CN110165938A - 一种多方向宽频带超声能量收集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了超声能量收集器技术领域的一种多方向宽频带超声能量收集器。旨在解决现有技术中能量收集方向单一，谐振频带较窄，能量收集效率低的技术问题。亥姆霍兹谐振腔A和B是两个大小相等的八分之一球体结构，通过共用一个四分之一球面状的腔壁构成一个四分之一球体结构，亥姆霍兹谐振腔A设有朝向Z轴的谐振腔A颈部，亥姆霍兹谐振腔B设有朝向X轴的谐振腔B颈部，所述球面状的腔壁的外侧依次设置金属电极和压电材料。亥姆霍兹谐振腔结构，具有显著地超声放大效果，谐振腔颈部分别为x方向和z方向，谐振腔颈部厚度不同，可以实现环境中超声的多方向、宽频带收集，能量收集效率较高。
Description
技术领域
本发明属于超声能量收集器技术领域，具体涉及一种多方向宽频带超声能量收集器。
背景技术
在环境能量收集领域中，能量收集效率是一个很重要的评估因素。其中包括利用环境中振动能的能量收集器，通过将振动外壳固定在振动源上并填充振动介质，使外壳中的悬臂梁结构接收振动，利用压电效应保持较高的能量收集能力，这种压电能量收集器在共振频率下具有较高的能量收集能力。除此之外还可以利用环境中电磁能产生电能输出，通过天线单元可以从环境中接收外部电磁辐射，收集单元将电磁能转化为电能，并通过整流输出DC电功率，最后输入信号适配电路，将DC电功率转换并积累成表示所收集能量的电荷。然而振动能、电磁能等能量在环境中分布不是特别广泛，并且存在谐振频带较窄，能量收集效率比较低的问题。因此，超声能量作为一种环境中分布广泛且能量收集效率高的能量，逐渐得到了人们的关注，利用腔体将声共振放大，能够高效地将声音能量转换为电能。但是现有结构的能量收集方向单一，谐振频带较窄，能量收集效率还有待提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多方向宽频带超声能量收集器，以解决现有技术中能量收集方向单一，谐振频带较窄，能量收集效率低的技术问题。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种多方向宽频带超声能量收集器，包括亥姆霍兹谐振腔A和亥姆霍兹谐振腔B，所述亥姆霍兹谐振腔A和亥姆霍兹谐振腔B是两个大小相等的八分之一球体结构，通过共用一个四分之一球面状的腔壁构成一个四分之一球体结构，所述亥姆霍兹谐振腔A在四分之一球体结构的其中一个平面腔壁上设有朝向Z轴的谐振腔A颈部，所述亥姆霍兹谐振腔B在四分之一球体结构的另一个平面腔壁上设有朝向X轴的谐振腔B颈部，所述球面状的腔壁的外侧依次设置金属电极和压电材料。
所述谐振腔A颈部和谐振腔B颈部的半径相等，厚度不同。
所述金属电极是四分之一球面结构，紧贴在球面状的腔壁外侧；所述压电材料是四分之一球面结构，紧贴在球面状的金属电极外侧。
所述金属电极的材质为钛、铂、金、铝或铜。
所述压电材料的材质是PZT-5系列陶瓷、ZnO 、AlN或Al2N3。
所述亥姆霍兹谐振腔A和亥姆霍兹谐振腔B的材质为铜、铝、钴、镍或者高掺杂多晶硅。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
（1）本发明采用亥姆霍兹谐振腔结构，谐振腔颈部分别为x方向和z方向，具有显著地超声放大效果，可以实现环境中超声的多方向收集，能量收集效率较高；
（2）本发明中亥姆霍兹谐振腔颈部结构直径相同、厚度不同，因此可以实现宽频带超声能量的收集；
（3）本发明基于PZT薄膜d31模式的压电效应，压电效应可以实现电信号的直接测量，降低了转换电路的复杂度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种多方向宽频带超声能量收集器的整体结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种多方向宽频带超声能量收集器的剖面示意图；
图中：1.压电材料；2.谐振腔A颈部；3.谐振腔B颈部； 4.亥姆霍兹谐振腔A；5.亥姆霍兹谐振腔B；6.金属电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
如图1、图2所示，本发明是一种多方向宽频带超声能量收集器，包括两个亥姆霍兹谐振腔A和B，亥姆霍兹谐振腔A和B均是由铜、铝、钴、镍或高掺杂多晶硅制成的谐振腔。在本实施例中采用铜板。亥姆霍兹谐振腔A上设有朝向Z轴的谐振腔A颈部，亥姆霍兹谐振腔B上设有朝向X轴的谐振腔B颈部，亥姆霍兹谐振腔A和亥姆霍兹谐振腔B通过共用一个四分之一球面状的腔壁形成耦合结构。球面状的腔壁的外侧依次设置金属电极和压电材料，金属电极是四分之一球面结构，紧贴在球面状的腔壁外侧；压电材料是四分之一球面结构，紧贴在球面状的金属电极外侧。亥姆霍兹谐振腔A可以收集Z方向的超声激励，亥姆霍兹谐振腔B可以收集X方向的超声激励，当外界有入射声波时，亥姆霍兹谐振腔A和B的颈部空气相当于集总参数模型中的质量块，受到激励产生周期运动，亥姆霍兹谐振腔A和B的腔体内空气相当于弹簧，空气与腔壁的摩擦相当于阻尼，球面状的腔壁随之产生周期性的应变。亥姆霍兹谐振腔结构，具有显著地超声放大效果，能量收集效率较高，谐振腔口分别为X方向和Z方向，可以接收X方向和Z方向的超声能量，能实现环境中超声的多方向收集，能量收集效率较高。压电材料收到经过谐振腔放大后的声压产生正压电效应，球面状结构可以最大效率地利用环境中的超声能量。
金属电极由铂、金、铜、钛或铝制成，用于收集正压电效应产生的电荷，电荷极化方向与球面状的腔壁所受的应力方向相同，即压电材料工作在d31模式下。压电材料由ZnO、PZT-5系列陶瓷、AlN或Al2N3制成，在本实施例中采用PZT-5系列陶瓷，采用d31方式极化，即金属电极用于接收压电效应产生的电荷，并使得电荷极化方向与球面状的腔壁所受应力方向相同。基于PZT薄膜d31模式的压电效应可以实现电信号的直接测量，降低了转换电路的复杂度。
在本实施例中，亥姆霍兹谐振腔A和亥姆霍兹谐振腔B的颈部通过在铜板上设置圆形开口来实现，圆形开口的半径相等，厚度有较小的差别，因此二者具有不同但是相近的谐振频率，整个结构的谐振频带得到了进一步的拓宽，超声能量利用率高。
本发明中，声场中的介质材料为空气，当有入射声波时，颈部空气由静力平衡位置向下移动时，腔内空气压缩，腔内压力增大，压电薄膜产生正向应变；同理，当颈部空气向下移动到极端位置时，内部压力将它推回到向上的方向，由于惯性，当颈部的空气超过平衡位置时，又会使腔内压力下降，压电薄膜产生反向应变。在这样的周期变化中，压电薄膜的振荡过程通过压电效应产生电势，从而产生输出电压。
本发明兼具了多方向的能量收集，谐振频带宽，能量收集效率高的特点，这一系列优点是传统能量收集器无法比拟的。因此，本发明未来在医学植入设备领域有着不错的应用前景。当外部有超声产生时，能量收集器可以收到激励并通过压电效应产生电能输出，为植入设备提供工作电能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种多方向宽频带超声能量收集器，其特征是，包括亥姆霍兹谐振腔A（4）和亥姆霍兹谐振腔B（5），所述亥姆霍兹谐振腔A（4）和亥姆霍兹谐振腔B（5）是两个大小相等的八分之一球体结构，通过共用一个四分之一球面状的腔壁构成一个四分之一球体结构，所述亥姆霍兹谐振腔A（4）在四分之一球体结构的其中一个平面腔壁上设有朝向Z轴的谐振腔A颈部（2），所述亥姆霍兹谐振腔B（5）在四分之一球体结构的另一个平面腔壁上设有朝向X轴的谐振腔B颈部（3），所述球面状的腔壁外侧依次设置金属电极（6）和压电材料（1）。
2.根据权利要求1所述的多方向宽频带超声能量收集器，其特征是，所述谐振腔A颈部（2）和谐振腔B颈部（3）的半径相等，厚度不同。
3.根据权利要求1所述的多方向宽频带超声能量收集器，其特征是，所述金属电极（6）是四分之一球面结构，紧贴在球面状的腔壁外侧；
所述压电材料（1）是四分之一球面结构，紧贴在球面状的金属电极（6）外侧。
4.根据权利要求1所述的多方向宽频带超声能量收集器，其特征是，所述金属电极（6）的材质为钛、铂、金、铝或铜。
5.根据权利要求1所述的多方向宽频带超声能量收集器，其特征是，所述压电材料（1）的材质是PZT-5系列陶瓷、ZnO、AlN或Al2N3。
6.根据权利要求1所述的多方向宽频带超声能量收集器，其特征是，所述亥姆霍兹谐振腔A（4）和亥姆霍兹谐振腔B（5）的材质为铜、铝、钴、镍或高掺杂多晶硅。
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