CN109217728A - 一种噪声发电装置及自供电传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种噪声发电装置，包括壳体、转换电路模块、蓄电池及若干个声电转换组件；声电转换组件的声波导管与亥姆霍兹共鸣器连接，且声波导管底部的传声孔与亥姆霍兹共鸣器的大口对应设置，弹性薄膜内嵌于亥姆霍兹共鸣器的小口处，压电片贴合在弹性薄膜远离亥姆霍兹共鸣器的一面；若干个亥姆霍兹共鸣器均插设在壳体上，且声波导管位于壳体外部，弹性薄膜位于壳体内部；转换电路模块和蓄电池均位于壳体内部，转换电路模块包括处理电路和与处理电路的输出端连接的充电电路，所述压电片的上下表面均通过导线与处理电路连接，所述充电电路的输出端与蓄电池连接。本发明具有更高的电能转化效率，节能减排效果更好。
Description
技术领域
本发明属于发电技术领域，具体涉及一种噪声发电装置及运用该噪声发电装置形成的自供电传感器。
背景技术
近年来，微电子、计算机等技术的发展，极大地推动了无线传感器网络的发展，为人们的生活带来了极大的便利。然而，如何为网络中大量分散的传感器节点供电是制约无线传感器发展的问题之一。传感器中应用较多的有烟雾传感器，其被安装在各种公共场所和交通工具中用于火灾预防检测工作。烟雾传感器多由电池供电，一般一年左右就需要更换电池，更换过程中需消耗大量人力物力成本，且该间断期存在火灾隐患。同时，更换下来的废电池难以处理，易对环境造成污染。因此，采集传感器运行环境中的能量，实现传感器的自供电是目前研究的热点方向。
公众环境中存在大量噪声，严重影响人们的日常生活，人们试图通过各种方法去减少噪声对人们健康的危害。在另一方面，噪声中蕴含着巨大的能量，若能将环境中噪声的能量加以利用，转化成电能将会是一项具有深远意义的创举。同时在隧道等环境中存在较大的风能，因此利用噪声声能和风能来为传感器进行供电，既能将噪声能量和风能利用起来，又能解决传感器供电难的问题。据检索，申请号为CN201010116355.9的专利申请公开了一种噪声发电装置，如图8所示，该噪声发电装置由亥姆霍兹共鸣器和谐振发电机组成，亥姆霍兹共鸣器的谐振腔32正对细颈或小开口31的硬壁39上有窗口34，其上设置振动膜片33，振动膜片33经连杆35与谐振发电机36的振子38相连，振子38在定子37的磁场里往复移动，切割磁力线发电。由此可见，现有噪声发电装置采用电磁式结构，该结构不仅导致噪声发电装置结构复杂，并且在声电转换的过程中机械结构会产生能力损耗，噪声发电装置所吸收的噪声不能全部产生振动，导致发电效率较低。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种噪声发电装置和运用该噪声发电装置形成的自供电传感器，该噪声发电装置可以解决现有技术发电效率低、传感器供电难的问题。
为达到上述要求，本发明采取的技术方案是：提供一种噪声发电装置，包括壳体、转换电路模块、蓄电池及若干个声电转换组件；所述声电转换组件包括声波导管、亥姆霍兹共鸣器、弹性薄膜及压电片，声波导管与亥姆霍兹共鸣器连接，且声波导管底部的传声孔与亥姆霍兹共鸣器的大口对应设置，弹性薄膜内嵌于亥姆霍兹共鸣器的小口处，压电片贴合在弹性薄膜远离亥姆霍兹共鸣器的一面；若干个所述亥姆霍兹共鸣器均插设在壳体上，且声波导管位于壳体外部，弹性薄膜位于壳体内部；所述转换电路模块和蓄电池均位于壳体内部，转换电路模块包括处理电路和与处理电路的输出端连接的充电电路，所述压电片的上下表面均通过导线与处理电路连接，所述充电电路的输出端与蓄电池连接。
一种自供电传感器，在上述噪声发电装置的基础上还包括传感器本体和与传感器本体固定连接的连接片，所述连接片与所述下盖卡扣连接；传感器本体的电源正负极与所述蓄电池电连接。
与现有技术相比，本发明具有的优点如下：
(1)通过将弹性薄膜和压电片直接完全贴合，噪声或风通过共振使压电材料发生形变，从而在无源条件下使声音进行机械能到电能的转化，与现有技术中的电磁式结构相比，此装置避免了机械结构产生的能力损耗，使弹性薄膜的振动最大程度地转化为压电片的电能，具有更高的电能转化效率，节能减排效果更好；
(2)声波导管具有大耳和小耳，模仿人耳原理，与传统声波导管相比能更好地收集噪声或风，从而提高噪声和风的利用率；大耳和小耳通过内齿和外齿卡扣连接，可以根据应用环境的不同，手动调整声波导管的朝向与长度，从而最大效率地吸收噪声，提高声电转换效率；
(3)声波导管内设置有透音膜，透音膜具有防尘作用，可以延长装置使用寿命长；
(4)壳体采用聚乙烯材料制成，有较好的耐热性和耐潮性，制作价格低廉，可被大量生存投放市场；
(5)通过连接片将噪声发电装置与传感器本体进行结合，使其形成自供电传感器，节约了以往更换电池的人力物力，减少废电池污染，同时降低了噪声污染，一举多得。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为噪声发电装置的结构示意图；
图2为噪声发电装置的爆炸图；
图3为噪声发电装置的剖视图；
图4为声波导管的结构示意图；
图5为噪声发电装置的线路连接示意图；
图6为自供电传感器的爆炸图；
图7(a)为下盖的结构示意图；(b)为连接片的结构示意图；
图8为现有技术的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。
实施例1
一种噪声发电装置，如图1-3所示，包括壳体5、转换电路模块7、蓄电池6及四个声电转换组件。每个声电转换组件均包括声波导管2、亥姆霍兹共鸣器4、弹性薄膜9及压电片8。亥姆霍兹共鸣器4为现有技术，是一种最基本的声共振系统，其具有球形共鸣腔41，球形共鸣腔41具有大小两个口，使用时，把小口插在耳中，大口42对着声源，接收传来的声波，如果传来的声波中有与该共鸣器固有基音相同的谐音，就发生共鸣，否则就听不到声音。在本实施例中，声波导管2通过胶水或螺钉与亥姆霍兹共鸣器4连接，且声波导管2底部的传声孔27与亥姆霍兹共鸣器4的大口42对准设置；弹性薄膜9内嵌于亥姆霍兹共鸣器4的小口处，并通过胶水粘接在该小口处；压电片8贴合在弹性薄膜9远离亥姆霍兹共鸣器4的一面,并通过胶水与该弹性薄膜9粘接。上述球形共鸣腔41的直径为3.6cm。四个亥姆霍兹共鸣器4均匀插设在壳体5上，即亥姆霍兹共鸣器4的一部分位于壳体5外部，一部分伸入壳体5内部，且声波导管2位于壳体5外部，弹性薄膜9位于壳体5内部。转换电路模块7通过螺钉固定在壳体5内部，蓄电池6通过螺钉或胶水固定在壳体5内部。
转换电路模块7包括处理电路和与处理电路的输出端连接的充电电路74，压电片8的上下表面均通过导线与处理电路连接，充电电路74的输出端与蓄电池6连接。如图5所示，处理电路包括多个整流电路71、滤波电路72以及降压电路73；多个整流电路71的输入端与压电片8的上下表面连接，多个整流电路71的输出端并联连接后与滤波电路72连接，滤波电路72与降压电路73连接；压电片8采用压电陶瓷片，蓄电池6采用锂电池。充电电路74包括集成芯片LM317和集成芯片LM3420，集成芯片LM317的IN脚与降压电路73的输出端连接，集成芯片LM317的IN脚通过电容C3与地连接，集成芯片LM317的OUT脚与电阻R2和二极管VD串联连接，电阻R1并联在集成芯片LM317的ADJ脚和电阻R2远离集成芯片LM317的一端上；集成芯片LM317的ADJ脚与三极管VT2的发射极连接，三极管VT2的集电极与地连接，三极管VT2的基极通过电阻R4与集成芯片LM3420的OUT脚连接，电阻R4靠近集成芯片LM3420的一端通过电阻R5与地连接；集成芯片LM3420的IN脚与三极管VT1的发射极连接，三极管VT1的集电极与二极管VD远离集成芯片LM317的一端和蓄电池6的正极连接，电阻R3并联在集成芯片LM317的IN脚和三极管VT1的基极上，集成芯片LM3420的COMP脚通过电容C4与集成芯片LM3420的OUT脚连接，集成芯片LM3420的GND脚与地连接。在充电过程中，蓄电池6的电压不断上升，通过集成芯片LM3420的IN脚检测蓄电池6的电压，当蓄电池的电压升至充电阈值电压时，集成芯片LM3420的OUT脚开始输出电流，使三极管VT2开始控制集成芯片LM317的输出电压，充电电路74转入恒压充电过程，蓄电池6电压稳定在充电阈值电压，此后充电电流开始减小，当蓄电池6充满电后，充电电流下降到涓流充电；当输入电压断开后，三极管VT1截止，蓄电池6与集成芯片LM3420断开，二极管VD可避免蓄电池6通过LM317放电；当蓄电池电压降至再充电门限电压时，VT1导通，重复上述充电过程。
该噪声发电装置的工作原理如下：环境噪音声浪及风传播到该发电装置结构表面，被声波导管2收集，接着通过传声孔27和大口42传入亥姆霍兹共鸣器4，在亥姆霍兹共鸣器4的球形共鸣腔41内引发共振，共振及腔体空气振动使得小口处的弹性薄膜9发生振动，从而引发压电片8产生形变，产生交流电；转换电路模块7对该交流电进行处理，并对蓄电池6进行充电控制。
如图1、2所示，壳体5采用聚乙烯材料制成，其外观为圆柱体型，由侧壁51和完全封闭侧壁51两端的上盖52和下盖54组成，即上盖52和下盖54的截面均为圆形；上盖52和下盖54均设置有内螺纹，侧壁51与上盖52和下盖54连接的位置处分别设置有外螺纹，上盖52和下盖54分别与侧壁51螺纹连接。上盖52顶部开设有容纳腔，容纳腔的开口处具有与容纳腔卡接的盖体53，上述蓄电池6固定在该容纳腔中。上述转换电路模块7通过螺钉固定在上盖52底部。上述四个亥姆霍兹共鸣器4沿侧壁51的径向均匀插设。
在不同的应用环境中，噪声的大小和来向不同，因此声波导管2的长度和朝向都会影响噪声发电装置吸收的噪声量，从而影响噪声发电装置的发电量。为了避免上述问题，如图5所示，声波导管2包括均为喇叭形的大耳24和小耳21，大耳24和小耳21的内壁光滑以增大声音的反射；大耳24较小开口端具有第一连接部23，小耳21较大开口端具有第二连接部22，第一连接部23和第二连接部22均为圆柱型，且第一连接部23的直径大于第二连接部22的直径；第一连接部23沿其内壁环绕设置有内齿26，第二连接部22沿其外壁环绕设置有与内齿26配合的外齿25，大耳24和小耳21通过内齿26和外齿25卡扣连接。一般情况下，大耳24和小耳21同轴设置；若沿该轴向调节内齿26和外齿的重叠长度，即可调节声波导管2的长度；若偏离该轴向调节内齿26和外齿25的重叠长度，即可调节声波导管2的朝向。
如图4所示，小耳21的最大开口处粘接有透音膜3，该透音膜3可以阻隔空气中的灰尘而不影响声音的传递，在保证噪声发电装置转换效率的同时延长其使用寿命。
实施例2
一种自供电传感器，如图6所示，在实施例1所述噪声发电装置的基础上还包括传感器本体1和连接片11，此处的传感器本体1为现有市场中出售的烟雾传感器、温湿度传感器、红外传感器、压力传感器或气体传感器，这些成品传感器具有外壳，外壳内具有工作部件。传感器本体1具有电源正负极，电源正负极通过导线引出，该导线穿过下盖54与蓄电池6电连接。连接片11的底面与传感器本体1通过胶水或者螺钉固定连接，且连接片11与下盖54卡扣连接。
在实际使用时，通过螺钉将壳体5安装在公共场所的天花板上。只要将连接片11取下，并将导线从蓄电池6的接口拔出，就可以实现传感器本体1与壳体5的分离。本实施例通过将噪声发电装置与传感器本体1进行结合，使其形成自供电传感器，既降低了噪声污染，又减少了传感器维护成本，还减少了环境污染，一举多得。
实施例3
在实施例3的基础上，连接片11为圆形，且连接片11的直径小于下盖54的直径。如图7(b)所示，连接片11顶部设置有四个连接凸块12，该四个连接凸块12处于一个与下盖54同圆心的圆周上，连接凸块12包括支撑部122和阻挡部121，支撑部122的底部与连接片11固定连接，支撑部122的顶部与阻挡部121固定连接。如图7(a)所示，下盖54开设有四个与连接凸块12一一对应配合的连接通孔55，连接通孔55包括供连接凸块12穿过的导入孔552，以及与导入孔552连通并与下盖54同圆心的弧形孔551，弧形孔551的宽度大于支撑部122的宽度而小于阻挡部121的直径；弧形孔551自由端具有与弧形孔551连通的限位槽553，限位槽553的直径略大于阻挡部121的直径。在使用时，托住传感器本体1，将连接凸块12分别插入对应的导入孔552中，然后逆时针旋转连接片11，使支撑部122沿弧形孔551滑动，当滑动至弧形孔551自由端时放开传感器本体1，阻挡部121嵌入限位槽553中，形成下盖54与传感器本体1的卡扣连接；拆卸时，向上托起传感器本体1，顺时针旋转连接片11，使连接凸块12从导入孔552中脱出，连接片11脱离下盖54，再将导线从蓄电池6的接口拔出，从而分离传感器本体1和噪声发电装置，方便更换不同的传感器。
以上所述实施例仅表示本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。因此本发明的保护范围应该以所述权利要求为准。
Claims (7)
1.一种噪声发电装置，其特征在于：包括壳体(5)、转换电路模块(7)、蓄电池(6)及若干个声电转换组件；所述声电转换组件包括声波导管(2)、亥姆霍兹共鸣器(4)、弹性薄膜(9)及压电片(8)，声波导管(2)与亥姆霍兹共鸣器(4)连接，且声波导管(2)底部的传声孔与亥姆霍兹共鸣器(4)的大口对应设置，弹性薄膜(9)内嵌于亥姆霍兹共鸣器(4)的小口处，压电片(8)贴合在弹性薄膜(9)远离亥姆霍兹共鸣器(4)的一面；若干个所述亥姆霍兹共鸣器(4)均插设在壳体(5)上，且声波导管(2)位于壳体(5)外部，弹性薄膜(9)位于壳体(5)内部；所述转换电路模块(7)和蓄电池(6)均位于壳体(5)内部，转换电路模块(7)包括处理电路和与处理电路的输出端连接的充电电路(74)，所述压电片(8)的上下表面均通过导线与处理电路连接，所述充电电路(74)的输出端与蓄电池(6)连接。
2.根据权利要求1所述的噪声发电装置，其特征在于：所述壳体(5)为圆柱体型，包括侧壁(51)和完全封闭侧壁(51)两端的上盖(52)和下盖(54)组成，上盖(52)和下盖(54)均设置有内螺纹，侧壁(51)与上盖(52)和下盖(54)连接的位置处分别设置有外螺纹，上盖(52)和下盖(54)分别与侧壁(51)螺纹连接。
3.根据权利要求2所述的噪声发电装置，其特征在于：所述声波导管(2)包括均为喇叭形的大耳(24)和小耳(21)，大耳(24)较小开口端具有第一连接部(23)，第一连接部(23)的内壁上设置有内齿(26)，小耳(21)较大开口端具有第二连接部(22)，第二连接部(22)的外壁上设置有与内齿配合的外齿(25)，大耳(24)和小耳(21)通过内齿(26)和外齿(25)卡扣连接。
4.根据权利要求3所述的噪声发电装置，其特征在于：所述小耳(21)的最大开口处设置有透音膜(3)。
5.根据权利要求2所述的噪声发电装置，其特征在于：所述壳体(5)采用聚乙烯材料制成。
6.一种自供电传感器，其特征在于：包括如权利要求2-5任一权项所述的噪声发电装置，还包括传感器本体(1)和与传感器本体(1)固定连接的连接片(11)，所述连接片(11)与所述下盖(54)卡扣连接；传感器本体(1)的电源正负极与所述蓄电池(6)电连接。
7.根据权利要求6所述的噪声发电装置，其特征在于：所述连接片(11)为圆形，其顶部设置有若干连接凸块(12)，所述下盖(54)开设有个若干与连接凸块(12)一一对应配合的连接通孔(55)，连接凸块(12)包括支撑部(122)和阻挡部(121)，支撑部(122)的底部与连接片(11)固定连接，支撑部(122)的顶部与阻挡部(121)固定连接；连接通孔(55)包括供所述连接凸块(12)穿过的导入孔(552)，以及与导入孔(552)连通并与下盖(54)同圆心的弧形孔(551)，弧形孔(551)的宽度大于支撑部(122)的宽度而小于阻挡部(121)的宽度，且弧形孔(551)自由端具有与弧形孔(551)连通的限位槽(553)。
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