因此，设计局域共振频率覆盖高中低频段并且兼顾布拉格散射的高中频段，就可以实现噪声能量的宽频带、高效采集及电能输出，即降噪、发电兼得。

Claims (10)

1.一种用于除噪发电的压电复合声子晶体板，其特征是：由若干质量片和压电片分别阵列固定在一块弹性薄板上、下两面而成，并在弹性薄板的含有压电片的那面设置框架式栅格。

2.根据权利要求1所述的用于除噪发电的压电复合声子晶体板，其特征是：每一格框架式栅格、每一格框架式栅格所限定的弹性薄板单元、及设置在弹性薄板单元上、下两面的质量片和压电片构成了压电复合声子单元晶胞。

3.根据权利要求2所述的用于除噪发电的压电复合声子晶体板，其特征是：压电复合声子单元晶胞二维阵列排布形成了二维压电复合声子晶体板。

4.根据权利要求3所述的用于除噪发电的压电复合声子晶体板，其特征是：压电复合声子单元晶胞按布拉菲点阵阵列排列。

5.根据权利要求2所述的用于除噪发电的压电复合声子晶体板，其特征是：所述压电复合声子单元晶胞由散射体和基底组成，其中散射体由质量片、压电片及与质量片和压电片接触的弹性薄板部分复合而成，基底为弹性薄板单元。

6.根据权利要求3所述的用于除噪发电的压电复合声子晶体板，其特征是：相邻压电复合声子单元晶胞中心之间的距离为晶格常数，压电复合声子单元晶胞沿晶格的任意晶格方向阵列。

7.根据权利要求6所述的用于除噪发电的压电复合声子晶体板，其特征是：晶格形状为正方形、三角形、矩形或六边形。

8.根据权利要求6所述的用于除噪发电的压电复合声子晶体板，其特征是：各压电复合声子单元晶胞采用不同的晶格常数、晶格形状而非仅仅一种晶格常数、晶格形状，以实现中高频段的除噪带宽拓展。

9.根据权利要求6所述的用于除噪发电的压电复合声子晶体板，其特征是：采用不同大小、厚度的质量片，实现局域共振频率的宽频带范围分布。

10.根据权利要求6所述的用于除噪发电的压电复合声子晶体板，其特征是：压电复合声子单元晶胞内不同的位置设置压电片或者利用压电片的高阶模态来响应未削弱的波场。