CN111953231A - 基于声子晶体的可调频声能采集装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于声子晶体的可调频声能采集装置，包括：依次设置于消声箱内的蓝牙音箱、声子晶体板和磁铁，蓝牙音箱与声子晶体板的间距为3cm，磁铁与声子晶体板的相对位置可调；声子晶体板包括：基体、散射体和陶瓷压电片，陶瓷压电片位于基体的中央，散射体阵列布置于基体上的周边。本发明结构简单，易制作、受限小，利用磁力使声子晶体板采集能量的频率产生偏移，从而实现声子晶体采集能量的频率可调，促进了低能耗、小型电子设备的研究与制造，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种声能采集领域的技术，具体是一种基于声子晶体板的可调频声能采集器装置。
背景技术
声子晶体是由两种或两种以上的弹性常数不同的材料周期性排列的人工复合结构，可调控弹性波的传播特性。当弹性波垂直入射于含点缺陷的声子晶体结构，基于声子晶体的缺陷态特性可将弹性波局域在缺陷处形成一个谐振腔，对处于缺陷带频率的弹性波具有局域和放大特性，在该频率处可利用压电片收集得到最大的能量，实现声能量采集。声能量采集设备可用来吸收环境中声音的能量，是一种声能量采集的有效方式。传统技术中，风力发电和水力发电装置的体积大，不适用于小型化的工作，直接采集声能的采集器虽然体积小，但输出功率低。现有的声子晶体板能量采集器具有较简单结构、易制作、受限小的优点。当声子晶体板的材料和结构明确时，其谐振频率即环境中可采集较高能量的频率确定，通过引入磁场可使采集频率发生改变，实现声子晶体采集能量频率的调节。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于声子晶体的可调频声能采集装置，利用磁力使声子晶体板采集能量的频率产生偏移，实现声子晶体采集能量频率的调节。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于声子晶体的可调频声能采集装置，包括：依次设置于消声箱内的蓝牙音箱、声子晶体板和磁铁，其中：蓝牙音箱与声子晶体板的间距为3cm，磁铁与声子晶体板的相对位置可调。
所述的声子晶体板包括：基体、散射体和陶瓷压电片，其中：陶瓷压电片位于基体的中央，散射体阵列布置于基体上的周边。
所述的散射体为复合圆柱体，具体是由两个直径和高度均不同的圆柱同轴设置。
所述的圆柱为钢柱和硅胶柱组成，且硅胶柱与基体接触。
技术效果
本发明整体解决了直接声能采集技术的采集器输出功率低的缺点，本发明根据局域共振声子晶体的缺陷模局域弹性波的特性进行声能量采集设计，利用磁铁力使声子晶体板采集能量的谐振频率产生偏移，实现声子晶体采集能量频率的调节。
与现有技术相比，本发明通过加入磁场，改变声能量采集装置的采集频率，通过简单结构利用磁铁力使声子晶体板采集能量的频率产生偏移，实现声子晶体采集能量的频率可调，改善直接声能采集技术的采集器输出功率低的缺点。
附图说明
图1为本实施例的结构示意图；
图2为本实施例的主视图；
图3为图2的A处放大图；
图4为声子晶体板的主视图；
图5为声子晶体板模型的立体视图；
图6为复合圆柱散射体的立体视图；
图7为实施例实验数据图；
图中：基座1、蓝牙音箱2、声子晶体板3、磁铁4、音箱支架5、声子晶体板支架6、磁铁支柱7、铝板8、硅胶柱9、钢柱10、陶瓷压电片11。
具体实施方式
如图1和图2所示，本实施例包括：设置于消声箱内的基座1、蓝牙音箱2、声子晶体板3、磁铁4、音箱支架5、声子晶体板支架6和磁铁支柱7，其中：蓝牙音箱2通过音箱支架5设置于基座1上，声子晶体板3通过声子晶体板支架6设置于基座1上，磁铁4通过磁铁支柱7设置于基座1上，声子晶体板3位于蓝牙音箱2和磁铁4之间且与磁铁4的距离能够通过移动磁铁4进行调节，与蓝牙音箱2的距离为固定。
如图3和图4所示：所述的声子晶体板3包括：基体、散射体和陶瓷压电片11，其中：散射体阵列排布在基体上，陶瓷压电片11位于基体的中央。
所述的基体为铝板8，其厚度为0.4mm，其长宽均为60mm。
所述的散射体为复合圆柱体，具体是由两个半径和高度不同的圆柱同轴设置且上层圆柱直径大于下层圆柱，其中一枚为钢柱10，另一枚为硅胶柱9并与铝板8连接，该散射体能很好地降低二维声子晶体的带隙频率；通过引入磁场，对声能量的采集器的采集频率进行调节。
所述的钢柱10的直径为8mm，其高度为6mm。
所述的硅胶柱9的直径为5mm，其高度为4mm。
所述的陶瓷压电片11的材料为PZT-C9，其直径为24mm，高度为0.2mm。
所述的消声箱的内表面设有消声材料。
将铝板8的表面经砂纸打磨，增加表面粗糙度以加强其与硅胶柱9的结合度。陶瓷压电片11与基体分别焊接导线与外载电阻构成回路，利用电压测量装置测量外载电阻两端的电压。控制音频发生器产生音频信号，该音频发生器发射声波的最大频率为10000Hz，与蓝牙音箱2连接并发出声波信号，基于声子晶体板3缺陷态的局域声波特性，在缺陷处产生微腔共振，使陶瓷压电片11产生振动，实现能量采集的效果。通过移动磁铁4的位置，改变磁铁4与声子晶体板3之间的距离，使磁铁4与复合圆柱的上层钢柱10之间的吸力改变，硅胶柱9发生变形，从而改变声子晶体板3采集声能量的频率，实现采集频率的调节。
经过具体实际实验，当外部声波垂直入射于声子晶体板时，声子晶体缺陷结构将声波局限在缺陷处形成共振腔，再通过压电材料的振动产生电能并输出。调节磁铁与声子晶体板的距离变化参数，在0-7000Hz范围进行扫频实验，得到扫频开路电压的实验数据如图7所示，在三个不同的频率范围均存在一个电压峰值频率。
在三个不同频段，对于实验的三种情况，磁铁的距离会对能量采集频率和采集电压产生影响，能实现采集频率调节。随着磁铁与声子晶体板距离的减小，在不同的频段都会使电压的峰值频率发生改变，在低频时，磁铁距离d＝2cm时的采集功率值最大为12.47μW，约为d＝3cm时采集功率的3.7倍，无磁铁时的6.5倍。在中频率时，无磁铁的采集的功率为29.01μW，约为d＝2cm功率的1.22倍和d＝3cm功率的1.32倍。在高频时，d＝2cm时的采集功率为16.58μW，约为d＝3cm的1.72倍和无磁铁的2.14倍。
与现有技术相比，本装置声能量采集装置的结构简单，设计合理，当外部声波垂直入射时，声子晶体缺陷结构将声波在缺陷处放大并局域形成共振，造成压电材料的振动产生电信号，实现将声能转换为电能。利用磁力使声子晶体板3采集能量的频率发生改变，从而实现声子晶体能量采集装置的频率调节。通过移动磁铁4，调节磁铁4与声子晶体板3之间的距离，使磁铁4与复合圆柱的上层钢柱10之间的吸力改变，硅胶柱9发生变形，改变声子晶体板3采集能量的频率，实现采集频率的调节，实现多频率的高效声能采集，促进了低能耗、小型电子设备的研究与制造，具有广泛的应用前景。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (6)
1.一种基于声子晶体的可调频声能采集装置，其特征在于，包括：依次设置于消声箱内的蓝牙音箱、声子晶体板和磁铁，其中：蓝牙音箱与声子晶体板的间距为3cm，磁铁与声子晶体板的相对位置可调；
所述的声子晶体板包括：基体、散射体和陶瓷压电片，其中：陶瓷压电片位于基体的中央，散射体阵列布置于基体上的周边。
2.根据权利要求1所述的基于声子晶体的可调频声能采集装置，其特征是，所述的散射体为复合圆柱体，具体是由两个直径和高度均不同的圆柱同轴设置。
3.根据权利要求2所述的基于声子晶体的可调频声能采集装置，其特征是，所述的圆柱为钢柱和硅胶柱组成，且硅胶柱与基体接触。
4.根据权利要求1所述的基于声子晶体的可调频声能采集装置，其特征是，所述的基体为铝板。
5.根据权利要求1所述的基于声子晶体的可调频声能采集装置，其特征是，所述的压电材料为压电陶瓷片PZT-C9。
6.一种基于上述任一权利要求所述装置的检测方法，其特征在于，在外部声波垂直入射于声子晶体板时，声子晶体缺陷结构将声波局限在缺陷处形成共振腔，再通过压电材料的振动产生电能并输出。
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