CN108831432B - 一种宽带空气噪声能量收集表面材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带空气噪声能量收集表面材料，包括至少两个周期性排列的单元体，所述单元体包含两个并列排布的具有不同喉管半径、相同尺寸腔体的赫姆霍兹共鸣器，两个腔体通过铜片分隔开，在两个腔体中的一个腔体内设有两个压电陶瓷，压电陶瓷安装在铜片上。本发明的宽带空气噪声能量收集表面材料，通过控制共振频率处发生的相移，在结构内构造了具有反相的耦合共振，实现了宽带高效的声电能收集。由于利用了共振等声学效应，该结构的厚度仅为最高工作声波频率所对应波长的1/27，具有超薄的特点；且由于结构引入的对称性，结构中每一个声电换能装置所输出的电压具有高度同相位的特征，相比于传统方法，在级联过程中可以简化电路的复杂度，提高稳定性。

Description

一种宽带空气噪声能量收集表面材料

技术领域

本发明涉及一种宽带空气噪声能量收集表面材料，属于声学领域。

背景技术

数十年来，由于化石能源的使用，日趋严峻的环境问题使得人们思考如何发掘自然界中的可再生能量并加以利用，水能，风能，太阳能以及核能均得到了大规模的应用。与之相比，声能通常具有很低的能量密度，从而大多数情况下这种清洁可再生的新能源常常被忽略，但是在一些特殊的应用场景下，例如取代小型设备的供电电池，无线充电，为微电子器件供给能量等，同样具有较高的应用价值。如前说述，声能通常具有较低的能量密度，这一特点在空气中的声波上表现的尤为突出，且由于声阻抗失配等原因，收集空气中的声能量通常非常困难。基于这些问题，传统的方法是利用声学共振效应局域声能量提高能量密度再利用换能装置进行声电转化，基于这种原理的方法多种多样，但是由于其基本原理是基于单个结构的共振或缺陷实现对声能量的局域，其单频特性导致了诸如此类的方法只能在很窄的频带范围内或是单一频点上高效地进行声电能转化。然而空气中的噪声具有宽带的特点，例如机场上空轰鸣的飞机引擎噪声频率通常随着涡扇发动机转子转速的变化时刻发生着变化；道路边建筑群所受到的汽车噪声污染，其频率同样具有宽带的性质。类似的声学现象在自然界中随处可见，这提示着我们能量收集装置需要具有宽带频率响应的特性才可能具有实用性。

为了解决共振现象单频的短板，多数科研工作者提出的方法是利用多个具有相近共振频率的单频共振单元组合在一起进行带宽的拓展。然而，与吸声不同，由于共振强度和振动相位通常耦合在一起，当此种方法用于声电能收集时，多个具有不同本征频率的共振单元所输出的电压必然具有频率依赖性的相位差，这个特点导致了每个共振单元所输出的电压必须先要进行整流之后才能级联，收集装置后部复杂且大量的电路则成为拖累经济性和实用性包袱。

撇开收集空气中声能而言，消除空气中噪声本身就具有研究的价值。通常被动吸声(区别于有源降噪方式)的方式是采用共振吸声结构例如穿孔板或是微穿孔材料例如玻璃棉，其物理原理是利用空气在狭窄区域所受到的粘滞阻尼作用将声能量转化为热能进行耗散从而实现吸声。同样的，声能量如果高效地转化为电能被储存或是利用，也可以减少声波的反射实现吸声的效果。

用于收集空气中声能量的装置同样需要具有较小的尺寸以提高实用性。空气中声波的波阵面通常以平面，球面或是柱面为主，故而厚度远小于波长的表面是理想的结构，可以针对不同形状的波阵面进行卷曲或者铺展。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种宽带空气噪声能量收集表面材料，通过控制共振频率处发生的相移，在结构内构造了具有反相的耦合共振，实现了宽带高效的声电能收集。由于利用了共振等声学效应，该结构的厚度仅为最高工作声波频率所对应波长的1/27，具有超薄的特点。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的宽带空气噪声能量收集表面材料，包括至少两个周期性排列的单元体，所述单元体包含两个并列排布的具有不同喉管半径、相同尺寸腔体的赫姆霍兹共鸣器，两个腔体通过铜片分隔开，在两个腔体中的一个腔体内设有两个压电陶瓷，压电陶瓷安装在铜片上。

作为优选，所述压电陶瓷为薄片状压电陶瓷PZT-5H。

作为优选，该表面材料的厚度为其工作频率对应波长的/27～1/18。

作为优选，该表面材料的厚度为其工作频率对应波长的1/27。

作为优选，两个喉管半径a₁、a₂满足：a₂＜a₁≤2a₂。

有益效果：本发明的宽带空气噪声能量收集表面材料，通过控制共振频率处发生的相移，在结构内构造了具有反相的耦合共振，实现了宽带高效的声电能收集。由于利用了共振等声学效应，该结构的厚度仅为最高工作声波频率所对应波长的1/27，具有超薄的特点；且由于结构引入的对称性，结构中每一个声电换能装置所输出的电压具有高度同相位的特征，相比于传统方法，在级联过程中可以简化电路的复杂度，提高稳定性。

附图说明

图1为本发明中单元体的结构示意图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为相邻两个赫姆霍兹共鸣器腔体内部声压相位差图。

图4为位于两腔体之间压电复合薄片在入射声压幅值为1Pa时输出的电压图。

图5为外接负载和输出功率的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1和图2所示，本发明的宽带空气噪声能量收集表面材料，包括至少两个周期性排列的单元体，所述单元体包含两个并列排布的具有不同喉管2半径、相同尺寸腔体的赫姆霍兹共鸣器3，相邻的赫姆霍兹共鸣器3可以通过粘贴，铆接，挤压，或者整体直接制造等一系列手段密封地连接即可，两个腔体通过铜片1分隔开，单元体之间也设有铜片，铜片1固定的方式为其四周固定，只要凹槽深度和宽度和铜片1的半径以及厚度匹配，铜片1可以直接插入凹槽内，要求是固定牢固，亦可以粘贴或者挤压固定，压电陶瓷4是同轴地粘贴在铜片1中央的，在两个腔体中的一个腔体内设有两个压电陶瓷4，压电陶瓷4安装在铜片1上，压电陶瓷4优选为薄片状压电陶瓷4PZT-5H，铜片1和压电陶瓷4均为圆形状。

其中，两个具有不同半径喉管2的赫姆霍兹共鸣器3用于局域声能量，中间的压电复合薄片作为换能装置将腔体内高逾压的空气振动能量转化为电能。排列出的结构呈薄板状，从正面看其由两种不同大小的小孔点阵周期性排列而成，与传统的穿孔板颇为类似，区别在于传统穿孔板上的小孔完全等大。这种薄板的厚度仅为其工作频段最高频率波长的1/27，例如，当最高工作频率为600Hz时，其厚度仅为28mm，具有超薄的特点。由于结构具有平移对称性和旋转对称性，结构中每一块压电复合薄片在空间位置上完全等价，故无论在什么频率下，他们输出的电压具有同相位的特征，这一特征可以大大简化声电收集装置后端的电路，提高稳定性和实用性。同时，这个结构还具有和传统穿孔板类似的吸声功能，有一定的多功能复用性。

在声学中，赫姆霍兹共鸣器3这类集中参数模型可以用电力声类比的方法简化的进行描述。其力学等效模型可以用一端固定，一端具有质量块的弹簧振子的强迫振动描述，电学等效模型则类似于一个RLC振荡电路。其声阻抗可以简单地表示为：

其中R_a＝R_m/S_n ²，M_a＝M_m/S_n ²，C_a＝C_mS_n ²分别为声阻，声质量和声顺，以小写m为下标字母表示实际的阻，质量和力顺；S_n＝πa²则为赫姆霍兹共鸣器3喉管2的截面积。这样关于赫姆霍兹共鸣器3喉管2内部气体振动速度的方程可以表示为：

U＝vS_n是喉管2内空气的体积速度，P为激发共振的策动声压，ω＝2πf为圆频率。为了简化结果，用

表示声抗部分，那么(2)式的解可以简单的表示为：

由此可以得到喉管2内空气振动的体积速度。在集中参数模型中，喉管2中的空气被看做一个整体，其振动类似于一个活塞的振动，当其向腔体外位移时，会引起腔体内空气的舒胀，引起相对于大气压为负的逾压；类似的，当其向腔体内位移时，会引起腔体内空气的压缩，从而导致腔体内出现相对于大气压为正的逾压。根据以上物理现象，腔体内部空气的体积变化δV和逾压δP可以被表示为：

其中ρ₀为空气密度，c₀为空气中的声速，而V₀则代表腔体的体积。腔体内部压力的变化会驱动作为侧壁的压电复合材料产生弯曲形变，继而由压电效应在压电陶瓷4两侧产生电荷的集聚，利用导线将这些电荷引出储存或利用，则可以实现收集空气中的声能量。可以看到，输出电压的相位是和腔体内逾压的相位息息相关的，而逾压的相位与喉管2内气体的体积速度相位有关，故输出电压的相位，即逾压相位为

从(3)式可以看到，这个虚数的相角是一个反正切函数，会在其零点，也即共振频率发生最快的相移(phaseshift)，在频率越过零点后，腔体内部逾压相对于驱动声压的相位会发生接近180度的相移。根据以上分析得到的物理现象，本发明设计了两个并列排放，被一层压电复合薄片隔开的赫姆霍兹共鸣器3，他们拥有不同半径的喉管2，其余参数完全相同，并且其组成材料要足够坚硬以足以拥有远大于空气的声阻抗。不同半径的喉管2导致了两个赫姆霍兹共鸣器3具有不同的共振频率，而在两个共振频率上，两个腔体内部逾压分别先后发生相移，于是在两共振频率之间的频段内两个腔体内部的逾压相位是相反的，即当压电复合薄片一侧腔体内空气压缩时另一侧腔体内空气舒胀，位于两腔体之间的压电复合薄片受到一侧推一侧拉的作用产生较大的形变进而输出电能。由于这种相位差导致的推拉效应在两个共振频率之间始终存在，故而基于这种原理设计的声电能收集装置具有宽带工作的特点。当周期排布上述单元结构形成声能量收集薄板时，由于结构具有平移对称性和旋转对称性，结构中每一块压电复合薄片在空间位置上完全等价，故无论在什么频率下，他们输出的电压具有同相位的特征，这一特征可以大大简化声电收集装置后端的电路，提高稳定性和实用性。

为了证明以上理论的正确性，通过选择适当的参数，本发明对该结构进行了有限元数值模拟和实验测量，同时比较了理论，数值模拟以及实验的数据。结果显示，该结构的确在一定带宽内可以高效地输出电能，并且关于反相导致的推拉效应进而提高输出电压的论述是正确的。为了使得理论模型和有限元模拟以及实验能够良好吻合，先对涉及到的具体物理量进行修正，其中经过修正后的喉管2内声阻表示为：

其中a为喉管2的半径，μ＝1.983×10^-5Pa·s为空气的动力粘滞系数，J₁则为第一类贝塞尔函数；之后对赫姆霍兹共鸣器3的声抗部分进行修正，表示为：

字母表示的物理量如前所述，以上两式的修正考虑了喉管2内部对空气的粘滞阻尼作用和赫姆霍兹共鸣器3作为次级源辐射声波对自身的反作用。在实验部分，利用3D打印技术设计制造了相应结构，在波导管内利用传递函数测量声阻抗法测量了在不变入射声强下单元结构中两腔体内部的相位差以及压电复合薄片输出的电压。

如图1所示，单元体的尺寸如表1所示：

表1

如图3所示，相邻两个赫姆霍兹共鸣器3腔体内部声压相位差，三组数据均可见在设计工作频段压电复合薄片两侧存在相反的空气振动。如图4.所示，位于两腔体之间压电复合薄片在入射声压幅值为1Pa时输出的电压，以最大输出电压的一半为有效标准，工作频段大约为460Hz至680Hz。如图5所示，根据电压输出的数值模拟结果，在几个代表性的频点处(如图所示)模拟了在入射声压级为140dB时单个压电复合薄片输出的电功率随外接负载的变化，此时已经考虑了空气粘滞效应等损耗。

收集空气中的声能量需要特殊的声学方法，传统的方法在提高收集效率的同时也出现了工作频率单一，电路复杂等影响实用性的短板。本发明提出了一种利用不同共振单元相移先后构造推拉效应的方法，实现了在一定带宽内高效收集空气中声能量的方法，并且由于共振效应和结构的高对称性，该结构在厚度上仅为最高工作频率对应波长的1/27，并且其不同单元所输出的电压具有高度同相的特征，相比于传统方法，该发明所提出的声学结构具有更高的实用性和价值。为了证明本文所提出理论和物理现象的正确性，文中也进行了必要的理论推导，数值模拟和实验验证，其结果具有可靠性。在利用本文方法设计能量收集表面材料时，首先应该分析目标声源的频率特性和波阵面形状，再适当地调节两个赫姆霍兹共鸣器3的声学参数和表面结构的形状，使得在目标声源发出声波频段内高效地工作。值得指出的是，本文提出的结构每个单元所输出电压具有高度同相位的特点，这使得单元间的级联不需要通过整流电路实现，可以大大简化拓展的复杂性，提高整个结构的实用性和稳定性，但这种现象并非仅仅出现在高效工作的频段内，由于结构的对称性是其本身的属性，在任何频率下这种同相位的特征都是存在的。

Claims (3)

1.一种宽带空气噪声能量收集表面材料，其特征在于：包括至少两个周期性排列的单元体，所述单元体包含两个并列排布的具有不同喉管半径、相同尺寸腔体的赫姆霍兹共鸣器，两个腔体通过铜片分隔开，在两个腔体中的一个腔体内设有两个压电陶瓷，压电陶瓷分别安装在一个铜片上，该表面材料的厚度为其工作频率对应波长的1/27～1/18，两个喉管半径a₁、a₂满足：a₂＜a₁≤2a₂。

2.根据权利要求1所述的宽带空气噪声能量收集表面材料，其特征在于：所述压电陶瓷为薄片状压电陶瓷PZT-5H。

3.根据权利要求1所述的宽带空气噪声能量收集表面材料，其特征在于：该表面材料的厚度为其工作频率对应波长的1/27。

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