CN112421987A - 一种压电-电磁式声能发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种压电‑电磁式声能发电装置，包括声音发电模块，所述声音发电模块包括锥形收音器、亥姆霍兹共鸣器、悬臂梁、永磁铁，锥形收音器的开口端朝向环境，亥姆霍兹共鸣器包括连通的颈部和腔体，锥形收音器的末端开小口并连接亥姆霍兹共鸣器的颈部，亥姆霍兹共鸣器的腔体里安装第一压电薄膜，亥姆霍兹共鸣器下方连接悬臂梁，悬臂梁包括相连的竖直部分和水平部分，水平部分上安装第二压电薄膜，水平部分的端部设置永磁铁，永磁铁外部设置发电线圈。本发明电能的产生由三部分构成，提高了声能转化为电能的效率，单装置发电效率可达到0.4W，较单一式声音发电技术发电效率提高。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种发电装置。
背景技术
近年来，利用各种能量发电的技术和设备越来越多，但人们往往忽略了声音也是能量的存在形式，对声能发电的研究不充分、声能利用效率低等因素制约了声能发电技术的普及与运用，从而造成了大量的能量损失。同时，高能量、高分贝声音加剧噪声污染，对人们造成生活困扰以及健康危害。声音发电的发电系统包括收集声音装置、换能器以及整合电路系统。其中收集声音装置多使用亥姆霍兹共鸣器，其利用共振效应对声波进行放大。目前换能器为三种，电磁式、压电式及静电式。静电式发电技术由于其需要极化电压，应用范围小，一直未得到较大发展。压电式换能器效率较高，应用比较广泛。电磁感应作为最早应用在发电领域的一种技术，在各个领域仍具有最为广泛的应用。电磁式发电在国内外研究中已经较为成熟，制作简单便于实现，但其转化率一直较低。
综上所述，目前声音发电技术发电方式单一，且存在声能利用效率低，声音发电装置体积大等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供能提高声能发电效率、并能够适用于多种噪声集中的场合的一种压电-电磁式声能发电装置。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种压电-电磁式声能发电装置，其特征是：包括声音发电模块，所述声音发电模块包括锥形收音器、亥姆霍兹共鸣器、悬臂梁、永磁铁，锥形收音器的开口端朝向环境，亥姆霍兹共鸣器包括连通的颈部和腔体，锥形收音器的末端开小口并连接亥姆霍兹共鸣器的颈部，亥姆霍兹共鸣器的腔体里安装第一压电薄膜，亥姆霍兹共鸣器下方连接悬臂梁，悬臂梁包括相连的竖直部分和水平部分，水平部分上安装第二压电薄膜，水平部分的端部设置永磁铁，永磁铁外部设置发电线圈。
本发明还可以包括：
1、还包括电路模块，所述电路模块包括整流滤波模块和稳压模块，整流滤波模块的输出端连接稳压模块的输入端；第一压电薄膜将收集到的锥形收音器和亥姆霍兹共鸣器的声能转化为电能并输入电路模块，第一压电薄膜将机械能传递给悬臂梁，悬臂梁将机械能传递给永磁体和发电线圈，永磁体和发电线圈将机械能转化为电能并输入电路模块，悬臂梁将机械能传递给第二压电薄膜，第二压电薄膜将机械能转化为电能并输入电路模块。
2、第一压电薄膜和第二压电薄膜材料为PVDF。
本发明的优势在于：
首先，与一般利用振动发电装置不同，本装置摒弃了单一的振动发电模式，采用压电-电磁复合式声音发电技术，电能的产生由三部分构成，提高了声能转化为电能的效率，单装置发电效率可达到0.4W，较单一式声音发电技术发电效率提高。
其次，利用亥姆霍兹共鸣器吸声特点，通过设计不同声音频率的共鸣器，使装置能够在更多频率段上收集声能，也使压电-电磁复合式声音发电机可以适用于不同的噪声场合。
最后，采用模块化设计，对于装置的检修可对单独的部件进行更换，且根据需求可对各部件进行合理组合，实现大批量生产，成本较低。
附图说明
图1为本发明的能量传递图；
图2为本发明声音发电模块的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-2，本申请公开了一种压电-电磁复合式声音发电装置，包括声音发电模块和电路模块。声音发电模块用于收集该压电-电磁复合式声音发电机所在环境的声音，请参考图2，该声音发电模块1包括锥形收音器1、亥姆霍兹共鸣器2、压电薄膜3、悬臂梁4、压电薄膜5、永磁铁6、发电线圈7。锥形收音器1、亥姆霍兹共鸣器2、压电薄膜5、悬臂梁4和永磁铁6依次设置。在声音发电模块中，至少锥形收音器1需要设置在压电-电磁复合式声音发电机所在环境以便收集声音，其他部分可以设置在密闭壳体中。锥形收音器1呈锥形形状且末端开小口，锥形收音器1的开口端朝向环境、末端连接亥姆霍兹共鸣器2，如图2所示，本申请中的亥姆霍兹共鸣器2包括连通的颈部和腔体，亥姆霍兹共鸣器2相对的在颈部开口，亥姆霍兹共鸣器2的颈部的开口连接锥形收音器1的末端，压电薄膜3固定在亥姆霍兹共鸣器2的腔体中的另一端。压电薄膜3的振动带动悬臂梁4进行振动，使得贴附在悬臂梁上的压电薄膜5产生弯曲的变形能。另一方面，悬臂梁4振动带动与压电薄膜5相连的另一端的磁铁振动。本申请中的永磁铁6采用条形磁铁，发电线圈套设在磁体与悬臂梁相连的另外一端。该磁极与两侧的磁极之间都会产生磁场，且两个磁场分别与两个发电线圈7的运动方向相交，则磁铁在悬臂梁的带动下运动时会同时在两个磁场中做切割磁感线运动并产生交变电动势，发电效率更高。电路模块包括整流滤波模块和稳压模块，所述整流滤波模块的输出端连接所述稳压模块的输入端。
参考图1的能量传递图，该压电-电磁复合式声音发电装置产生的电能由三部分构成，一是压电薄膜3将锥形收音器1与亥姆霍兹共鸣器2收集到的声能转化为电能。二是压电薄膜3将机械能传递给悬臂梁4，悬臂梁4将机械能传递给永磁体6和发电线圈7，永磁体6和发电线圈7将机械能转化为电能。三是悬臂梁4将机械能传递给贴于其上的压电薄膜5，压电薄膜5将机械能转化为电能。最后三部分电能统一整合到电路模块8进行处理。该实际在应用时，该压电-电磁复合式声音发电机可以根据环境结构，内嵌入墙体里，在不影响外形的条件下实现声音发电，也可以设置在一个单独的设备壳体中并安装在建筑物顶层或是放置在角落，安装方式多样。
亥姆霍兹共鸣器2可简化为带有阻尼项的弹簧-质量模型，带有阻尼项的弹簧-质量模型进行求解可求出共振频率，共振频率达到最佳效果时腔深近似等于声音波长的四分之一。
亥姆霍兹共鸣器2端口压电薄膜3的材料为PVDF，PVDF参数包括d33系数以及厚度参数,亥姆霍兹共振器2端口压电薄膜上下两层会产生压差且呈线性层状分布。
悬臂梁压电薄膜5材料也为PVDF，悬臂梁压电薄膜参数为长度、振幅以及厚度，厚度对输出电压影响可以忽略故厚度选为0.5mm，振幅确定时所述输出电压随所述长度的增大而减小，长度确定时所述输出电压随所述振幅的增大而增大。
永磁铁6和发电线圈7的参数包括磁铁6的高度和半径、线圈的匝数、高度与内外径差值比、频率以及振幅，磁铁6的高度和半径、频率、振幅与输出电压呈正相关，线圈7匝数相同的情况下输出电压随线圈7的高度与内外径差值比减小而增大，线圈7的匝数对输出电压影响可以忽略。
Claims (3)
1.一种压电-电磁式声能发电装置，其特征是：包括声音发电模块，所述声音发电模块包括锥形收音器、亥姆霍兹共鸣器、悬臂梁、永磁铁，锥形收音器的开口端朝向环境，亥姆霍兹共鸣器包括连通的颈部和腔体，锥形收音器的末端开小口并连接亥姆霍兹共鸣器的颈部，亥姆霍兹共鸣器的腔体里安装第一压电薄膜，亥姆霍兹共鸣器下方连接悬臂梁，悬臂梁包括相连的竖直部分和水平部分，水平部分上安装第二压电薄膜，水平部分的端部设置永磁铁，永磁铁外部设置发电线圈。
2.根据权利要求1所述的一种压电-电磁式声能发电装置，其特征是：还包括电路模块，所述电路模块包括整流滤波模块和稳压模块，整流滤波模块的输出端连接稳压模块的输入端；第一压电薄膜将收集到的锥形收音器和亥姆霍兹共鸣器的声能转化为电能并输入电路模块，第一压电薄膜将机械能传递给悬臂梁，悬臂梁将机械能传递给永磁体和发电线圈，永磁体和发电线圈将机械能转化为电能并输入电路模块，悬臂梁将机械能传递给第二压电薄膜，第二压电薄膜将机械能转化为电能并输入电路模块。
3.根据权利要求1或2所述的一种压电-电磁式声能发电装置，其特征是：第一压电薄膜和第二压电薄膜材料为PVDF。
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