CN108322092B - 增强型气流致声激振装置及增强型气流致声激振方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及气流压电发电技术领域，具体而言，涉及一种增强型气流致声激振装置及增强型气流致声激振方法，包括：壳体和设于壳体内的环音振动机构和压电换能机构。环音振动机构，包括设于壳体一端开口部的微孔增流组件、位于壳体内腔中的环形谐振腔，以及位于微孔增流组件与环形谐振腔之间的且与环形谐振腔同轴设置的中心柱；微孔增流组件包括一环形堵塞和位于该环形堵塞外周的环形喷气道；环形喷气道与环形谐振腔贯通相连；环形谐振腔与微孔增流组件相对的端部具有环形尖劈，当气流通过环形喷气道后冲压环形尖劈处，环形尖劈产生音频扰动使环形谐振腔内部的空气进入谐振状态；以及压电换能机构，收容于壳体的另一端开口部配置的盖板内侧壁。
Description
技术领域
本发明涉及气流压电发电技术领域，具体而言，涉及一种增强型气流致声激振装置及增强型气流致声激振方法。
背景技术
振源来自环境气流的小型压电换能装置，是一种清洁的再生能源。可为各种复杂应用系统的电子系统(或微电子系统)自供电，或作为其他能源的补充。
目前，利用环境气流激振的压电换能装置中，激振方法之一是应用谐振腔的反馈特点来提供稳定的声源激励。其存在以下2个方面的问题：①启动速度偏高，因入流速度需达到较大值时才会产生可驱动压电换能装置发电的稳定声源，使得其应用范围变窄。往往需设计复杂的进气道装置，将入流速度提高来扩大其使用范围。②声源功率低，因采用单一谐振腔形式，其对声源功率提高程度有限，从而使压电换能装置的输出功率不大。
因此，针对启动速度偏高、声源功率低这一难题，为了实现压电换能装置振动时的较大输出功率，如何改善增强型气流致声激振机构的激励性能，降低启动速度，提高声源功率，提供一个增强型增强型气流致声激振方法，是一个关键问题。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种增强型气流致声激振装置，以解决提高声源功率和提高压电换能机构振动时的输出功率的技术问题。
本发明的第二目的是提供一种增强型气流致声激振方法，以解决提高声源功率和提高压电换能机构振动时的输出功率的技术问题。
本发明的增强型气流致声激振装置是这样实现的：
一种增强型气流致声激振装置，包括：壳体和设于所述壳体内的环音振动机构和压电换能机构；其中
环音振动机构，包括设于所述壳体一端开口部的微孔增流组件、位于所述壳体内腔中的环形谐振腔，以及位于所述微孔增流组件与环形谐振腔之间的且与所述环形谐振腔同轴设置的中心柱；所述微孔增流组件包括一环形堵塞和位于该环形堵塞外周的环形喷气道；所述环形喷气道与所述环形谐振腔贯通相连；所述环形谐振腔与所述微孔增流组件相对的端部具有环形尖劈，当气流通过环形喷气道后冲压环形尖劈处，所述环形尖劈产生音频扰动使环形谐振腔内部的空气进入谐振状态；以及
压电换能机构，收容于所述壳体的另一端开口部配置的盖板内侧壁。
在本发明较佳的实施例中，所述压电换能机构采用压电PZT陶瓷制成压电片，该压电片位于所述环形谐振腔的底部以构成环形谐振腔的刚性壁面。
在本发明较佳的实施例中，所述压电片在最低振型下的固有频率等于环形谐振腔内的空气谐振频率。
在本发明较佳的实施例中，所述环形喷气道为一环形贯通的进气槽，该进气槽的槽壁通过一组筋板与所述环形堵塞相连；以及
所述进气槽的进气端的内径大于该进气槽的出气端的内径。
在本发明较佳的实施例中，所述环形喷气道为一环形结构的间隔设置的若干进气孔；
所述进气孔的进气端的内径大于该进气孔的出气端的内径。
在本发明较佳的实施例中，所述微孔增流组件与所述环形谐振腔之间留有间隙；所述中心柱位于该间隙处；以及
所述中心柱的一端与所述环形堵塞固定相接形成固定端。
在本发明较佳的实施例中，所述中心柱的另一端的活动端部分地伸入所述环形谐振腔内。
在本发明较佳的实施例中，所述间隙的周向开有数个垂直轴或倾斜的排气孔。
在本发明较佳的实施例中，所述环形尖劈为外倒角结构；以及
所述环形尖劈对准所述环形喷气道的出气端。
本发明的增强型气流致声激振方法是这样实现的：
一种增强型气流致声激振方法，采用所述的增强型气流致声激振装置；且包括：
步骤S1，在环形谐振腔中形成驻波共振；
步骤S2，压电换能机构振动形成电压。
本发明实施例具有以下有益效果：本发明的增强型气流致声激振装置及增强型气流致声激振方法，通过装置外部的不稳定入流在环形喷气道内流动，在环形喷气道的出气端形成喷注，由环形喷气道的出气端发出的喷注在环形谐振腔前端静止的空气中通过时，喷注的边界上因高速流与静止介质的接触，不断产生旋涡，向前推动且不断发展变宽。射流冲击环形尖劈后被分离，产生扰动形成气动声源，即边棱音。边棱音可以近似等效成一个偶极子声源，偶极子声源间的周期性振荡可当作成一个压力源。一部分反射回环形喷气道的出气端和中心柱，激发更多旋涡。另一部分在环形谐振腔内进行传播，并在底部(刚性壁面)反射回来。环形谐振腔内同时存在正、负向声波，如果它们同相则振动加强，即形成驻波共振，环形谐振腔底部声压最大(压力波的波腹)，可产生主要由环形谐振腔决定的稳定。经过一段时间的耦合作用后，系统达到稳定状态。此时，射流在环形尖劈附近周期性地振荡，以维持边棱音以及环形谐振腔内的驻波共振。环形谐振腔底部的声压，即激振力，作用于压电换能机构表面，驱动其振动，压电片将会产生应变形成电压。而中心柱的存在一方面使得环形喷气道的出气端与环形谐振腔之间的截面减小，气流流速加快；另一方面使得波动气流作用于中心柱后被充分地向外反射，降低了气流间的干扰，使得机械能被更好地转换为声能。
本发明的增强型气流致声激振装置及增强型气流致声激振方法提供了一种新型的无活动零件的气流致声强制压电发电强制振动装置，具有机械自调制气流激发流体动力声源的强制振动机械系统；满足了汽车、无人驾驶车辆、武器应用系统、航天航空系统、机器人、城市或小区照明等各种领域的应用系统自供电的需求，提高清洁的可再生能源，具有重要的理论价值和工程指导意义。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1示出了本发明实施例所提供的一种增强型气流致声激振装置的第一种实施方式下的结构示意图；
图2示出了本发明实施例所提供的一种增强型气流致声激振装置的阻塞的俯视结构示意图；
图3示出了本发明实施例所提供的一种增强型气流致声激振装置的第二种实施方式下的结构示意图；
图4示出了本发明实施例所提供的一种增强型气流致声激振装置的第三种实施方式下的结构示意图；
图5示出了本发明实施例所提供的一种增强型气流致声激振装置的微孔增流组件的俯视结构示意图；
图6示出了本发明实施例所提供的一种增强型气流致声激振装置的微孔增流组件的另一实施方式下的俯视结构示意图。
图中：壳体100、环形谐振腔102、中心柱103、阻塞104、进气口105、盖板109、圆形凹槽110、间隙112、排气孔115、环形堵塞201、环形喷气道202、环形尖劈203、筋板204、压电换能机构300。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
实施例1：
请参阅图1所示，本发明提供了一种增强型气流致声激振装置，包括：壳体100和设于壳体100内的环音振动机构和压电换能机构300。
环音振动机构，包括设于壳体100一端开口部的微孔增流组件、位于壳体100内腔中的环形谐振腔102，以及位于微孔增流组件与环形谐振腔102之间的且与环形谐振腔102同轴设置的中心柱103；微孔增流组件包括一环形堵塞201和位于该环形堵塞201外周的环形喷气道202；环形喷气道202与环形谐振腔102贯通相连；环形谐振腔102与微孔增流组件相对的端部具有环形尖劈203，当气流通过环形喷气道202后冲压环形尖劈203处，环形尖劈203产生音频扰动使环形谐振腔102内部的空气进入谐振状态。
其中，本实施例中环形尖劈203为外倒角结构；以及环形尖劈203对准环形喷气道202的出气端。
请参阅图2所示，本实施例的壳体100一端的开口部还设有一适于抵顶所述微孔增流组件的阻塞104，该阻塞104为一圆柱体中心处向外延的1/2半径处两对称平面铣削成结构以在阻塞104与壳体100的内侧壁之间形成狭窄状的进气口105。阻塞104通过外螺纹与壳体100一端的开口部相接固定。
微孔增流组件的环形堵塞201中心位置有螺纹孔，以及微孔增流组件的外部有螺纹。通过外螺纹联接安装于壳体100一端开口部。
环形谐振腔102是一个两端开口的圆管，其长度与直径之比需大于0.5。前端加工成尖劈状；后端与压电换能机构300贴合，形成半封闭式圆管。
压电换能机构300，收容于壳体100的另一端开口部配置的盖板109内侧壁。本实施例的压电换能机构300采用压电PZT陶瓷制成压电片，该压电片位于环形谐振腔102的底部以构成环形谐振腔102的刚性壁面。压电片在最低振型下的固有频率等于环形谐振腔102内的空气谐振频率。
具体的，盖板109为阶梯型结构，前端有内螺纹，用于联接外壳体100的外侧壁的外螺纹；底部有一个圆形凹槽110，用于容置部分的压电换能机构300，起定位作用。
可选的，请参阅图3和图5所示，环形喷气道202为一环形贯通的进气槽2021，该进气槽2021的槽壁通过一组筋板204与所述环形堵塞201相连；以及进气槽2021的进气端的内径大于该进气槽的出气端的内径。
还可选的，请参阅图3和图6所示，环形喷气道202为一环形结构的间隔设置的若干进气孔2022；进气孔2022的进气端的内径大于该进气孔2022的出气端的内径。
当进气槽或进气孔的进气端的内径大于出气端的内径时，在出气端形成锥形的小流量的出气结构，有利于该环形喷气道202对小流量高压气体进行流量放大，放大流量后的气体通过锥形气流喷射端喷出，激励出口处压电换能机构300，使内部压电片产生弯曲形变，利用正压电效应实现电能转化。
微孔增流组件与环形谐振腔102之间留有间隙112；间隙112的周向开有数个垂直轴或倾斜的排气孔115。
中心柱103位于间隙112处；以及中心柱103的一端与环形堵塞201固定相接形成固定端。中心柱103的另一端的活动端部分地伸入环形谐振腔102内。本实施例的中心柱103是圆柱形结构，一端有外螺纹。通过外螺纹联接环形堵塞201的螺纹孔，使其安装于环形堵塞201中心，并处于环形谐振腔102的中心轴线上。
可选的，请参阅图4所示，，中心柱103采用圆柱体结构，还可选的，中心柱103采用棱柱体结构，例如但限于六棱柱或八棱柱。设计诶棱柱体结构时，中心柱103上的尖劈处可实现射流冲击该中心柱103的尖劈后被分离的现象，进一步增强气流的漩涡效果。
实施例2：
在实施例1的增强型气流致声激振装置的基础上，本实施例提供了一种增强型气流致声激振方法，采用实施例1的一种增强型气流致声激振装置。包括：步骤S1，在环形谐振腔102中形成驻波共振；步骤S2，压电换能机构300振动形成电压。
具体的，本实施例的增强型气流致声激振方法具体的实施原理如下：壳体100外部的气流多为层流，经过进气口105迅速转捩为湍流，再经过环形喷气道202的在环形谐振腔102内形成喷注，喷注通过环形谐振腔102时与腔内静止的空气相遇，喷注的边界上因高速流与静止介质的接触，发生旋涡和脱落现象，向前推动且不断发展变宽。射流冲击环形尖劈203后被分离，产生扰动形成气动声源，即边棱音。边棱音可以近似等效成一个偶极子声源，偶极子声源间的周期性振荡可当作成一个压力源。一部分反射回环形喷气道202的出气端和中心柱103，激发更多旋涡。另一部分在环形谐振腔102内进行传播，并在底部(刚性壁面)反射回来。环形谐振腔102内同时存在正、负向声波，如果它们同相则振动加强，即形成驻波共振，环形谐振腔102底部声压最大(压力波的波腹)，可产生主要由环形谐振腔102决定的稳定。经过一段时间的耦合作用后，系统达到稳定状态。此时，射流在环形尖劈203附近周期性地振荡，以维持边棱音以及环形谐振腔102内的驻波共振。环形谐振腔102底部的声压，即激振力，作用于压电换能机构300表面，驱动其振动，压电片将会产生应变形成电压。
本发明的增强型气流致声激振装置及增强型气流致声激振方法可在壳体100外部的气流的入流速度相对较低、不增加复杂进气道结构的情况下，产生可驱动压电换能机构300发电的稳定声源，使入流速度的应用范围变宽。同时，中心柱103的存在一方面使得环形喷气道202的出气端与环形谐振腔102之间的截面减小，气流流速加快；另一方面使得波动气流作用于中心柱103后被充分地向外反射，降低了气流间的干扰，使得机械能被更好地转换为声能，即通过改进增强型气流致声激振机构的结构，改善其激励性能，达到提高声源功率的目的，有利于提高压电换能机构300振动时的输出功率。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种增强型气流致声激振装置，其特征在于，包括：壳体(100)和设于所述壳体(100)内的环音振动机构和压电换能机构(300)；其中
环音振动机构，包括设于所述壳体(100)一端开口部的微孔增流组件、位于所述壳体(100)内腔中的环形谐振腔(102)，以及位于所述微孔增流组件与环形谐振腔(102)之间的且与所述环形谐振腔(102)同轴设置的中心柱(103)；所述微孔增流组件包括一环形堵塞(201)和位于该环形堵塞(201)外周的环形喷气道(202)；所述环形喷气道(202)与所述环形谐振腔(102)贯通相连；所述环形谐振腔(102)与所述微孔增流组件相对的端部具有环形尖劈(203)，当气流通过环形喷气道(202)后冲压环形尖劈(203)处，所述环形尖劈(203)产生音频扰动使环形谐振腔(102)内部的空气进入谐振状态；中心柱(103)采用棱柱体结构；以及
压电换能机构(300)，收容于所述壳体(100)的另一端开口部配置的盖板(109)内侧壁；
所述环形喷气道 (202)为一环形结构的间隔设置的若干进气孔(2022)；
所述进气孔(2022)的进气端的内径大于该进气孔(2022)的出气端的内径；
所述微孔 增流组件与所述环形谐振腔(102)之间留有间隙(112)；所述中心柱(103)位于该间隙(112) 处；以及
所述中心柱(103)的一端与所述环形堵塞(201)固定相接形成固定端；
所述中心柱(103)的 另一端的活动端部分地伸入所述环形谐振腔(102)内。
2.根据权利要求1所述的增强型气流致声激振装置，其特征在于，所述压电换能机构(300)采用压电PZT陶瓷制成压电片，该压电片位于所述环形谐振腔(102)的底部以构成环形谐振腔(102)的刚性壁面。
3.根据权利要求2所述的增强型气流致声激振装置，其特征在于，所述压电片在最低振型下的固有频率等于环形谐振腔(102)内的空气谐振频率。
4.根据权利要求1所述的增强型气流致声激振装置，其特征在于，所述间隙(112)的周向开有数个垂直轴或倾斜的排气孔(115)。
5.根据权利要求1所述的增强型气流致声激振装置，其特征在于，所述环形尖劈(203)为外倒角结构；以及
所述环形尖劈(203)对准所述环形喷气道(202)的出气端。
6.一种增强型气流致声激振方法，其特征在于，采用如权利要求1～5任一项所述的增强型气流致声激振装置；且包括：
步骤S1，在环形谐振腔(102)中形成驻波共振；
步骤S2，压电换能机构(300)振动形成电压。
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