CN111786594B - 基于亥姆霍兹谐振腔的球形超声能量收集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于亥姆霍兹谐振腔的球形超声能量收集器，包括多个耦合的亥姆霍兹谐振腔，亥姆霍兹谐振腔包括颈部结构和腔体结构；腔体结构包括圆弧形压电层、铜板；铜板在三维空间内两两相互垂直设置，颈部结构为铜板上开设圆形贯通孔；圆弧形压电层包括由内向外依次固定设置的压电材料层和金属电极。本发明可以同时对三个方向进行能量收集（x正负方向，y正负方向，z正负方向），并通过六个谐振腔耦合可以更大的实现输出。因此本发明相比于传统的压电能量收集器，具有多方向收集、拓宽频带，超高输出、效率高、器件稳定性强等优点。

Description

基于亥姆霍兹谐振腔的球形超声能量收集器

技术领域

本发明涉及一种基于亥姆霍兹谐振腔的球形超声能量收集器，属于能量收集器技术领域。

背景技术

能量收集效率是环境能量收集领域中的一个非常重要的评估因素，而衡量能量收集效率的指标包含方向性，宽频带以及高输出。现有技术中有利用光能产生电能输出的结构，如利用泵浦光控制装置系统的专利号ZL 201920726100.0，通过接收泵浦光，并对泵浦光的光斑尺寸和偏振方向进行调节，包括双色镜，并将调节后的泵浦光通过双色镜导出。然而光能在环境中分布不是特别广泛，谐振频带较窄、能量收集效率比较低，尤其是光能存在严重散射问题。因此，人们开始关注并利用环境中分布广泛、能量收集效率高、可主动调频的超声能量，如一种声栅-反射面压电超声能量收集器及其制备方法专利号ZL201810901975.X，该系统通过压电反射层和压电声栅对于超声波的相互反射/吸收作用，实现了超声能量收集利用效率的最大化。但是现有技术中的超声能量收集器仅能在二维平面范围内进行能量收集，无法实现在三维立体空间内进行能量收集。因此需要设计一种能够实现三维立体空间内能量收集的能量收集器，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的超声能量收集器无法实现在三维立体空间内收集能量的不足，提供一种基于亥姆霍兹谐振腔的球形超声能量收集器，技术方案如下：

一种基于亥姆霍兹谐振腔的球形超声能量收集器，包括多个耦合的亥姆霍兹谐振腔，亥姆霍兹谐振腔包括包括颈部结构和腔体结构；腔体结构包括圆弧形压电层、铜板；铜板在三维空间内两两相互垂直设置，颈部结构为铜板上开设圆形贯通孔；

圆弧形压电层包括由内向外依次固定设置的压电材料层和金属电极。

进一步地，金属电极的材质为钛、铂、铜或铝。

进一步地，颈部结构的圆形贯通孔的直径d相同，厚度h不同。

进一步地，亥姆霍兹谐振腔有6个，分别为亥姆霍兹谐振腔A、亥姆霍兹谐振腔B、亥姆霍兹谐振腔C、亥姆霍兹谐振腔D、亥姆霍兹谐振腔E、亥姆霍兹谐振腔F；

圆弧形压电层包括第一压电层和第二压电层；

亥姆霍兹谐振腔A、亥姆霍兹谐振腔B和亥姆霍兹谐振腔C共用第一压电层；

亥姆霍兹谐振腔D、亥姆霍兹谐振腔E、亥姆霍兹谐振腔F共用第二压电层。

优选地，亥姆霍兹谐振腔A、亥姆霍兹谐振腔B和亥姆霍兹谐振腔C上的谐振腔颈的轴线两两空间垂直；

亥姆霍兹谐振腔D、亥姆霍兹谐振腔E、亥姆霍兹谐振腔F的谐振腔颈的轴线两两空间垂直。

进一步地，压电材料层为PZT-5H材质。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明可以同时对三个方向进行能量收集（x正负方向，y正负方向，z正负方向），并通过六个谐振腔耦合可以更大的实现输出。因此本发明相比于传统的压电能量收集器，具有多方向收集、拓宽频带，超高输出、效率高、器件稳定性强等优点。

附图说明

图1为本发明的基于亥姆霍兹谐振腔的球形超声能量收集器的立体结构示意图（正面）；

图2为 本发明的基于亥姆霍兹谐振腔的球形超声能量收集器的立体结构示意图（背面）；

图3为本发明的一个亥姆霍兹谐振腔的结构示意图；

图中：亥姆霍兹谐振腔A：1a-颈部结构、24a-铜板、2a -腔体结构、21a -金属电极；

亥姆霍兹谐振腔B：1b-颈部结构、24b-铜板、2b-腔体结构、21b-金属电极；

亥姆霍兹谐振腔C：1c-颈部结构、24c-铜板、2c-腔体结构、21c-金属电极；

221-第一圆弧形压电层；

亥姆霍兹谐振腔D：1d-颈部结构、24d-铜板、2d-腔体结构、21d-金属电极；

亥姆霍兹谐振腔E：1e-颈部结构、24e-铜板、2e-腔体结构、21e-金属电极；

亥姆霍兹谐振腔F：1f-颈部结构、24f-铜板、2f-腔体结构、21f-金属电极；

222-第二圆弧形压电层；

23ae-铜板、23af-铜板、23bd-铜板、23bf-铜板、23cd-铜板、23ce-铜板 。

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。

实施例1

如图1至图3所示，一种基于亥姆霍兹谐振腔的球形超声能量收集器，包括6个耦合的亥姆霍兹谐振腔（A、B、C、D、E、F），亥姆霍兹谐振腔包括颈部结构（1a、1b、1c、1d、1e、1f）和腔体结构（2a、2b、2c、2d、2e、2f）；腔体结构（2a、2b、2c、2d、2e、2f）包括圆弧形压电层（221、222）、铜板（23ae、23af、23bd、23bf、23cd、23ce、24a、24b、24c、24d、24e、24f）；铜板（23ae、23af、23bd、23bf、23cd、23ce）在三维空间内两两相互垂直设置，颈部结构（1a、1b、1c、1d、1e、1f）为在铜板（24a、24b、24c、24d、24e、24f）上开设圆形贯通孔；

圆弧形压电层（21、22）包括由内向外依次固定设置的压电材料层（221，222）和金属电极（21a，21b，21c，21d，21e，21f）。采用圆弧形压电层，可以最大效率地利用环境中的超声能量。圆弧形压电层紧贴附着在亥姆霍兹谐振腔的腔体结构底部，可用于将超声波转换为电能产生输出。

六个耦合的亥姆霍兹谐振腔构成本发明的超声能量收集器的超声放大部分。

本实施例中具体地，金属电极（21a、21b、21c、21d，21e，21f）的材质为铜。金属电极为能量收集器的输出电极。

本实施例中具体地，颈部结构（1a、1b、1c、1d、1e、1f）的圆形贯通孔的直径d相同，厚度h不同。颈部结构（1a、1b、1c、1d、1e、1f）通过在厚度h的铜板（24a、24b、24c、24d、24e、24f）上设置圆形贯通孔来实现。铜板的厚度不同，则亥姆霍兹谐振腔的颈部结构（1a、1b、1c、1d、1e、1f）的开口厚度h不同，使得亥姆霍兹谐振腔具有不同的谐振频率，因此拓宽了谐振频带。

本实施例中具体地，6个亥姆霍兹谐振腔分别为亥姆霍兹谐振腔A、亥姆霍兹谐振腔B、亥姆霍兹谐振腔C、亥姆霍兹谐振腔D、亥姆霍兹谐振腔E、亥姆霍兹谐振腔F；

圆弧形压电层包括第一压电层221和第二压电层222；

亥姆霍兹谐振腔A、亥姆霍兹谐振腔B和亥姆霍兹谐振腔C共用第一压电层221；

亥姆霍兹谐振腔D、亥姆霍兹谐振腔E、亥姆霍兹谐振腔F共用第二压电层222。本实施例中6个亥姆霍兹谐振腔大小相等，每个圆弧形压电层和亥姆霍兹谐振腔大小相等。因此本实施例中的超声能量收集器呈现球形结构。即六个亥姆霍兹谐振腔组合之后呈现为“一个球形去除对角线上两个八分之一球形的结构”，六个亥姆霍兹谐振腔一共分成两组，正面三个亥姆霍兹谐振腔即“亥姆霍兹谐振腔A、亥姆霍兹谐振腔B和亥姆霍兹谐振腔C”为一组，背面三个亥姆霍兹谐振腔“亥姆霍兹谐振腔D、亥姆霍兹谐振腔E、亥姆霍兹谐振腔F”为一组。通过去除球形对角线上两个八分之一球形形状的腔壁形成耦合结构。如图1和图2所示，每组三个亥姆霍兹谐振腔的颈部结构的开口方向不同，每组的三个亥姆霍兹谐振腔分别设置x方向，y方向及z方向的颈部开口，同时吸收x方向，y方向和z方向的超声激励，从而实现立体三个维度方向的能量吸收。x方向，y方向和z方向的颈部结构开口厚度h也不同，因此谐振频率也不同。当一个谐振腔的颈部结构的厚度h发生变化时，除正面的三个谐振腔的声谐振频率发生变化外，背面的三个谐振腔的声谐振频率也会发生变化，因此，六个谐振腔的声谐振频率都会发生变化。本发明的亥姆霍兹谐振腔A，B，C，D，E，F的颈部结构半径相同，厚度h有较小的差别，六者具有不同的谐振频率，因此拓宽了频带。

六个铜制的亥姆霍兹谐振腔，每一个为八分之一球形，六个铜制的亥姆霍兹谐振腔两两共用一个四分之一圆形的铜板（23ae、23af、23bd、23bf、23cd、23ce）连接。

本实施例中作为优选，亥姆霍兹谐振腔A、亥姆霍兹谐振腔B和亥姆霍兹谐振腔C上的谐振腔颈（1a、1b、1c）的轴线两两空间垂直；

亥姆霍兹谐振腔D、亥姆霍兹谐振腔E、亥姆霍兹谐振腔F的谐振腔颈（1d、1e、1f）的轴线两两空间垂直。

亥姆霍兹谐振腔A，B，C，D，E，F均为铜制成的谐振腔。

亥姆霍兹谐振腔A由颈部结构1a和腔体结构2a构成；

亥姆霍兹谐振腔B由颈部结构1b和腔体结构2b构成；

亥姆霍兹谐振腔C由颈部结构1c和腔体结构2c构成；

亥姆霍兹谐振腔D由颈部结构1d和腔体结构2d构成；

亥姆霍兹谐振腔E由颈部结构1e和腔体结构2e构成；

亥姆霍兹谐振腔F由颈部结构1f和腔体结构2f构成；

亥姆霍兹谐振腔A，B，C，D，E，F的圆弧形底板下方有一块圆弧形的金属电极（21a、21b、21c、22d、22e、22f）和压电材料层（221和222）。其中谐振腔A，E之间用四分之一圆形铜板23ae连接；谐振腔A，F之间用四分之一圆形铜板23af连接;谐振腔B，D之间用四分之一圆形铜板23bd 连接;谐振腔B，F之间用四分之一圆形铜板23bf连接;谐振腔C，D之间用四分之一圆形铜板23cd 连接;谐振腔C，E之间用四分之一圆形铜板23ce 连接。其中压电材料层（211和221）之间采用串联相接，这样会有更高的电平输出。

本实施例中具体地，压电材料层（221和222）为PZT-5H材质。

工作原理：六个亥姆霍兹谐振腔的圆柱形颈部结构半径相同，厚度h不同。在入射超声波的激励下，颈部的空气从静态平衡位置向下进入谐振腔体。之后，谐振腔内的空气被压缩从而产生压力使压电薄膜发生正应变。同样，当颈部区域的空气向下移动到极限位置时，内部压力会把空气推回到向上的方向，这样颈部区域的空气会回到平衡位置，从而使腔内的压力降低，结果使压电薄膜产生了反向应变。周而复始，在压电薄膜的上下表面将出现等量的正电荷和负电荷。从而将产生有效的输出电压。

具体到本实施例中，亥姆霍兹谐振腔A，B，C可以收集x,z,y方向的超声激励，亥姆霍兹谐振腔D,E,F可以收集y,z,x方向的超声激励。当外界有超声波激励时，亥姆霍兹谐振腔A，B，C，D，E，F的颈部空气相当于集总参数模型中的质量块，颈部空气受到超声波激励时产生挤压，亥姆霍兹谐振腔A，B，C，D，E，F的腔体内空气相当于弹簧，空气与腔壁的摩擦相当于阻尼，腔体底板上的压电层随之产生相应的应变，收到谐振腔放大后的超声波产生正压电效应，金属电极用于收集正压电效应产生的电荷。压电材料采用d33方式极化，并使得极化方向与谐振腔底部所受应力方向相同。

本发明的能量收集器通过多个耦合的亥姆霍兹谐振腔对入射超声波进行放大，并利用亥姆霍兹谐振腔底的压电层实现超声到电能的转换，本发明的能量收集器可以对x,y和z三个方向的能量进行收集（包括正负方向），通过超声波和腔颈的尺寸可以拓宽频带，通过谐振腔的耦合可以有超高的输出。

（1）本发明采用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。

（2）本发明中的亥姆霍兹谐振腔口分别为x方向，y方向和z方向，可以实现环境中超声的多方向收集。

（3）本发明中的六个亥姆霍兹谐振腔颈部厚度h不同，可以实现宽频带收集，超声能量利用率和转化效率显著提高。

本发明兼具了多方向的能量收集，谐振频带宽，能量收集效率高以及输出高的特点，这些都是传统能量收集器无法相比的。因此，在医疗领域有着显著的作用，尤其在植入式设备中可以提供持续的电能。

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 (5)

1.一种基于亥姆霍兹谐振腔的球形超声能量收集器，其特征在于，包括多个耦合的亥姆霍兹谐振腔，所述亥姆霍兹谐振腔包括颈部结构和腔体结构；

所述腔体结构包括圆弧形压电层、铜板；所述铜板在三维空间内两两相互垂直设置，所述颈部结构为在所述铜板上开设圆形贯通孔；

所述圆弧形压电层包括由内向外依次固定设置的压电材料层和金属电极；

其中，所述亥姆霍兹谐振腔设置有六个，分别为亥姆霍兹谐振腔A、亥姆霍兹谐振腔B、亥姆霍兹谐振腔C、亥姆霍兹谐振腔D、亥姆霍兹谐振腔E、亥姆霍兹谐振腔F；

所述压电材料层包括第一压电层和第二压电层；

所述亥姆霍兹谐振腔A、亥姆霍兹谐振腔B和亥姆霍兹谐振腔C共用第一压电层；

所述亥姆霍兹谐振腔D、亥姆霍兹谐振腔E、亥姆霍兹谐振腔F共用第二压电层。

2.根据权利要求1所述的一种基于亥姆霍兹谐振腔的球形超声能量收集器，其特征在于，所述金属电极的材质为钛、铂、铜或铝。

3.根据权利要求1所述的一种基于亥姆霍兹谐振腔的球形超声能量收集器，其特征在于，所述颈部结构的圆形贯通孔的直径d相同，厚度h不同。

4.根据权利要求1所述的一种基于亥姆霍兹谐振腔的球形超声能量收集器，其特征在于，所述亥姆霍兹谐振腔A、亥姆霍兹谐振腔B和亥姆霍兹谐振腔C上的所述谐振腔颈的轴线两两空间垂直；

所述亥姆霍兹谐振腔D、亥姆霍兹谐振腔E、亥姆霍兹谐振腔F的所述谐振腔颈的轴线两两空间垂直。

5.根据权利要求1所述的一种基于亥姆霍兹谐振腔的球形超声能量收集器，其特征在于，所述压电材料层为PZT-5H材质。

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