CN109967332B - 一种基于超表面的超薄刚性声能收集装置及共振频率的计算方法 - Google Patents

一种基于超表面的超薄刚性声能收集装置及共振频率的计算方法 Download PDF

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    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
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Abstract

本发明公开了一种基于超表面的超薄刚性声能收集装置,包括扁平折叠空间式腔体，扁平折叠空间式腔体的内部设置有流体通道,扁平折叠空间式腔体上方覆盖有穿孔板1,穿孔板1上设置有一正方形穿孔1‑1,穿孔1‑1正对着流体通道的一端,扁平折叠空间式腔体的内部设置有压电片6；还提供了一种基于超表面的超薄刚性声能收集装置的共振频率的计算方法。本发明体积较小，尺寸轻薄，外壳坚硬，且转化效率较高。

Description

一种基于超表面的超薄刚性声能收集装置及共振频率的计算 方法
技术领域
本发明涉及一种基于超表面的超薄刚性声能收集装置及共振频率的计算方法，属于声能能量转换技术领域。
背景技术
声能作为一种生产生活中丰富、环保、可持续的能源，常常得不到充分的利用。声能收集技术可以将环境和工业中的声能收集起来，转化为所需的电能，在噪声处理和微型设备供电上有可观的应用前景。传统的声能收集装置主要利用亥姆霍兹谐振腔来汇聚声能，并在谐振腔底部添加压电材料以将声能转化为电能。近年来，随着声学超材料的快速发展，其展现出的自然材料所不具备的特性得到广泛关注，一些利用声学超材料研制的亚波长尺寸的腔体和薄膜被提出应用于声能收集，但其腔体仍然具有较大的体积，装置较为笨重，而薄膜类的则由于其柔软性，导致刚度较差，很难应用于机械强度较高的场所。
由于空气中声波的波长较长且能量密度低，传统的声能收集装置通常需要用尺寸较大或较长的腔体来汇聚声能，因而导致装置的体积很大，无法满足小型集成化的工业需求，实用性较差。引入声学超材料以后，部分装置尽管缩减到了亚波长尺寸，但其结构不够简洁轻薄，较大的体积和厚度限制了其在小型工业环境下的应用。而一些用薄膜实现的声能收集器件虽然足够轻薄，膜的柔软性同时也导致装置鲁棒性较差，刚度和硬度无法满足一些工业环境。
目前现有的螺旋结构声能收集装置，由一个圆柱状螺旋通道和一片薄圆盘组成。声波从圆柱侧面的入口入射，沿着螺旋通道传播，通道末端与圆柱顶部的小孔连通。声波从小孔进入上方的薄圆盘，与粘贴在薄圆盘顶部的压电片相互作用。该发明的总体积为251cm3，总厚度4.7cm,在175Hz,100dB的声波激励下，可输出功率7.3μW。该发明利用紧凑的螺旋状声通道对入射声压进行了放大，实现了低频的声能收集。但考虑到其总体积较大，该发明产生的能量密度依然较低，且其厚度无法满足更小型集成化的工业环境。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种体积较小，尺寸轻薄，外壳坚硬，且转化效率较高的基于超表面的超薄刚性声能收集装置。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种基于超表面的超薄刚性声能收集装置,包括扁平折叠空间式腔体，扁平折叠空间式腔体的内部设置有流体通道,扁平折叠空间式腔体上方覆盖有穿孔板1,穿孔板1上设置有一正方形穿孔1-1,穿孔1-1正对着流体通道的一端,扁平折叠空间式腔体的内部设置有压电片6。
进一步地，扁平折叠空间式腔体内部的左右两侧壁分别交错放置若干条通道隔板，将扁平折叠空间式腔体分隔成S型通道，S型通道即为流体通道。
进一步地，压电片6一端连接至扁平折叠空间式腔体的前壁2-1，另一端连接至第二通道隔板5-2，压电片6与前壁2-1和第二通道隔板5-2垂直。
进一步地，压电片6包括基板4和紧贴基板的压电陶瓷3，基板4的上端连接至腔体前壁2-1，下端连接至第二通道隔板5-2，压电陶瓷3紧贴基板正中间。
进一步地，基板的中心距离扁平折叠空间式腔体的左壁2-3为15mm。
进一步地，穿孔的边长为4mm，这样设计，声能收集装置对声波的吸收系数较高，从而提高声能的转化率。
本发明还提供一种基于超表面的超薄刚性声能收集装置的共振频率的计算方法，其特征在于包括如下步骤：
S1：确定基于超表面的超薄刚性声能收集装置的尺寸参数，尺寸参数包括以下参数：n条通道隔板的长度均为L，厚度为w,S形流体通道的宽度为d，扁平折叠空间式腔体的壁厚与隔板厚度相同，为w，扁平折叠空间式腔体及其中隔板在声波入射方向上的厚度均为t,上方覆盖的穿孔板恰好覆盖整个腔体面，其面积为S0＝(d+L+2w)·[(n+1)d+(n+2)w],穿孔板厚度为h,正方形小孔的边长为r；
S2:考虑到粘滞损耗和两端辐射损耗，建立穿孔板的声阻抗模型为：
Figure BDA0002006993730000031
其中
Figure BDA0002006993730000032
σ＝r2/S0，η为空气的粘性系数；
S3:将S形流体通道在声学上等效为长度为leff的长直通道，建立S形流体通道的声阻抗模型为：
Figure BDA0002006993730000041
其中，leff为声波在S形通道内的等效传播长度，leff≈(n+1)L+(n+1)d+nw-a，2＝d·t
S4:建立声能收集装置的总声阻抗模型为:
Z0+Zc
其中,Z0为穿孔板的声阻抗,Zc为S形流体通道的声阻抗；
S5:根据全吸声时总声阻抗的虚部即声抗为零,求解声能收集装置的共振频率，即：
Figure BDA0002006993730000042
其中，ω为共振角频率。
进一步地，压电陶瓷的长、宽、厚度分别设置为38.57mm，2.04mm，0.26mm，基板的长、宽、厚度分别设置为42mm，2.04mm，0.39mm。
进一步地，腔体外壳壁厚为2mm，在声波入射方向上的厚度为3.2mm，穿孔板的厚度为1mm,小孔中心距离右边界4mm,距离上边界12mm。
声能收集装置在声波入射方向上的总厚度为4.2mm(即腔体厚度3.2mm加上穿孔板1mm的厚度)，根据上文S0的计算公式,计算得出垂直声波入射方向的表面尺寸为6.4cm×6.8cm，尺寸均远小于声波在1303Hz左右的工作波长，属于亚波长尺度，厚度仅为波长的1/63，装置总体积约18.3cm3,体积较小，且结构紧凑。
有益效果：(1)本发明的超薄刚性声能收集装置基于声学超表面理论，通过构造一组尺寸较小的周期性排布的声学超材料，降低等效波长；(2)本发明为超表面的一个单元，折叠式结构使声波的传播路径变长，从而减慢了腔内的等效声速，在狭窄通道内产生较强的声能汇聚，和压电片耦合后实现低频的声能收集；(3)本发明的压电片的本征频率被设计为声波1303Hz的工作频率，并且放置在通道内声压较大的位置，以获得最大的应力能，提高声电转化效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1中穿孔板的结构示意图。
图3为图1中折叠空间式腔体的结构示意图。
图4为图3的A-A断面图。
图5为本发明吸声系数的理论与仿真结果对比图。
图6为本发明开路电压的仿真结果图。
图7为本发明输出电压和功率的仿真结果图。
其中：1穿孔板，1-1穿孔，2扁平折叠空间式腔体，2-1前壁，2-2后壁，2-3左壁，2-4右壁，2-5底部，3压电陶瓷，4基板，5-1第一通道隔板，5-2第二通道隔板，6压电片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
实施例
本实施例提供一种基于超表面的超薄刚性声能收集装置,其具体结构参见图1-图4，包括扁平折叠空间式腔体，扁平折叠空间式腔体的内部设置有流体通道,扁平折叠空间式腔体上方覆盖有穿孔板1,穿孔板1上设置有一正方形穿孔1-1,穿孔1-1正对着流体通道的一端,扁平折叠空间式腔体的内部设置有压电片6。
本实施例中，扁平折叠空间式腔体内部放置两条通道隔板，腔体内部的左右两侧壁分别放置有第一通道隔板5-1和第二通道隔板5-2，第一通道隔板5-1和第二通道隔板5-2将扁平折叠空间式腔体分隔成S型通道，S型通道即为流体通道。
压电片6一端连接至扁平折叠空间式腔体的前壁2-1，另一端连接至第二通道隔板5-2，压电片6与前壁2-1和第二通道隔板5-2垂直。压电片6包括基板4和紧贴基板的压电陶瓷3。任一基板的中心距离扁平折叠空间式腔体的左壁2-3为15mm。穿孔的边长为4mm。
本发明还提供一种基于超表面的超薄刚性声能收集装置的共振频率的计算方法，其特征在于包括如下步骤：
S1：确定基于超表面的超薄刚性声能收集装置的尺寸参数，尺寸参数包括以下参数：n条通道隔板的长度均为L,厚度为w,S形流体通道的宽度为d，扁平折叠空间式腔体的壁厚为w，扁平折叠空间式腔体及其中隔板在声波入射方向上的厚度均为t,上方覆盖的穿孔板恰好覆盖整个腔体面，其面积为S0＝(d+L+2w)·[(n+1)d+(n+2)w],本实施例中n取2，故S0＝(d+L+2w)·(3d+4w),穿孔板厚度为h,正方形小孔的边长为r；
S2:考虑到粘滞损耗和两端辐射损耗，建立穿孔板的声阻抗模型为：
Figure BDA0002006993730000071
其中
Figure BDA0002006993730000072
σ＝r2/S0，η为空气的粘性系数；
S3:将S形流体通道在声学上等效为长度为leff的长直通道，建立S形流体通道的声阻抗模型为：
Figure BDA0002006993730000073
其中，leff为声波在S形通道内的等效传播长度，leff≈(n+1)L+(n+1)d+nw-a，在本实施例中，n取2，故leff≈3L+3d+2w-a，S2＝d·t
S4:建立声能收集装置的总声阻抗模型为:
Z0+Zc
其中,Z0为穿孔板的声阻抗,Zc为S形流体通道的声阻抗；
S5:根据全吸声时总声阻抗的虚部即声抗为零，求解声能收集装置的共振频率，即：
Figure BDA0002006993730000074
其中，ω为共振角频率。
在设计上述参数时，可根据对工作频率和设备尺寸的实际需求选取参数。实例中，针对人耳最敏感的频率范围进行声能收集，且把装置的厚度压缩到深亚波长尺度。腔体外壳壁厚为2mm,在声波入射方向上的厚度为3.2mm,穿孔板的厚度为1mm,穿孔的边长为4mm，小孔中心距离右壁4mm,距离前壁12mm，腔体内的参数设置为d＝20mm，L＝40mm，w＝2mm.在置入压电片之前，装置对应的共振频率为1303Hz。
为了使压电片获得最大的应力能，还需设计压电片的尺寸，使其共振频率与腔体共振频率相匹配。本实施例中压电陶瓷的长、宽、厚度分别设置为38.57mm，2.04mm，0.26mm，基板的长、宽、厚度分别设置为42mm，2.04mm，0.39mm。
本实施例中腔体和穿孔板的壁面声学阻抗远大于背景媒质，至少为100倍的背景媒质声阻抗。腔体和盖板的材料为声学刚性材料。压电片的材料为PZT-8，基板的材料为钢。
由于入射声波与该装置之间的强烈低频共振，在折叠式通道内，声压幅值的分布随空间位置变化，局部能量密度得到显著放大。将压电片放置在声压幅值最高的位置，即架在前壁和第二通道隔板之间，在声波的作用下强烈共振，产生较大的应力能，转化为电能。基板中心距离左壁的距离为15mm.
图5为置入压电片以前，装置对声波的吸收系数的理论和仿真结果对比图。图中横轴为入射声波的频率，纵轴为装置的吸声系数，曲线为理论结果，圆圈为仿真结果。理论和仿真结果有较好的一致性，从图中可以看出，在共振频率1303Hz处，该装置对声波近乎完美吸收。
图6为置入压电片以后，当100dB声波垂直入射时，本发明的超薄刚性声能收集装置产生的开路电压仿真结果图。图中横轴为入射声波的频率，纵轴为压电片上输出开路电压的大小。仿真结果证明，在共振频率1303Hz处，本发明可以产生4.4V的开路电压。
图7为将压电材料外接负载电阻后，本发明输出电压和能量的仿真结果图，图中横轴为负载电阻的阻值，左纵轴为输出电压，右纵轴为输出能量。仿真结果表明，在共振频率1303Hz处，外接560kΩ的负载电阻时，本发明可输出2.2V电压，8.6μW的功率。
由图5、图6和图7可知，本发明压缩装置的体积，增大声能密度，使其小型化、扁平化、结构紧凑；并且确保装置的刚性和鲁棒性适应工业环境，效果好，性能佳。
本发明的超薄刚性声能收集装置基于声学超表面理论，通过构造一组尺寸较小的周期性排布的声学超材料，降低等效波长。所述装置为超表面的一个单元，折叠式结构使声波的传播路径变长，从而减慢了腔内的等效声速，在狭窄通道内产生较强的声能汇聚，和压电片耦合后实现低频的声能收集。压电片的本征频率被设计为声波1303Hz的工作频率，并且放置在通道内声压较大的位置，以获得最大的应力能，提高声电转化效率。本发明的超薄刚性声能收集装置，对制作材料没有特殊要求，只要在空气中能够被认为是声学刚性材料即可，结构简洁，体积为18.3cm3，厚度为声波波长的1/63，满足小型化的需求。能够实现低频下的声能收集，在1303Hz，100dB的声波入射时，能产生4.4V的开路电压，外接560kΩ的电阻后可以输出2.2V电压，8.6μW的电功率。本发明的声能收集装置具有高机械强度，尺寸轻薄，结构紧凑，有高效的低频能量转化效果，可以适应小型集成化以及刚性设备的工业环境，在噪声处理、微型设备供电等领域有着丰富的应用前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于超表面的超薄刚性声能收集装置,其特征在于:包括扁平折叠空间式腔体(2)和压电片(6)，所述扁平折叠空间式腔体的内部的左右两侧壁交错放置若干条通道隔板，将扁平折叠空间式腔体分隔成S型通道,所述扁平折叠空间式腔体上方覆盖有穿孔板(1),所述穿孔板(1)上设置有一正方形穿孔(1-1),所述穿孔(1-1)正对着流体通道的一端,所述扁平折叠空间式腔体的内部声场强度极大处设置有压电片(6)，压电片(6)一端连接至扁平折叠空间式腔体的前壁(2-1)，另一端连接至第二通道隔板(5-2)，所述压电片(6)与前壁(2-1)和第二通道隔板(5-2)垂直；所述压电片(6)包括基板(4)和紧贴基板正中间的压电陶瓷(3)，所述基板(4)的上端连接至腔体前壁(2-1)，下端连接至第二通道隔板(5-2)，基板的中心距离扁平折叠空间式腔体的左壁(2-3)为15mm；腔体和穿孔板的壁面声学阻抗至少为100倍的背景媒质声阻抗。
2.根据权利要求1所述的一种基于超表面的超薄刚性声能收集装置，其特征在于：厚度仅为工作频率对应波长的1/63，且构成材料可为任意声学刚性材料。
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