CN109995214B - 一种基于电磁感应的声能量转换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电磁感应的声能量转换装置，所述声能量转换装置为圆柱形腔体，其端面设声波入射口；围绕声波入射口，在端面内侧设施竖直布置的嵌套式声学管路，所述嵌套式声学管路由不封闭圆环形内壁、外壁嵌套而成；顶面覆盖内壁、外壁，使嵌套式声学管路在腔体内形成一支撑底座，支撑底座上放置声电转换装置；所述声电转换装置包括永磁体、环形电磁感应线圈；永磁体与电磁感应线圈的中心位置相对应且永磁体半径小于电磁感应线圈半径，永磁体相对于电磁感应线圈来回往复运动。本发在腔体内设嵌套式声学管路，提供了可供放置线圈的支撑面与腔体相结合，实现了紧凑式的声能量收集结构，可有效缩小声能量转换结构占用体积，同时提高转换能量。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于电磁感应的声能量转换装置。
背景技术
较强的声能广泛存在于工厂、高速公路、各种交通工具(如飞机、高铁、轮船、汽车)等场合。作为一种环境能量，通常声能在传播过程中最终会被其他媒介吸收并转换成热能耗散掉。从另外一个角度来看，可以通过设计特殊的装置，将声能转换成电能，并通过后续调理电路和储能器件，实现声能的回收。
这种应用随着低功耗电子器件和物联网技术的发展在现实生活中具有广泛而迫切的需求。以弥散在环境中的一个物联网节点为例，为了对环境变量的持续监测，在常规方法下需要使用电池进行供电。但是，由于电池受容量、体积、环境温度和重量的限制，在很多应用中不便安装，另外需要花费较高的代价定期更换电池，以实现对其的有效维护。当物联网节点庞大到一定数量时，这种维护成本常常显得非常巨大。而利用环境能量，将其转换成电能，对电池实现替代，可有效解决上述问题，
声能较为广泛的存在于自然环境中，且不像太阳能、热能等受到自然条件的限制，所以将环境中的声能直接转换成电能以实现对低功耗微型器件的供能具有广阔的应用前景。自然环境中声能无处不在，通过特殊设计的能量转换装置，可以将声能进行有效的俘获，为低功耗器件的能量自维护提供有力支撑。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供了一种基于电磁感应的声能量转换装置。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于电磁感应的声能量转换装置，其特征在于：所述声能量转换装置为圆柱形腔体，其端面设声波入射口；围绕声波入射口，在端面内侧设施竖直布置的嵌套式声学管路，所述嵌套式声学管路由不封闭圆环形内壁、外壁嵌套而成；顶面覆盖内壁、外壁，使嵌套式声学管路在腔体内形成一支撑底座，支撑底座上放置声电转换装置；所述声电转换装置包括永磁体、环形电磁感应线圈；永磁体与电磁感应线圈的中心位置相对应且永磁体半径小于电磁感应线圈半径，永磁体相对于电磁感应线圈来回往复运动。本发明结构简单，通过在腔体内设嵌套式声学管路，从而提供了可供放置线圈的支撑面与腔体相结合，实现了紧凑式的声能量收集结构，可有效缩小声能量转换结构占用体积的同时提高转换能量。
所述的永磁体设于圆柱形底面的中心位置，与其位置相对应的电磁感应线圈设于支撑底座上，永磁体与支撑底座的距离大于永磁体在声腔共振频率情况下产生的机械往复运动的距离。
所述圆柱形腔体的底面为弹性易于变形材质。
所述内壁、外壁高度一致。
所述的电磁感应线圈为漆包线线圈。
所述的内壁、外壁，其开口位置相错。
所述外壁的开口为嵌套式声学管路与圆柱形腔体的连通口。
所述的圆柱形腔体外壁面及端面由3D打印或通过CNC加工金属材料制成。
所述的嵌套式声学管路由3D打印或通过CNC加工金属材料制成。
有益效果
1.本发明结构简单，通过在腔体内设嵌套式声学管路，从而提供了可供放置线圈的支撑面与腔体相结合，实现了紧凑式的声能量收集结构，可有效缩小生能量转换结构占用体积的同时提高转换能量。
2.本发明通过将嵌套式声学管路、电磁感应线圈、永磁体设于腔体内，可有效避免其暴露在外壁的缺陷，提高使用寿命。
附图说明
图1是本发明圆柱形腔体结构示意图；
图2是移除底部柔性面的共振腔的结构示意图；
图3是含有封闭顶面的嵌套式声学管路结构示意图；
图4是移除封闭顶面的嵌套式声学管路内部结构示意图；
图5是用于封闭共振腔体的底面及固定在其中心的圆柱形永磁体。
其中，1.圆柱形腔体外壁，2.永磁体，3.电磁感应线圈，4.顶面，5.外壁，6.连通口，7.端面，8.内壁，9.声波入射口，10.底面。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例：
如图1所示，一种基于电磁感应的声能量转换装置，声波入射到该装置后，通过声波入射口9进入此装置。其余壁面由于是坚硬且有一定厚度，入射到其上的声波将大部分发生反射。
如图2和图3所示，声波从声波入射口9进入该声能量转换装置后，将顺着由内壁6、外壁5、底面4形成的密闭声学管路，从外壁5的连通口6进一步传播至共振腔内，以形成声学谐振结构。
在嵌套式声学管路的顶面4上面有空心电磁感应线圈3，可通过速干胶水将感应线圈3与顶面4粘贴实现固定。电磁感应线圈3的引出端可以与外部负载相连。
如果移除嵌套式声学管路的顶面4，嵌套式声学管路的内部结构如图4所示。
如图5所示，圆柱形永磁体2粘贴在底面10上，为保持对称性，永磁体端面的中心应与圆形底面10的中心重合。底面10的边沿部分与圆柱形腔体外壁1固定连接，密闭腔体。
永磁体2放置于电磁感应线圈3，其半径应小于感应线圈3所围圆周的半径，但不能过小，推荐永磁体的半径为感应线圈半径的80％以上，以保持该永磁铁能够产生较强的磁场。
永磁体2的一面通过环氧胶与共振腔的底面10相连，其余部分悬挂在电磁感应线圈3内，并与图中的嵌套式声学管路的顶面4保持一定的距离。通过设置一定的安全距离，可以保证底面在声腔谐振频率处产生剧烈共振，带动电磁铁运动时，不会撞击到端面4上，防止对结构关键部分造成破坏或产生强烈的非线性效应。
当入射声波的频率等于声能转换装置的共振频率时，声腔内将产生剧烈的声学共振，从而实现声压的放大。由于内部声压较大，声腔内将形成较高的压力脉动，作用在底面10上，使其产生强迫振动。如经过优化，使得附加永磁铁的底面10的机械谐振等于声腔共振频率，在耦合谐振下，这种振动将更加显著。
底面的强烈振动会带动粘贴在其上的永磁铁产生强烈运动，由于永磁铁大部分放置在电磁感应线圈3中，将会对磁力线进行往复切割。根据法拉第电磁感应定律，线圈两端会产生电势差，通过导线可将此能量源连接到外界负载上或者储能元件上，实现声电转换后能量的合理利用。
在进行实现时，底面10可以选择为薄铝片或者薄铜片等金属材料，或者为张紧的橡胶薄膜，电磁感应线圈为漆包线线圈。所述的圆柱形腔体外壁面及端面7可由3D打印或通过CNC加工金属材料制成；所述的嵌套式声学管路的顶面4、外壁5、内壁8可由3D打印或通过CNC加工金属材料制成。各部件连接时可通过环氧胶进行装配，以有效减小气隙。永磁铁可以选择为钕铁硼强磁铁。
在结构参数设置上，嵌套式声学管路的长度和声腔的大小与此装置的声学共振频率密切相关。因此，在结构进行设计时应与感兴趣的声波入射频率进行同步进行，以实现在特定频率下的声学共振。一个有效的方法是通过有限元仿真，建立多物理场耦合数值模型计算来获得参数值。
需要指出的是，本装置巧妙的设计了内嵌式的声学管路，从而提供了可供放置线圈的支撑面，与腔体相结合，实现了紧凑式的声能量收集结构。此外，内嵌式的声学管路设计，以及内嵌式的线圈、磁铁安装形式，可有效的缩小整套声能量转换结构占用的体积，方便对其实现阵列化的安装和部署，以提高转换的能量。通过封闭式的外壳对磁铁、线圈等关键部件实现了有效保护，避免了其暴露在外部的缺陷，可以有效提高其使用寿命，也便于商业化大批量生产及应用。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于电磁感应的声能量转换装置，其特征在于：所述声能量转换装置为圆柱形腔体，其端面（7）设声波入射口（9）；
围绕声波入射口（9），在端面（7）内侧设施竖直布置的嵌套式声学管路，所述嵌套式声学管路由不封闭圆环形内壁（8）、外壁（5）嵌套而成；
顶面（4）覆盖内壁（8）、外壁（5），使嵌套式声学管路在腔体内形成一支撑底座，支撑底座上放置声电转换装置；所述声电转换装置包括永磁体（2）、环形电磁感应线圈（3），所述的内壁（8）、外壁（5），其开口位置相错，在嵌套式声学管路的顶面（4）上面有空心电磁感应线圈（3）；
永磁体（2）与电磁感应线圈（3）的中心位置相对应且永磁体（2）半径小于电磁感应线圈（3）半径，永磁体（2）相对于电磁感应线圈（3）来回往复运动，
所述的永磁体（2）设于圆柱形底面（10）的中心位置，与其位置相对应的电磁感应线圈（3）设于支撑底座上，永磁体（2）与支撑底座的距离大于永磁体（2）在声腔共振频率情况下产生的机械往复运动的距离，所述圆柱形腔体的底面（10）为弹性易于变形材质。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应的声能量转换装置，其特征在于：所述内壁（8）、外壁（5）高度一致。
3.权利要求1所述的一种基于电磁感应的声能量转换装置，其特征在于：所述的电磁感应线圈（3）为漆包线线圈。
4.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应的声能量转换装置，其特征在于：所述外壁（5）的开口为嵌套式声学管路与圆柱形腔体的连通口（6）。
5.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应的声能量转换装置，其特征在于：所述的圆柱形腔体外壁（1）面及端面（7）由3D打印或通过CNC加工金属材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应的声能量转换装置，其特征在于：所述的嵌套式声学管路由3D打印或通过CNC加工金属材料制成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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