CN108233767B - 一种低频声能量回收装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低频声能量回收装置，包括共振腔，共振腔的顶部开设的条状开口处设置有悬臂梁，悬臂梁的一端连接在条状开口位于共振腔的侧壁上端，另一端与条状开口之间形成通口，该通口位置设置有第一声波导管管壁和第二声波导管管壁，第一声波导管管壁与第二声波导管管壁形成朝向共振腔外的通道结构，悬臂梁上安装有压电片。与现有技术相比，当声音入射到第一声波导管管壁与第二声波导管管壁形成的声波导管时，经过共振腔对声波放大，被放大的声波作用在悬臂梁上，悬臂梁振动弯曲产生应变，此时粘贴在悬臂梁上的矩形压电片也随之产生应变，根据压电效应，进而压电片的上下表面就会产生电势差，实现了声能向电能的转换。
Description
技术领域
本发明涉及一种低频声能量回收装置，属于新型环境能量采集装置领域。
背景技术
近年来微机电系统与物联网等技术的飞速发展，使得无线传感器、射频识别(RFID)、无线通讯和嵌入式系统等为代表的低功耗高新技术突飞猛进。越来越多的传感器与微控制器不断涌现。这些装置具有低功耗、耗材小、体积小等优点，但它们面临的最大挑战是供能问题。
这是由于微型器件体积的限制，供电电池可以持续供应的能量十分有限，其次，对于工作在恶劣环境的传感器节点来说，为其更换电池、再次充电非常困难甚至不可能实现。目前，开展新的供能(能量自给)技术研究，寻求一种可以代替电池的自供能新能源成为当前需要解决的关键技术问题。
近年来人们把研究的目光集中在环境中可利用的潜在能源，包括太阳能、热能、潮汐能、声能、生物能和机械振动能等。其中声能较为广泛的存在于自然环境中，且不像太阳能、热能等受到自然条件的限制，所以将环境中的声能直接转换成低功耗微型器件的供能能源具有广阔的应用前景。自然环境中声能无处不在，将自然环境中的声能进行回收是有效的能量回收方法之一。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是针对目前现有的声能量回收装置低频适应性差、发电效率低的问题，提出一种基于含压电悬臂梁的声共振器完成声能量回收，使声能量回收装置能够在低频、低分贝的环境以具有较好的能量收集效果。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种低频声能量回收装置，包括共振腔，所述共振腔的顶部开设有条状开口，该条状开口的一端朝向共振腔的顶部的中心，另一端位于共振腔的侧壁上端，条状开口处设置有悬臂梁，所述悬臂梁的一端连接在条状开口位于共振腔的侧壁上端，另一端与条状开口之间形成通口，该通口位置设置有第一声波导管管壁和第二声波导管管壁，所述第一声波导管管壁安装在通口的条状开口边缘，所述第二声波导管管壁安装在通口的悬臂梁边缘，第一声波导管管壁与第二声波导管管壁形成朝向共振腔外的通道结构，第一声波导管管壁与第二声波导管管壁的同侧管壁之间存在间隙，所述悬臂梁上安装有压电片。
作为进一步的优选方案，所述第一声波导管管壁和第二声波导管管壁的截面均为弧形结构，第一声波导管管壁和第二声波导管管壁合并形成截面呈圆形的管道。
作为进一步的优选方案，所述第一声波导管管壁与第二声波导管管壁的同侧管壁之间存在间隙均大于或等于悬臂梁侧部与共振腔条状开口边缘的间隙。
作为进一步的优选方案，所述压电片贴附在悬臂梁底部。
作为进一步的优选方案，所述压电片的面积小于悬臂梁的面积。
与现有技术相比，本发明的一种低频声能量回收装置，当声音入射到第一声波导管管壁与第二声波导管管壁形成的声波导管时，经过共振腔对声压放大，在共振声腔内会产生较高的声压。声腔内的高声压与声腔外部之间产生的压力差，作为激励力，对顶面上的悬臂梁产生简谐激励。悬臂梁在激励力下将产生受迫振动，结构内将产生应变能。由于压电片粘贴在悬臂梁上，也随之产生应变。根据压电效应，压电片内的应变能可进一步转换为电能，在压电片上下表面会产生电势差，当其正负电极外接负载装置时，电路导通，实现对负载的供电。
传统的基于Helmholtz共振器的声能量回收装置，压电片常粘贴在共振器的柔性金属底面，底面通常为固支边界，导致其难以产生较大的应变，能量收集效果也较差。本专利在不破坏Helmholtz共振器主体结构的同时，巧妙的采用压电悬臂梁作为声电转换器，相较固支边界圆盘压电振子，可以产生更大的机械应变，且由于又配置了基于声波导管作为其附加质量块，可有效降低机械谐振频率，产生更大输出电功率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是共振腔的结构示意图；
图3是悬臂梁的结构示意图；
图4测试中采用的发电性能测试结构示意图；
其中，1-共振腔，2-第一声波导管管壁，3-悬臂梁，4-第二声波导管管壁，5-压电片。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选技术方案。
如图1所示，本发明的一种低频声能量回收装置，该装置在经典Helmholtz共振器的基础上改进得到，结构方面主要包括共振腔1，所述共振腔1的顶部开设有条状开口，该条状开口的一端朝向共振腔1的顶部的中心，另一端位于共振腔1的侧壁上端，条状开口处设置有悬臂梁3，所述悬臂梁3的一端连接在条状开口位于共振腔1的侧壁上端，另一端与条状开口之间形成通口，该通口位置设置有第一声波导管管壁2和第二声波导管管壁4，所述第一声波导管管壁2安装在通口的条状开口边缘，所述第二声波导管管壁4安装在通口的悬臂梁3边缘，第一声波导管管壁2与第二声波导管管壁4形成朝向共振腔1外的通道结构，第一声波导管管壁2与第二声波导管管壁4的同侧管壁之间存在间隙，所述悬臂梁3上安装有压电片5；
本装置利用被剖分的圆柱形声波导管、声波共振腔和压电悬臂梁组成的Helmholtz声共振器对入射声波进行放大。被剖分为两部分的圆柱形声波导管，一部分固定在共振腔顶部，另一部分作为质量块固定在压电悬臂梁末端(自由端)。压电悬臂梁两侧有狭缝，狭缝将悬臂梁3与共振腔1上壁其他部分进行分离，同时悬臂梁3也是共振腔1上顶面的一部分。在Helmholtz声共振器产生共振时带动悬臂梁3振动，进而实现声能到电能的转换。方法解决了现有结构中，在结构参数较小、声源频率较低的情况下Helmholtz声共振器与声电转换振子难以完成谐振匹配的问题，可有效提升声能量回收的功率；
第二声波导管管壁4安装在通口的悬臂梁3边缘，且与第一声波导管管壁2之间有狭缝，根据Helmholtz声共振器的特征频率的计算公式：其中l0＝l+0.82a为声波导管的有效长度，a为声波导管半径，c为声速，s＝πa2为声波导管截面积,V为共振腔体体积。形成的声波导管可以有效降低共振器的声谐振频率；
此外，第二声波导管管壁4还可以作为本专利中设计的悬臂梁3末端质量块。通过这种设计，实现了功能复用。即悬臂梁3既可以作为Helmholtz声共振器顶面的一部分，在某一频率处实现Helmholtz声共振器对入射声压放大，另外悬臂梁3上的声波管可用于附加质量块降低压电悬臂梁的机械共振频率和降低Helmholtz共振器的声共振频率。通过优选的参数设计，可以在低频范围内，完成较好的声电能量转换效果；
传统的基于Helmholtz共振器的声能量回收装置，压电片常粘贴在共振器的柔性金属底面，底面通常为固支边界，导致其难以产生较大的应变，能量收集效果也较差。本专利在不破坏Helmholtz共振器主体结构的同时，巧妙的采用压电悬臂梁作为声电转换器，相较固支边界圆盘压电振子，可以产生更大的机械应变，且由于又配置了基于声波导管作为其附加质量块，可有效降低机械谐振频率，产生更大输出电功率；
第二声波导管管壁4固定的悬臂梁3相较传统周边固定的压电圆盘振子具有较低的谐振频率，因此为使能量回收装置进一步提升工作效果，可通过调节导管和悬臂梁的结构和材料参数，使得声能回收结构声学谐振频率可与压电悬臂梁固有频率相等或相近。
所述第一声波导管管壁2和第二声波导管管壁4的截面均为弧形结构，第一声波导管管壁2和第二声波导管管壁4合并形成截面呈圆形的管道，截面呈圆形的声波导管可以使进入声波更加平稳。
所述第一声波导管管壁2与第二声波导管管壁4的同侧管壁之间存在间隙均大于或等于悬臂梁3侧部与共振腔1条状开口边缘的间隙，第一声波导管管壁2与第二声波导管管壁4的同侧管壁之间存在间隙宽度以及共振腔顶部与悬臂梁3之间的间隙宽度小于0.2mm。
所述压电片5贴附在悬臂梁3底部。
所述压电片5的面积小于悬臂梁3的面积。
声音入射到声波导管时，经过共振腔对声压放大，在共振声腔内会产生较高的声压。声腔内的高声压与声腔外部之间产生的压力差，作为激励力，对顶面上的悬臂梁产生简谐激励。悬臂梁在激励力下将产生受迫振动，结构内将产生应变能。由于压电片粘贴在悬臂梁上，也随之产生应变。根据压电效应，压电片内的应变能可进一步转换为电能，在压电片上下表面会产生电势差，当其正负电极外接负载装置时，电路导通，实现对负载的供电。压电片可以贴在悬臂梁一侧，也可以贴在悬臂梁两侧，当贴于两侧时两片压电片可以采用并联的形式也可以采用串联的形式，并联时可以增加输出电压，串联时可以增加输出电流；
入射声波经圆柱形声波导管传播，进入声波共振腔进行声波放大，被放大的声波激励压电悬臂梁振动，进而完成由声能到电能的转换。压电片正负极外接负载电路，在功能验证阶段可外接一电阻箱，通过阻抗匹配增大输出功率。在后续商品化阶段，可连接特定的低功耗传感器(如温度、压力、加速度等传感器)，实现对低功耗电子设备的供电。根据低频声能回收装置所处环境声源的主频带设定声波导管、声波共振腔和压电悬臂梁的结构尺寸，使构成的Helmholtz声共振器及压电悬臂梁的固有频率处于该主频内，声能回收装置处于谐振状态时声电转换效率最高。本装置利用压电悬臂梁作为Helmholtz声共振器的一部份构成低频声能回收装置，具有结构简单、可回收低频声能及输出较高电压和电功率的特点，是一种频带可选的高效声能量回收装置。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种低频声能量回收装置，其特征在于：包括共振腔（1），所述共振腔（1）的顶部开设有条状开口，该条状开口的一端朝向共振腔（1）的顶部的中心，另一端位于共振腔（1）的侧壁上端，条状开口处设置有悬臂梁（3），所述悬臂梁（3）的一端连接在条状开口位于共振腔（1）的侧壁上端，另一端与条状开口之间形成通口，该通口位置设置有第一声波导管管壁（2）和第二声波导管管壁（4），所述第一声波导管管壁（2）安装在通口的条状开口边缘，所述第二声波导管管壁（4）安装在通口的悬臂梁（3）边缘，第一声波导管管壁（2）与第二声波导管管壁（4）形成朝向共振腔（1）外的通道结构，第一声波导管管壁（2）与第二声波导管管壁（4）的同侧管壁之间存在间隙，所述悬臂梁（3）上安装有压电片（5）；所述第一声波导管管壁（2）和第二声波导管管壁（4）的截面均为弧形结构，第一声波导管管壁（2）和第二声波导管管壁（4）合并形成截面呈圆形的管道；所述第一声波导管管壁（2）与第二声波导管管壁（4）的同侧管壁之间存在间隙均大于或等于悬臂梁（3）侧部与共振腔（1）条状开口边缘的间隙。
2.根据权利要求1所述的一种低频声能量回收装置，其特征在于：所述压电片（5）贴附在悬臂梁（3）底部。
3.根据权利要求1所述的一种低频声能量回收装置，其特征在于：所述压电片（5）的面积小于悬臂梁（3）的面积。
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