CN108493330B - 声学超构材料、声波振动能量收集器和电子设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种声学超构材料、声波振动能量收集器和电子设备，所述声学超构材料具有周期性金刚石晶体结构，所述周期性金刚石晶体结构的最小重复单元为晶格，每个所述晶格包括桁架单元，每个所述桁架单元包括交汇于连接点处的四个直杆状的桁架，每个桁架在所述连接点处向外延伸有一段悬臂，所述悬臂表面包覆有压电材料层，所述压电材料层的表面设置有引出电极。通过利用特殊设计的声学超构材料对于带隙频率内的声波的强吸收特性，高效地转化为材料的结构振动，通过在结构的近声表面、远声表面及结构内部的最大形变处贴附压电材料，达到振动能量全面高效的收集，以便为小型便携式电子设备及无线微传感器件等终端设备提供即时能量。
Description
技术领域
本申请涉及新型能源技术领域，尤其涉及一种能够将低能量密度特征的声波振动能量进行高效率吸收的声学超构材料、声波振动能量收集器和电子设备。
背景技术
近年来，在人们的日常生活中，小型便携式电子设备，无线传感器和微机电系统(MEMS)越来越普及，各种实用功能型电子设备也向着更加小型化和集成化方向发展。这些设备终端的供电方式通常是通过化学电池进行独立供电，而电池的续航能力是与电池的大小成正比的，这使得设备小型化和设备的续航能力成为了矛盾，而目前的解决方式只能是在两个问题上面做折中处理。由此可见，一个高效可靠的自供电方案对于微电子设备终端而言显得越来越重要。
此外，随着各种资源环境问题的增加和恶化，可再生能源和清洁能源形式如今引起了全世界的高度关注，努力开发利用各种形式的环境能量，如太阳能、风能、热能、机械振动和生化效应等早已成为科学届的一大研究领域，甚至被看作是人类未来的出路。
声波作为一种可以携带机械振动能量的环境能源，同样具有可再生性和清洁性，目前，如何对声能进行高效地收集已经成为一个研究热点。声波振动能量收集策略就是通过设计一定的能量转换机制，实现声波振动能量的回收和电能的形式的转化，并可以为后续微电子设备进行供电或充电。但是由于声能的低功率密度的特点，声能通常需要在能够有效收集并通转换成电能之前，通过结构设计进行限制或局域化。目前，传统的基于声波的能量收集方法的结构设计在实际应用中具有局限性，存在难以小型化、谐振频率误差较大等问题，难以普及，且换能效率也并不能令人满意，极大地限制了应用。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提出了一种声学超构材料、声波振动能量收集器和电子设备，其核心思想是旨在利用特殊设计的声学超构材料对于带隙频率内的声波的强吸收特性，高效地转化为材料的结构振动，通过在结构的近声表面、远声表面及结构内部的最大形变处贴附压电材料，达到振动能量全面高效的收集，以便为小型便携式电子设备及无线微传感器件等终端设备提供即时能量。
本发明的第一方面提供了一种声学超构材料，其具有周期性金刚石晶体结构，所述周期性金刚石晶体结构的最小重复单元为晶格，每个所述晶格包括桁架单元，每个所述桁架单元包括交汇于连接点处的四个直杆状的桁架，每个桁架在所述连接点处向外延伸有一段悬臂，所述悬臂表面包覆有压电材料层，所述压电材料层表面设置有引出电极。
本发明的第二方面提供了一种声波振动能量收集器，包括由上述的声学超构材料形成的声学超构材料层；第一压电换能层，其位于声学超构材料层的近声表面，由压电材料构成；以及第二压电换能层，其位于声学超构材料层的远声表面，由压电材料构成。
进一步的，在所述第一压电换能层的远离声学超构材料层的表面还设置有第一声阻抗匹配层，所述第一声阻抗匹配层的声阻抗的大小介于第一压电换能层声阻抗和背景介质声阻抗之间。
进一步的，在所述第二压电换能层和声学超构材料层的远声表面之间，还设置有第二声阻抗匹配层，所述第二声阻抗匹配层的声阻抗的大小介于第二压电换能层声阻抗和声学超构材料层声阻抗之间。
进一步的，所述第一压电换能层的两个表面分别设置有第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极连接至储能元件，以构成第一供电电路；所述第二压电换能层的两个表面分别设置有第三电极和第四电极，所述第三电极和第四电极连接至所述储能元件，以构成第二供电电路；所述第一供电电路和所述第二供电电路并联连接。
进一步的，每个悬臂表面的压电材料层的引出电极均并联连接至储能元件。
进一步的，所述第一声阻抗匹配层和/或所述第二声阻抗匹配层为单层结构、双层结构、多层结构、或者为渐变过渡声阻抗匹配材料。
进一步的，所述单层结构、双层结构或多层结构中的每一层的厚度约为声波波长的四分之一。
进一步的，所述单层结构的声阻抗率Z1是入射介质和透射介质的声阻抗率Z0和Z的几何平均：或者，所述双层结构的每一层的声阻抗率Z1p、Z2p与入射介质和透射介质的声阻抗率Z0和Z的关系为：
本发明的第三方面提供了一种电子设备，包括上述任意所述的声波振动能量收集器和负载。
本发明的第四方面提供了一种电源，包括上述任意所述的声波振动能量收集器和电源管理电路。
本发明创造性的将声学超构材料用于声能收集，通过将弹性桁架单元作为声学超构材料晶格设计的构建元素，其传输带隙的大小和频率位置可以通过弹性桁架单元的尺寸及材料的选择进行调整，声学超构材料晶格中的每个桁架在所述连接点处向外延伸的悬臂上包覆有压电材料层，当发生振动形变时，在悬臂的根部连接点处具有最高应力值，此时可进行高效的振动—电能转换。本发明提供的声波振动能量收集器通过将上述声学超构材料制备为层状结构，并在超构材料的近声表面和远声表面进一步贴附压电材料和声阻抗匹配层，达到振动能量全面高效的收集。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1为本发明一个实施例中具有周期性金刚石结构的声学超构材料的结构示意图；
图2为本发明一个实施例中声学超构材料的晶格示意图；
图3为本发明一个实施例中包覆有压电材料层的桁架悬臂的示意图；
图4为本发明一个实施例中声学超构材料的能带图；
图5为本发明另一实施例中声波振动能量收集器的结构图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本申请的示例性实施例。虽然附图中显示了本申请的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本申请的声学超构材料并不是单纯地所指某一种具体材料，而是指一种人工结构，应用某一种或某几种自然界存在的普通材料人工设计的一种亚波长水平的周期性弹性结构，特定频率的声波在其中传播时，可以表现出自然界材料所不具有的诸多超常的能力和特性，如负等效质量密度、负模量、负泊松比、声波导向性、声学隐身等等，因此现有技术中经常将声学超构材料用作声隐身、聚焦成像、声学单向镜、声波操控、隔声、振动与噪声控制。
发明人经过对声学超构材料的大量研究和实验，创造性的发现声学超构材料竟然对声波能量的吸收有着不同于普通材料的良好效果。具体而言，声波携带的能量由背景介质(例如，若超构材料放置在水或空气中，水或空气就是背景介质)中的压力波和在超构材料的弹性框架中传播的应力波传递，并且压力波和应力波两个场存在着强耦合，用于吸收声波振动能量的主要机制是超构材料弹性框架和背景介质交界面处的粘弹性和振动声学效应。
为此，发明人对声学超构材料的结构进行了改进，参见图1-3。改进后的声学超构材料是以弹性桁架单元为元素构建的周期性金刚石结构，如图1所示，该周期性结构的最小重复单元称为晶格，如图2所示，每个所述晶格包括桁架单元(图1、图2中未示出)，每个所述桁架单元包括交汇于连接点处的四个直杆状的桁架，每个桁架在所述连接点处向外延伸有一段悬臂，所述悬臂表面包覆有压电材料层，压电材料层的表面设置有引出电极(图3未视出)，如图3所示。与现有技术中的各种声学超构材料相比，改进后的声学超构材料通过引入悬臂式结构，基于动态阻尼原理，能够将振动能量传递给悬臂辅助结构来实现对超构材料的主结构中振动的吸收，具体来说，所述悬臂式辅助结构由于具有与超构材料的主结构相同的共振频率，在所述改进后的声学超构材料的结构发生振动形变时，在悬臂的根部(即桁架交汇的连接点处)具有最高应力值，通过在悬臂表面包覆压电材料层和设置内外电极，能够使悬臂压电微器件的性能最大化，可进行高效的振动—电能转换。
需要指出的是，压电材料可进行声电信号的相互转化，声转电的工作原理是应用了其压电效应，目前应用较多的压电材料主要有五大类，即压电单晶体(天然单晶体石英、电石等)、压电陶瓷(钛酸钡BT、锆钛酸钡PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等)、压电高分子聚合物(聚偏氟乙烯PVDF、聚二氟乙烯PVF2)、压电复合材料以及压电半导体等。需要指出的是，用于振动能量收集时，电能的产生来源于压电材料的形变作用，主要关注压电材料与应用场景的结构耦合，厚度参数仅需遵从与结构的适应原则，并无其它明确的设计规则，此外为悬臂结构包覆压电材料层的方法，例如可以采用常见的化学沉积工艺。压电材料层表面设置引出电极的方法，例如可以将引出电极的导线制作的很细，以贴附桁架走线，或者埋敷在桁架里，最终在声学超构材料外表面以并联电路的形式汇聚为两个电极，最后通过这两个电极将电能引入储能单元。上述工艺或具体制备方法并不是本发明重点关注的内容，在此不做过多赘述。
上述改进后的声学超构材料的带隙频段(所谓的带隙频段指的是声波在声学超构材料中禁止传播或者声波透过率为0的频带范围，也称为禁带)的大小及位置可以通过超构材料结构尺寸及材料本身的选择进行设计，由于材料性质不同、结构差异大，通常在设计带隙时没有特定的公式和方法，一般凭本领域技术人员的实际经验去尝试调整。需要指出的是，本实施例对声学超构材料的弹性桁架单元或悬臂结构的大小不做限制，同样的带隙情况下，更改材料参数既可以增大尺寸又可以缩小尺寸，即弹性桁架单元或悬臂结构既可以有很大的尺寸，也可以是肉眼难以准确分辨的微观结构，主要和应用的场景与电子设备的大小有关。
图4示出了特定尺寸、参数下声学超构材料的能量带隙，其中，声学超构材料的材料参数为硫化橡胶、样式模量E＝7.7e-5，密度＝1300，泊松比＝0.48；声学超构材料的几何尺寸为桁架长30um，桁架截面直径4um。该示例性声学超构材料适用于微型电子设备。图中的不同灰度的线代表不同能带，横轴的M-R-K-M三个字母代表简约布里渊区的三个高对称点，横轴本身代表沿着简约布里渊区边界的扫描路径，简约布里渊区如图4右上方六边形区域所示。从图4中可以明显看出，纵轴3-3.5区间有空白，即此声学超构材料的带隙为3×105Hz～3.55×105Hz。
进一步的，经过大量测试和数据统计，上述结构的声学超构材料在声电转换效率上是传统的悬臂梁式振动能量收集器的1-1.5倍以上。
本发明还提供了另一实施例，该实施例构造了一种带有上述声学超构材料的声波振动能量收集器，其包括由上一实施例的声学超构材料形成的声学超构材料层，第一压电换能层，其位于声学超构材料层的近声表面，由压电材料构成，以及第二压电换能层，其位于声学超构材料层的远声表面，由压电材料构成。
具体而言，按照各部分距离声源的远近，上述结构可划分为近声表面压电换能部、声学超构材料部以及远声表面压电换能部，各部分按顺序相互贴附固接。声波透过近声表面压电换能部后，在第一压电换能层产生初次振动，进而能够将一部分机械振动转换为电能；受限于压电材料可激励的振动模式以及机电转换系数等固有的物理限制因素，声波在近声表面压电换能部不会被完全吸收，只能捕获一部分声波能量，而另一部分声波则会通过接触面振动和绕射方式进入声学超构材料之中，从而被声学超构材料吸收，转换为弹性桁架单元的机械振动，被悬臂表面的压电材料层转换为电能；再剩余的声能会穿过声学超构材料并引起第二压电换能层产生振动，从而使第二压电换能层将一部分机械振动转换为电能。经过上述三次能量转换后，声能的很大一部分被充分转换为电能，并存储至储能元件中。
进一步的，由于压电材料的声阻抗与背景介质的声阻抗相比有很大的差距，这导致压电材料和背景介质之间的声阻抗失配，从而造成反射系数很大而只能透射小部分声波，声能流无法有效传递。发明人经过大量试验，发现通过设计合理的声阻抗匹配层，能够使压电材料与背景介质之间的阻抗逐渐变化，声能透过率可得到大幅度提高。例如优选的，在所述第一压电换能层的远离声学超构材料层的表面还设置有第一声阻抗匹配层，以提高声波从背景介质穿过第一压电换能层时的透过率；在所述第二压电换能层和声学超构材料层的远声表面之间，还设置有第二声阻抗匹配层，以提高声波从声学超构材料层穿过第二压电换能层时的透过率。需要指出的是，第一声阻抗匹配层声阻抗的大小介于第一压电换能层声阻抗和背景介质声阻抗之间，第二声阻抗匹配层声阻抗的大小介于第二压电换能层声阻抗和声学超构材料层声阻抗之间，以产生声阻抗的梯次变化，增加声能透过率和对声音的灵敏度，减小声能的反射损失。
进一步的，声阻抗匹配层可以为单层、双层、多层或者梯度渐变层。单层的声阻抗匹配层的厚度优选为声波的四分之一波长，并且声阻抗匹配层的声阻抗率Z1是入射介质和透射介质的声阻抗率Z0和Z的几何平均：
双层声阻抗匹配层或多层声阻抗匹配层利用耦合共振机制展宽带宽，优选的，每层厚度也设计在四分之一波长左右，并且双层声阻抗匹配层每一层的声阻抗率Z1P和Z2P为：此外，需要说明的是，声阻抗匹配层可选用的基体和填料十分丰富，如氧化铝粉末、二氧化硅、钛酸锶粉末、氧化铈粉末、聚合物泡沫、聚对二甲苯、钨粉、环氧树脂、橡胶等等。
进一步的，通过在第一压电换能层和第二压电换能层的厚度方向的两表面设置引出电极，三个部分产生的电能将以并联的方式接入储能元件或电源管理电路，并联方式不仅降低了内阻，还提升了输出功率，通过电源管理电路中的滤波、整流、稳压等电路，就能够为电子设备进行即时供电或充电。例如优选的，所述第一压电换能层的两个表面分别设置有第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极连接至储能元件，以构成第一供电电路；所述第二压电换能层的两个表面分别设置有第三电极和第四电极，所述第三电极和第四电极连接至所述储能元件，以构成第二供电电路；所述第一供电电路和所述第二供电电路并联连接。更优选的，将声学超构材料中每个悬臂表面的压电材料层的引出电极也并联连接至储能元件，从而将三个部分产生的电能以并联的方式予以收集。
本申请的另一实施方式还提供了一种电子设备，其包括上述实施例中的声波振动能量收集器和负载。本实施例披露的电子设备可以有多种形式存在，包括但不限于：
(1)移动通信设备，包括：智能手机、多媒体手机、功能性手机，以及低端手机等。
(2)超移动个人计算机设备，这类设备属于个人计算机的范畴，有计算和处理功能，一般也具备移动上网特性。这类终端包括：PDA、MID和UMPC设备等，例如iPad。
(3)便携式娱乐设备，这类设备可以显示和播放多媒体内容。该类设备包括：音频、视频播放器(例如iPod)，掌上游戏机，电子书，以及智能玩具和便携式车载导航设备。
(4)服务器，提供计算服务的设备，服务器的构成包括处理器、硬盘、内存、系统总线等，服务器和通用的计算机架构类似，但是由于需要提供高可靠的服务，因此在处理能力、稳定性、可靠性、安全性、可扩展性、可管理性等方面要求较高。
(5)其他具有提醒事项记录功能的电子装置。
本申请的另一实施方式还提供了一种电源，包括上述实施例中的声波振动能量收集器和电源管理电路，所述电源管理电路属于本领域的技术常识，例如包括整流电路、滤波电路、稳压电路等等，此处不再赘述。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种声学超构材料，其特征在于：
具有周期性金刚石晶体结构，
所述周期性金刚石晶体结构的最小重复单元为晶格，
每个所述晶格包括桁架单元，每个所述桁架单元包括交汇于连接点处的四个直杆状的桁架，每个桁架在所述连接点处向外延伸有一段悬臂，所述悬臂表面包覆有压电材料层，所述压电材料层的表面设置有引出电极。
2.一种声波振动能量收集器，其特征在于，包括：
由权利要求1所述的声学超构材料形成的声学超构材料层，
第一压电换能层，其位于声学超构材料层的近声表面，由压电材料构成，以及
第二压电换能层，其位于声学超构材料层的远声表面，由压电材料构成。
3.根据权利要求2所述的一种声波振动能量收集器，其特征在于：
在所述第一压电换能层的远离声学超构材料层的一侧还设置有第一声阻抗匹配层，所述第一声阻抗匹配层的声阻抗的大小介于第一压电换能层声阻抗和背景介质声阻抗之间。
4.根据权利要求3所述的一种声波振动能量收集器，其特征在于：
在所述第二压电换能层和声学超构材料层的远声表面之间，还设置有第二声阻抗匹配层，所述第二声阻抗匹配层的声阻抗的大小介于第二压电换能层声阻抗和声学超构材料层声阻抗之间。
5.根据权利要求2-4任意一项所述的一种声波振动能量收集器，其特征在于：
所述第一压电换能层的两个表面分别设置有第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极连接至储能元件，以构成第一供电电路；
所述第二压电换能层的两个表面分别设置有第三电极和第四电极，所述第三电极和第四电极连接至所述储能元件，以构成第二供电电路；
所述第一供电电路和所述第二供电电路并联连接。
6.根据权利要求5所述的一种声波振动能量收集器，其特征在于：
每个悬臂表面的压电材料层的引出电极均并联连接至储能元件。
7.根据权利要求4所述的一种声波振动能量收集器，其特征在于：所述第一声阻抗匹配层和/或所述第二声阻抗匹配层为单层结构、双层结构、多层结构、或者为渐变过渡声阻抗匹配材料。
8.根据权利要求7所述的一种声波振动能量收集器，其特征在于：所述单层结构、双层结构或多层结构中的每一层的厚度约为声波波长的四分之一。
9.根据权利要求8所述的一种声波振动能量收集器，其特征在于：
所述单层结构的声阻抗率Z1是入射介质和透射介质的声阻抗率Z0和Z的几何平均：
或者
所述双层结构的每一层的声阻抗率Z1p、Z2p与入射介质和透射介质的声阻抗率Z0和Z的关系为：
10.一种电子设备，包括权利要求2-8任意一项所述的声波振动能量收集器和负载。
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