CN107809186B - 一种用于低频宽带的紧凑式声波发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于低频宽带的紧凑式声波发电装置，包括：底座、阿基米德螺旋共振腔、金属基板、压电片，其中阿基米德螺旋共振腔采用一端开口及另一端封闭的螺旋管体结构；所述阿基米德螺旋共振腔的下表面固定设置于底座上，且阿基米德螺旋共振腔的上表面固定连接金属基板以形成仅在开口处开放的封闭结构；所述压电片设置于金属基板的表面，且压电片上设置有正负电极。还包括质量块，所述质量块设置于压电片的表面；本发明既能够以一个较小的体积实现对低频声压进行放大，还具有较宽的有效能量收集频带，由于其占用空间较小，易于安装，有效实现低频声波能量进行高效声电转换，拓展能量收集器的有效工作频段，为低功耗电子器件实现供能。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于低频宽带的紧凑式声波发电装置，属于声波发电设备的技术领域。
背景技术
近年来无线传感器、微机电系统等低功耗无线电子器件得到了快速发展，如何为其供能成为了目前需要解决的一项关键技术。对环境能量进行收集并加以利用，可有望解决低功耗电子器件的供能问题，使其在部署时免于更换电池，实现长时间的运行。声能是环境中普遍存在的一种机械能，不受环境中的温度、光照等的影响。特别是500Hz以下低频声波，由于其波长较长，难于抑制，传播距离较长。产生这种低频声波的噪声源很多，包括发电机、泵体、发动机、气流等噪声源，在工业界和人类生活中普遍存在。如能将这部分声能实现有效声电转换，可充分挖掘声能的潜力，并使整套声能收集装置具备安装灵活的特点，只要放置在声音较大的地方即可。
这里的低频声主要是指500Hz以下的低频声波。这类噪声的声波波长较长，由于声能量密度较低，在声电转换中为了获得较大的回收功率，通常需要设计声音放大结构，对入射声波进行放大。
基于赫姆霍兹声共鸣腔和1/4波长管技术可以对声波进行放大，1/4波长管装置对声压放大的效果更好。利用上述装置进行声波能量收集国内外已有相关的研究。目前存在的问题是在低频带声波进行能量收集时，这类装置体积较大，结构笨重，在很多应用场合受到了限制。以100Hz声波为例，其空气中传播时声波波长为3.43m，如果采用1/4波长管对其进行入射声压放大，1/4波长管的长度将达到0.85m。上述缺陷导致利用赫姆霍兹声共鸣腔和1/4波长管进行低频声能量收集的装置难以小型化。
此外，采用上述传统结构的最大回收功率发生在声共振结构的谐振频率点上，一旦声波激励频率偏离了声共振腔体自身的谐振频率，那么由于声压放大倍数的下降，导致回收功率值将大幅下降。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种用于低频宽带的紧凑式声波发电装置，解决传统结构在低频带声波进行能量收集时，这类装置体积较大，结构笨重，一旦声波激励频率偏离了声共振腔体自身的谐振频率，导致回收功率值将大幅下降的问题。将低频声波能量进行高效声电转换，拓展能量收集器的有效工作频段，为低功耗电子器件实现供能。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种用于低频宽带的紧凑式声波发电装置，包括：底座、阿基米德螺旋共振腔、金属基板、压电片，其中阿基米德螺旋共振腔采用一端开口及另一端封闭的螺旋管体结构；所述阿基米德螺旋共振腔的下表面固定设置于底座上，且阿基米德螺旋共振腔的上表面固定连接金属基板以形成仅在开口处开放的封闭结构；所述压电片设置于金属基板的表面，且压电片上设置有正负电极。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：还包括用于机械共振频率调节的质量块，所述质量块设置于压电片的表面。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：还包括负载电路，所述负载电路连接压电片的正负电极。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述负载电路采用可调电阻箱。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述底座采用树脂、ABS或金属材料制成。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述底座、金属基板均采用圆形。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述金属基板的半径大于阿基米德螺旋共振腔的外周半径且小于底座的半径。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述阿基米德螺旋共振腔的上表面通过粘连方式与金属基板固定。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述粘连方式采用环氧胶。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述压电片采用压电陶瓷材料。
本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：
本发明设计了用于低频宽带的紧凑式声波发电装置，通过压电效应在压电片的上下表面产生电势差，通过封闭结构中共振腔、金属基板、压电片配合，可以将声能回收并转换为电能，将声能作为一种新型绿色能源进行转换，给低功耗装置进行供电。通过新型的声波能量收集结构，使其既能够以一个较小的体积实现对低频声压进行放大，还具有较宽的有效能量收集频带，由于其占用空间较小，易于安装，可方便对其进行阵列化处理，进一步增大发电功率输出。
因此，本发明能够有效实现低频声波能量进行高效声电转换，拓展能量收集器的有效工作频段，为低功耗电子器件实现供能。
附图说明
图1为本发明的用于低频宽带的紧凑式声波发电装置的结构示意图。
图2为本发明中底座与阿基米德螺旋共振腔连接的结构示意图。
图3为本发明中金属基板与压电片连接的结构示意图。
图4为本发明中阿基米德螺旋共振腔内声压级分布示意图。
图5为本发明在测试中麦克风传感信号的功率谱。
图6为本发明在测试中采用的发电性能测试结构示意图。
图7为本发明中压电片产生的电压功率谱。
图8为本发明中不同频率下测试得到的电压峰峰值。
图9为本发明中在不同频率下得到的回收功率。
图中标号解释：1-金属基板，2-压电片，3-质量块，4.-阿基米德螺旋共振腔，5-底座。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
如图1所示，本发明设计了一种用于低频宽带的紧凑式声波发电装置，该装置包括：底座5、阿基米德螺旋共振腔4、金属基板1、压电片2，其中阿基米德螺旋共振腔4采用一端开口及另一端封闭的螺旋管体结构；所述阿基米德螺旋共振腔4的下表面固定设置于底座5上，且阿基米德螺旋共振腔4的上表面固定连接金属基板1以形成仅在开口处开放的封闭结构；所述压电片2设置于金属基板1的表面，且压电片2上设置有正负电极。
本实施例中，所述底座5、金属基板1均采用圆形。所述阿基米德螺旋共振腔4由阿基米德螺旋线经过拉伸展为三维结构，包括内壁、外壁和壁高。由于管道长度和螺旋腔的共振频率有关，长度不同，对应的谐振频率将会发生变化。作为螺旋管，如果管道厚度太薄，那么管壁两侧的声波会产生较强烈的耦合作用，所以要有一定的厚度来降低干扰。本实施例中，优选地，阿基米德螺旋式声学共振腔的管道平均长度为管壁外侧长度和内侧长度的平均值；三维阿基米德螺旋结构的壁厚应小于阿基米德螺旋线的管道平均长度和高度；三维阿基米德螺旋结构的壁厚应小于三维阿基米德螺结构的管道平均长度和高度；三维阿基米德螺旋结构的高度应小于三维阿基米德螺旋结构的管道平均长度；优选的，螺旋结构的管道平均长度的4倍长度为三维阿基米德螺旋结构发生声学共振时对应的声波波长。由于是三维结构，所述管道的高度是指从上表面到底座的距离，由于螺旋管存在一定的管道宽度，这样导致从管子外侧测量的长度尺寸和管内侧测量的长度相差较大，需要做一下平均，并用于谐振频率的计算。
并且，所述阿基米德螺旋共振腔4的下表面安装在底座5上，其结构如图2所示，底座材料应有一定的硬度，材料优选为树脂、ABS或金属材料；底座应有一定的厚度，推荐其厚度在2mm以上。
装置中，所述阿基米德螺旋共振腔4的上表面固定连接金属基板1，优选地，所述阿基米德螺旋共振腔4的上表面通过粘连方式与金属基板1固定。如金属基板1与阿基米德螺旋共振腔4的上表面通过强力环氧胶相连，实现对声腔上表面的封闭，使其仅在开口处开放。以及，所述金属基板为圆形，其材料为弹簧钢，其半径应大于阿基米德螺旋共振腔的外周半径且小于底座的半径。如果基板半径太小，无法对上表面实现全覆盖，会有气隙；如果半径过大，超过底盘半径，一方面会降低结构的紧凑性，另外会导致结构的边界条件发生变化，因此本发明采用基板的外边界和螺旋结构的外圈是粘贴在一起，以提高紧密性。
所述金属基板1与压电片2连接如图3所示，优选地压电片2为圆形，正电极朝上，负电极通过翻边工艺引出到正电极所在面上，正负电极之间存在绝缘，防止短接。其下表面通过环氧胶粘贴在金属基板1的中心。优选地，还包括用于机械共振频率调节的质量块3，所述质量块3设置于压电片2的表面，所述压电片2的上表面中心粘贴圆柱形质量块3，利用质量块3实现声电转换装置的机械共振频率调节。
本装置的原理是：声音从螺旋结构的阿基米德螺旋共振腔4的开口进入，入射声波经螺旋形声波导管传播，当其频率满足特定的要求时，其声压级将不断增大，其最大值发生在螺旋管体的中心处，被放大的声波作用在由金属衬底组成的金属基板1上，金属基板1振动会导致粘贴在其上的压电片2产生应变，进而通过压电效应在压电片的上下表面产生电势差，通过封闭结构进行声音放大；当螺旋结构的阿基米德螺旋共振腔4内部放大的声波激励金属基板1、压电片2、质量块3时，金属基板将带动压电片2和质量块3产生振动，通过压电效应，将传递到压电片上的机械应变能转换为电能，实现机电能量转换。通过将声能回收并转换为电能，将声能作为一种新型绿色能源进行转换，给低功耗装置进行供电。由于采用了螺旋形管体结构，与1/4波长管相比长度仅为其20％左右，有效减小了低频声能收集器的体积，并实现了较大带宽的有效发电频带，有效提升了声波发电的工程应用价值。
所述压电片2材料可选择为具有较高压电常数的压电陶瓷PZT-5h材料，其片子厚度与金属基板的厚度比在1：1左右，与金属基板的半径比不大于0.6。
优选地，装置还应包括负载电路，所述负载电路连接压电片的正负电极。在功能验证时该装置采用可调电阻箱，其目的是通过调节电阻值，通过源阻抗和负载阻抗匹配，实现较大的发电功率输出。在后续应用中可结合具体的应用需要，连接低功耗的温度、压力等传感设备，实现对低功耗传感电子设备的供电。
由于本装置其体积较小，还可以对其进行阵列化处理，如安装多个这种装置到公路、铁路隔音屏上，将环境中的噪声进行俘获，并可获得较大的电能输出。该装置还可以作为无源触发装置，用于工业设备的故障监测。例如当某设备发生故障时，常会产生特定频率的声音，将该装置放置在附近，设备故障时本装置可产生相应的电触发信号，用于触发后续的报警装置。
为了验证本发明的装置能够有效将声能回收并转换为电能，特列举一实施例对本发明的装置进行测试。具体如下：
首先，对装置中三维阿基米德螺旋结构的声学共振仿真。为了验证阿基米德螺旋式声学共振腔对声压放大的有效性，使用有限元方法对阿基米德螺旋共振腔进行精确数值求解。
如图5所示，对三维阿基米德螺旋共振腔包含的空气域进行有限元建模和计算。其中阿基米德螺旋线初始半径为5mm,最终半径值为34mm，圈数为3.4。螺旋管的壁厚为2.5mm，高度为30mm,匝距为9.2mm。通过计算可以得到螺旋管的内侧长度为390.9mm，外侧长度为251.5mm，平均长度为321.2mm。根据上述参数和公式(1)，预测声腔共振频率发生在265Hz附近。
其中c为声速，L为螺旋管的平均长度。
在有限元模型中，入口的入射声压级设置为1Pa(94dB)，其他边界设置为硬声场边界，分析频带为100Hz到500Hz，计算步长为1Hz。计算得到的共振频率为260Hz,符合理论预测。通过有限元计算得到的共振腔内声压级分布如图4所示。计算得到的声压级最大值为142dB，与入口声压相比，放大倍数约251倍。
其次，对装置中的三维阿基米德螺旋共振腔的声压放大性能测试。为了测试阿基米德螺旋共振腔的声音放大性能，使用了一个直径4mm*高度1.5mm的微型麦克风传感器，其体积大约仅占用样品总体的0.02％，因此可以忽略其体积对样品的影响。传感器产生的电信号进一步通过LM386型运放放大器后被数据采集卡进行采集。
使用信号发生器产生白噪声信号，并作为激励信号送入喇叭，产生激励声波。采集麦克风传感器的信号进行功率谱分析，其测试系统如图6所示。可以看到，确实在260Hz处产生了声学共振，与理论和仿真都得到了较好的匹配。
在阿基米德螺旋共振腔上部放置图3所示的金属基板1与压电片2，即可完成样品制备，形成完整的装置结构。用扬声器对其进行激励，可对其发电性能测试，如图7所示。
调节质量块3的质量，使得图3所示金属基板与压电片的机械共振频率接近图2螺旋管装置的声腔共振频率，由于声学和机械两种共振同时存在，系统产生了强烈的声振耦合，对应的压电片在一个较宽的频带上产生了较大的电压，在此频带上将有较好的能量收集效果。测试得到的压电片产生的电压的功率谱如图8所示。可以看到在260Hz到300Hz这个较大的频带上，本装置都具有较好的发电输出效果。
在100分贝声压级下对样品从260Hz到300Hz频带上进行声激励，同时获得最优阻抗为9k欧,得到的压电片产生的峰峰值电压如图8所示。
根据下述公式(2)：
可以得到对应的发电功率。其结果如图9所示，结果为发电最大功率为8.2微瓦,最小值为4.7微瓦,平均值为6.3微瓦。
需要说明的是如果需要对其他频带的声波进行设计，可以修改阿基米德螺旋管的长度，并仿照上述设计过程进行。
综上，本发明通过设计出小型紧凑式声波发电装置，实现低频带入射声波的声压的放大。并进一步利用压电换能器，将声能转换为电能予以收集。通过声振耦合，实现回收频率带宽的拓宽。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (10)
1.一种用于低频宽带的紧凑式声波发电装置，其特征在于，包括：底座、阿基米德螺旋共振腔、金属基板、压电片，其中阿基米德螺旋共振腔采用一端开口且另一端封闭的螺旋管体结构；所述阿基米德螺旋共振腔的下表面固定设置于底座上，且阿基米德螺旋共振腔的上表面固定连接金属基板以形成仅在开口处开放的封闭结构；所述压电片设置于金属基板的表面，且压电片上设置有正负电极。
2.根据权利要求1所述用于低频宽带的紧凑式声波发电装置，其特征在于：还包括用于机械共振频率调节的质量块，所述质量块设置于压电片的表面。
3.根据权利要求1所述用于低频宽带的紧凑式声波发电装置，其特征在于：还包括负载电路，所述负载电路连接压电片的正负电极。
4.根据权利要求3所述用于低频宽带的紧凑式声波发电装置，其特征在于：所述负载电路采用可调电阻箱。
5.根据权利要求1所述用于低频宽带的紧凑式声波发电装置，其特征在于：所述底座采用树脂或金属材料。
6.根据权利要求1所述用于低频宽带的紧凑式声波发电装置，其特征在于：所述底座、金属基板均采用圆形。
7.根据权利要求6所述用于低频宽带的紧凑式声波发电装置，其特征在于：所述金属基板的半径大于阿基米德螺旋共振腔的外周半径且小于底座的半径。
8.根据权利要求1所述用于低频宽带的紧凑式声波发电装置，其特征在于：所述阿基米德螺旋共振腔的上表面通过粘连方式与金属基板固定。
9.根据权利要求8所述用于低频宽带的紧凑式声波发电装置，其特征在于：所述粘连方式采用环氧胶。
10.根据权利要求1所述用于低频宽带的紧凑式声波发电装置，其特征在于：所述压电片采用压电陶瓷材料。
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