CN108418466A - 一种具有声波聚集功能的声能回收试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有声波聚集功能的声能回收试验装置，包括发声单元、超颖表面装置、平面波管，声能收集器和消音腔，发声单元与平面波管相连，声能收集器的端部通过超颖表面装置与平面波管相连，声能收集器的另一端与消音腔相连，从发声单元发出的声波，经过平面波管的引导后，超颖表面装置将声波进行聚焦，声能收集器将经过超颖表面装置聚焦后的声波转化为电能，消音腔将多余的声波消除。本发明所提供的一种具有声波聚集功能的声能回收试验装置，采用平面波管引导声波，生成平面波，可以研究平面波的回收效果。
Description
技术领域
本发明属于能量回收设备技术领域，具体涉及一种具有声波聚集功能的声能回收试验装置。
背景技术
随着微机电系统以及低功耗元器件的快速发展，传感器已经广泛地应用在各个工程领域中。在某些情况下，我们需要将传感器安置在一种与外界隔绝的环境中，例如楼房和桥梁，这时传感器需要拥有独立的供能源才能正常运行。给传感器供能的传统方法是使用化学电池，但是电池续航时间有限且需要定期更换，并不适合用于上述特殊情况中。因此，开发并利用生活中蕴藏巨大且取舍很方便的能量就具有显著的经济效益与社会价值。
近几十年来人们把注意力集中在环境中可以利用的能源上，比如太阳能、潮汐能、风能等，并且得到了长足的发展。然而在一般情况下，太阳能的收集需要阳光充足的天气，很多环境并不能满足这个条件；潮汐能的收集只能应用于海洋环境中；风能也需要在风力较大的情况下才可以获得。另一方面，日常生活中常见的噪声却很少得到人们的关注，而且人们把噪声当成一种污染，并不希望其过多地存在。声能在环境中无处不在，尤其在人类聚居区，而且相对于光能热能而言，它不受环境的变化的影响，所以将环境中的声能直接转化为低功耗器件的供能能源具有广泛应用前景。就现有的声能回收装置而言，其主要两大原理为亥姆霍兹共振原理和声子晶体缺陷态共振原理，但是这种技术只实现了声电之间的互相转换，并未解决如何高效吸收声能的问题。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种结构简单，使用方便，能够将声能转换为电能，具有声波聚集功能的声能回收试验装置。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种具有声波聚集功能的声能回收试验装置，包括发声单元、超颖表面装置、平面波管，声能收集器和消音腔，发声单元与平面波管相连，声能收集器的端部通过超颖表面装置与平面波管相连，声能收集器的另一端与消音腔相连，从发声单元发出的声波，经过平面波管的引导后，超颖表面装置将声波进行聚焦，声能收集器将经过超颖表面装置聚焦后的声波转化为电能，消音腔将多余的声波消除。
优选地，所述发声单元为喇叭支撑结构，发声单元内部设有发声喇叭。
优选地，所述平面波管为圆管状结构，平面波管安装在两个相互平行的支撑架上。
优选地，所述超颖表面装置包括上下对称布置的超颖表面安装板、超颖表面单元和支撑架，上下超颖表面单元之间形成夹缝，超颖表面单元穿过夹缝位与上下对称布置的超颖表面安装板相连，超颖表面安装板与支撑架相连，支撑架用于支撑超颖表面安装板。
优选地，所述超颖表面安装板的横截面为弓形盘状结构，超颖表面安装板上设有凹槽，超颖表面单元通过凹槽与超颖表面安装板相连；超颖表面安装板上设有弓形柱腔和安装孔，弓形柱腔内部填充有消音棉，超颖表面安装板通过安装孔与平面波管相连。
优选地，所述超颖表面单元包括超颖表面基底、超颖表面盖板和超颖表面固定件，超颖表面基底表面内凹形成凹槽，超颖表面盖板放置于超颖表面基底的凹槽中；超颖表面基底的凹槽上设有圆柱腔沉孔，超颖表面盖板上设有超颖表面盖板细孔，超颖表面盖板细孔与圆柱腔沉孔对应；超颖表面固定件通过螺钉将超颖表面基底和超颖表面盖板固定连接。
优选地，所述支撑架上连接有超颖表面夹块，超颖表面夹块与超颖表面安装板通过螺钉相连。
优选地，所述声能收集器包括声能回收圆筒、亥姆霍兹共振腔和支撑翼，声能回收圆筒内部开设有沟槽，亥姆霍兹共振腔通过支撑翼与声能回收圆筒的沟槽相连，亥姆霍兹共振腔包括依次连接的共振腔前板、共振腔空心圆柱、振动薄膜和固定板，共振腔前板、共振腔空心圆柱和振动薄膜构成具有颈部的共振腔，固定板的数量为二，固定板用于固定振动薄膜。
优选地，所述支撑翼与共振腔空心圆柱通过螺栓连接。
优选地，所述消音腔内部安装有消音材料。
本发明的有益效果是：
1、本发明所提供的一种具有声波聚集功能的声能回收试验装置，采用平面波管引导声波，生成平面波，可以研究平面波的回收效果。
2、本发明使用超颖表面装置进行聚焦声波，使声能集中，增强声能回收效率，与平面波的回收效果进行对比。
3、本发明采用亥姆霍兹共振腔的位置可以在声能回收筒中调节位置，可以研究对比在声能聚焦点与非聚焦点的声能回收效果，同时也可以对比非聚焦点的回收效果与平面波的回收效果。
附图说明
图1是本发明一种具有声波聚集功能的声能回收试验装置实施例一的结构示意图；
图2是本发明实施例一平面波管的结构示意图；
图3是本发明实施例一声能收集器的结构示意图；
图4是本发明实施例一超颖表面装置的结构示意图；
图5是本发明实施例一超颖表面安装板的结构示意图；
图6是本发明实施例一图5在A-A方向上的剖视图；
图7是本发明实施例一图5的半剖结构示意图；
图8是本发明实施例一图7在B-B方向上的剖视图；
图9是本发明实施例一进行声波汇聚的示意图；
图10是实施例二的结构示意图。
附图标记说明：1、发声单元；2、超颖表面装置；3、平面波管；4、声能收集器；5、消音腔；20、超颖表面安装板；21、超颖表面单元；22、支撑架；23、弓形柱腔；24、安装孔；25、超颖表面基底；26、超颖表面盖板；27、超颖表面固定件；28、圆柱腔沉孔；29、超颖表面盖板细孔；201、超颖表面夹块；202、夹紧螺栓；203、消音棉；41、声能回收圆筒；42、亥姆霍兹共振腔；43、支撑翼；44、共振腔前板；45、共振腔空心圆柱；46、振动薄膜；47、固定板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
实施例一
如图1到图9所示，本发明提供的一种具有声波聚集功能的声能回收试验装置，包括发声单元1、超颖表面装置2、平面波管3，声能收集器4和消音腔5，发声单元1与平面波管3相连，声能收集器4的端部通过超颖表面装置2与平面波管3相连，声能收集器4的另一端与消音腔5相连，从发声单元1发出的声波，经过平面波管3的引导后，超颖表面装置2将声波进行聚焦，声能收集器4将经过超颖表面装置2聚焦后的声波转化为电能，消音腔5将多余的声波消除。
发声单元1为喇叭支撑结构，发声单元1内部设有发声喇叭。平面波管3为圆管状结构，平面波管3安装在两个相互平行的支撑架上。在本实施例中，平面波管3与超颖表面装置2通过螺栓相连，平面波管3与超颖表面装置2相连的数量为八，且上下对称布置。
超颖表面装置2包括上下对称布置的超颖表面安装板20、超颖表面单元21和支撑架22，上下超颖表面单元21之间形成夹缝，夹缝中安装有消音棉203。超颖表面单元21穿过夹缝位与上下对称布置的超颖表面安装板20相连，超颖表面安装板20与支撑架22相连，支撑架22用于支撑超颖表面安装板20。
超颖表面安装板20的横截面为弓形盘状结构，超颖表面安装板20上设有凹槽，超颖表面单元21通过凹槽与超颖表面安装板20相连；超颖表面安装板20上设有弓形柱腔23和安装孔24，弓形柱腔23内部填充有消音棉203，超颖表面安装板20通过安装孔24与平面波管相连。
超颖表面安装板20可以通过安装孔24与其它装置进行灵活的组合，可与平面波管，传感检测模块连接，构成完整的实验设备用来探究超颖表面的频率、阻抗以及更多特性。
超颖表面单元21包括超颖表面基底25、超颖表面盖板26和超颖表面固定件27，超颖表面基底25表面内凹形成凹槽，超颖表面盖板26放置于超颖表面基底25的凹槽中；超颖表面基底25的凹槽上设有圆柱腔沉孔28，超颖表面盖板26上设有超颖表面盖板细孔29，超颖表面盖板细孔29与圆柱腔沉孔28对应；超颖表面固定件27通过螺钉将超颖表面基底25和超颖表面盖板26固定连接。圆柱腔沉孔28的数量为四，圆柱腔沉孔28呈线性排列在超颖表面基底25的凹槽中。
在本实施例中，多个超颖表面单元21间隔的布置在超颖表面安装板20之间。相邻超颖表面单元21之间的间隙为单缝，通过更改相邻超颖表面单元21的单缝宽度便可实现不同的相位梯度分布，从而实现不同的折射角的声波操控，还能实现的声波波阵面操纵有平面波异常折射，无衍射贝塞尔波束，声波汇聚等。
超颖表面单元21与超颖表面安装板20通过上下布置的夹紧螺栓202相连，夹紧螺栓202用于调节超颖表面单元21在超颖表面安装板20中间的位置。在本实施例中，可根据设计需要进行调节超颖表面单元21在超颖表面安装板20中间的位置，从而达到最佳的使用效果和要求。
支撑架22上连接有超颖表面夹块201，超颖表面夹块201与超颖表面安装板20通过螺钉相连。
本发明的工作过程和原理是：
首先确定声波频率以及想要实现的声波操纵形式，从而确定超颖表面单元21的放置位置，具体过程如下：
本发明采用了亥姆霍兹共振腔(Helmholtz resonator,HR)实现声波的异常折射。图6所展示的超颖表面单元21由阵列的HR组成，其尺寸结构见图7。该单元的等效体积模量可表示为：
式中，是空气的体积模量，F＝ab/Ld是HR腔体和单缝部分的面积比，ω0是HR的共振频率，Γ是HR的固有损失。等式(1)表示超颖表面的单元21有2个特征频率和其中是表征HR腔体弹簧效应的声容，MHR＝ρ0heff/l是与在HR喉部中的空气质量所对应的声质量，heff是喉部的有效长度。在ω0＜ω＜ωn的频率范围内，有效体积模量的实部是负值。根据声波波动方程和牛顿定律可知，HR的存在不会影响有效质量。因此，有效声速可以表达成超颖表面单元21的波矢量可表达成在ω0＜ω＜ωn的频率范围内，波矢量为虚数，声波在x方向迅速衰减，不能穿过超颖表面。在其他频率范围如ω＜ω0，ω＞ωn，波矢量为实数，声波能很好地穿过超颖表面。忽略固有损失，超颖表面单元21中的有效声速的倒数可以写成：
等式(2)指出：(i)随着频率从ω0衰减到0，有效声速从0增加到该值小于空气中的声速c0。(ii)在ω＞ωn的频率范围内，随着频率的增加，有效声速从无穷大减少到0。(iii)声速受HR腔体和单缝部分的面积比F影响。对于小于ω0的频率，有效声速值与F成反比。适当地选取单缝宽度，F的值也会同时改变，并且d与F之间存在反比关系。因此，当频率ω＜ω0时，通过改变单缝宽度我们可以轻易地得到理想的声速梯度。
声波穿过超颖表面之后，会出现声波相位不连续现象。一般地，任意波阵面操作都可以由广义斯奈尔定律指导。穿过声学超颖表面的传输声波可写作下式：
式中，θt(y)，θi(y)分别是折射角和入射角。Φ(y)为相位因子，k0＝ω/c0为空气中的波矢量。我们发现，通过改变相位因子的梯度，入射声波可以被任意折射。当有一个在我们感兴趣的频率范围内的平面波沿超颖表面法向入射(即θi(y)＝0)，通过选取超颖表面单元21的单缝宽度，可以得到梯度分布的减缓声速。相位梯度可写作其中c(y)是沿着超颖表面y方向的速度。将相位梯度带入等式(3)，折射角可写作：
等式(4)表明，折射角直接由1/c(y)的梯度决定。因此，通过调整速度倒数梯度项，可以实现任意波阵面的操纵，即：
以声波汇聚为例，计算实现声波波阵面操控所需的单缝宽度步骤如下。图8展示了声波汇聚概念原理图，所设计的超颖表面能将入射的平面波汇聚到焦点(x0，0)上，折射角的正弦值可写作：
则沿着y方向的速度倒数分布可以写作如下等式：
式中x0为焦点的横坐标，在超颖表面中点处有最小速度c(0)＝cmin(0)。在超颖表面边缘处有最大速度将速度倒数带入等式(2)，即可反解出单缝宽度d。
求解出超颖表面单元21的单缝宽度之后，用游标卡尺准确地放置超颖表面单元21，并用夹紧螺栓202将其位置固定，在超颖表面安装板20的半月形凹槽内和超颖表面安装板20上的凹槽两侧放置消音棉23，确保声波只能从超颖表面传输到环境，且不会在超颖表面安装板上反射，影响超颖表面效果。
声能收集器4包括声能回收圆筒41、亥姆霍兹共振腔42和支撑翼43，声能回收圆筒41内部开设有沟槽，亥姆霍兹共振腔42通过支撑翼43与声能回收圆筒42的沟槽相连，支撑翼43能够带动亥姆霍兹共振腔42在声能回收圆筒42内部移动。亥姆霍兹共振腔42包括依次连接的共振腔前板44、共振腔空心圆柱45、振动薄膜46和固定板47，共振腔前板44、共振腔空心圆柱45和振动薄膜46构成具有颈部的共振腔，固定板47的数量为二，固定板47用于固定振动薄膜46。支撑翼43与共振腔空心圆柱45通过螺栓连接。消音腔5内部安装有消音材料，消音材料可以为消音海绵等。
为了便于理解本发明的工作原理，将本发明的工作过程再叙述一遍：发声单元1发出声音，经过平面波管3引导，传到超颖表面装置2进行声波聚焦，聚焦后的声波然后进入亥姆霍兹共振腔42引起振动薄膜46振动，进而带动压电材料振动，产生电能。透射的声波进入连接在声能收集器4后面的消音腔5，防止声波反射，影响回收效果。
实施例二
如图10所示，与实施例一相比较而言，本实施例缺少超颖表面装置2，其余部件相同。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种具有声波聚集功能的声能回收试验装置，其特征在于：包括发声单元(1)、超颖表面装置(2)、平面波管(3)，声能收集器(4)和消音腔(5)，发声单元(1)与平面波管(3)相连，声能收集器(4)的端部通过超颖表面装置(2)与平面波管(3)相连，声能收集器(4)的另一端与消音腔(5)相连，从发声单元(1)发出的声波，经过平面波管(3)的引导后，超颖表面装置(2)将声波进行聚焦，声能收集器(4)将经过超颖表面装置(2)聚焦后的声波转化为电能，消音腔(5)将多余的声波消除。
2.根据权利要求1所述的一种具有声波聚集功能的声能回收试验装置，其特征在于：所述发声单元(1)为喇叭支撑结构，发声单元(1)内部设有发声喇叭。
3.根据权利要求1所述的一种具有声波聚集功能的声能回收试验装置，其特征在于：所述平面波管(3)为圆管状结构，平面波管(3)安装在两个相互平行的支撑架上。
4.根据权利要求1所述的一种具有声波聚集功能的声能回收试验装置，其特征在于：所述超颖表面装置(2)包括上下对称布置的超颖表面安装板(20)、超颖表面单元(21)和支撑架(22)，上下超颖表面单元(21)之间形成夹缝，超颖表面单元(21)穿过夹缝位与上下对称布置的超颖表面安装板(20)相连，超颖表面安装板(20)与支撑架(22)相连，支撑架(22)用于支撑超颖表面安装板(20)。
5.根据权利要求4所述的一种基于亥姆霍兹共振腔的声学超颖表面装置，其特征在于：所述超颖表面安装板(20)的横截面为弓形盘状结构，超颖表面安装板(20)上设有凹槽，超颖表面单元(21)通过凹槽与超颖表面安装板(20)相连；超颖表面安装板(20)上设有弓形柱腔(23)和安装孔(24)，弓形柱腔(23)内部填充有消音棉(203)，超颖表面安装板(20)通过安装孔(24)与平面波管相连。
6.根据权利要求4所述的一种基于亥姆霍兹共振腔的声学超颖表面装置，其特征在于：所述超颖表面单元(21)包括超颖表面基底(25)、超颖表面盖板(26)和超颖表面固定件(27)，超颖表面基底(25)表面内凹形成凹槽，超颖表面盖板(26)放置于超颖表面基底(25)的凹槽中；超颖表面基底(25)的凹槽上设有圆柱腔沉孔(28)，超颖表面盖板(26)上设有超颖表面盖板细孔(29)，超颖表面盖板细孔(29)与圆柱腔沉孔(28)对应；超颖表面固定件(27)通过螺钉将超颖表面基底(25)和超颖表面盖板(26)固定连接。
7.根据权利要求4所述的一种基于亥姆霍兹共振腔的声学超颖表面装置，其特征在于：所述支撑架(22)上连接有超颖表面夹块(201)，超颖表面夹块(201)与超颖表面安装板(20)通过螺钉相连。
8.根据权利要求1所述的一种具有声波聚集功能的声能回收试验装置，其特征在于：所述声能收集器(4)包括声能回收圆筒(41)、亥姆霍兹共振腔(42)和支撑翼(43)，声能回收圆筒(41)内部开设有沟槽，亥姆霍兹共振腔(42)通过支撑翼(43)与声能回收圆筒(42)的沟槽相连，亥姆霍兹共振腔(42)包括依次连接的共振腔前板(44)、共振腔空心圆柱(45)、振动薄膜(46)和固定板(47)，共振腔前板(44)、共振腔空心圆柱(45)和振动薄膜(46)构成具有颈部的共振腔，固定板(47)的数量为二，固定板(47)用于固定振动薄膜(46)。
9.根据权利要求8所述的一种具有声波聚集功能的声能回收试验装置，其特征在于：所述支撑翼(43)与共振腔空心圆柱(45)通过螺栓连接。
10.根据权利要求1所述的一种具有声波聚集功能的声能回收试验装置，其特征在于：所述消音腔(5)内部安装有消音材料。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 朱一凡等: "基于声超表面的超薄施罗德散射体", 《声学技术》 * |
Also Published As
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