CN113067498B - 一种基于缺陷态声学超材料的多层板俘能结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于缺陷态声学超材料的多层板俘能结构，用于声波能量采集，包括能量收集模块和能量转化模块，所述的能量收集模块分别包括多个无孔超材料晶胞和穿孔超材料晶胞，所述的多个无孔超材料晶胞和穿孔超材料晶胞相互叠加，且相互保持平行和等间距，所述的能量转化模块分别与无孔超材料晶胞和穿孔超材料晶胞连接，用于将无孔超材料晶胞和穿孔超材料晶胞振动产生的机械能通过压电效应转化为电能并输出，与现有技术相比，本发明具有能量采集效率高且同时具备多个工作频率等优点。
Description
技术领域
本发明涉及声波能量收集领域，尤其是涉及一种基于缺陷态声学超材料的多层板俘能结构。
背景技术
超构材料是一种人工设计结构单元组成的周期性材料，它凭借其自身独特的物理性能被广泛地应用于能量采集领域，这其中包括电磁超构材料、机械超构材料等。声学超构材料也是其中之一，通过结构化设计使其能够对声波的传播特性进行调控以此实现声聚焦、负折射等诸多功能。而声波作为一种可再生的绿色能源，在自然界中无处不在，正因如此许多学者也将这种特殊的声学超材料结构用于声能的采集，将环境声能或噪声收集起来转化利用，在降低噪声污染的同时将声能转化为有用的能量供我们利用。
但是，现有超构材料在能量采集运用中往往受到带宽的限制，即当外部声波频率达到结构的共振频率时才能够获取最大的能量采集效率，因此导致了工作频带较窄、机械损耗较大，以及环境适应性不足等问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能量采集效率高且同时具备多个工作频率的基于缺陷态声学超材料的多层板俘能结构。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于缺陷态声学超材料的多层板俘能结构，用于声波能量采集，包括能量收集模块和能量转化模块，所述的能量收集模块分别包括多个无孔超材料晶胞和穿孔超材料晶胞，所述的多个无孔超材料晶胞和穿孔超材料晶胞相互叠加，且相互保持平行和等间距，所述的能量转化模块分别与无孔超材料晶胞和穿孔超材料晶胞连接，用于将无孔超材料晶胞和穿孔超材料晶胞振动产生的机械能通过压电效应转化为电能并输出。
进一步地，所述的无孔超材料晶胞包括基体和多个散射体，所述的基体为金属薄板，所述的多个散射体在基体表面排布形成包含表面缺陷态的超晶胞基体。
进一步地，所述的穿孔超材料晶胞包括基体、多个散射体和多个缺陷态穿孔，所述的多个散射体在基体表面排布形成包含表面缺陷态的超材料晶胞，所述的多个缺陷态穿孔按照设定规律设置于基体的表面缺陷态位置。
更进一步地，所述的多个散射体在基体表面排布时，首先按照设定间距周期性排布于基体表面，然后在中心位置去除设定个数的散射体，形成表面缺陷态。
进一步地，所述的能量转化模块包括相互连接的压电片和外部耦合电路，所述的压电片设置于基体的表面缺陷态中心处，用于将无孔超材料晶胞和穿孔超材料晶胞的振动机械能通过压电效应转化为电能，所述的外部耦合电路用于输出电能。
进一步地，所述的外部耦合电路为能量采集芯片与屏蔽导线形成的完整闭合回路，所述的能量采集芯片用于对能量采集效果的研究载体，所述的屏蔽导线用于稳定输出电能，避免电磁与噪声干扰。
进一步优选地，所述的散射体为圆柱形硅橡胶散射体，所述的基体为铝板，所述的压电片为压电陶瓷晶片，所述的散射体通过胶水与基体粘连。
更进一步优选地，所述的基体的厚度为0.4mm，所述的散射体的半径为3mm，多个散射体分别沿着相互垂直的两个方向，按照6*6的周期排布在基体表面，并去除中间四个基体，形成表面缺陷态；所述的缺陷态穿孔的孔径大小为2mm，多个缺陷态穿孔在基体表面缺陷态位置排列形成矩形框；所述的压电片的半径为5mm，厚度为1mm
优选地，所述的能量收集模块为双层结构，其上层为无孔超材料晶胞，下层为穿孔超材料晶胞，所述的无孔超材料晶胞与声源相对。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明利用多层板叠加的形式，不仅可实现能量的收集与转化过程，同时相较于单一板状声学超构材料超晶胞，具备两个或两个以上的工作频率，工作频率得到极大拓宽，提高了环境适应性与应用可行性；
2)本发明结构的工作频率取决于单层超晶胞的工作频率，而单层超晶胞的最优工作频率在其局域共振模态中实现，散射体的半径r、高度h与材质是影响单层超晶胞局域共振模态的主要因素，因此通过改变特定的散射体半径、高度及材质可实现人工频率筛选功能，使得在特定的多个声波频率下，多层板结构均能有良好的能量采集效果；
3)本发明结构引入了穿孔的声学超构材料超晶胞，降低了超材料在带隙范围内对声波传输的阻碍作用，使得处于带隙范围内频率的声波依旧可以在低损失条件下透射传输，极大优化了单一超晶胞的能量采集性能，具备俘能效率高、俘获能量大的优点；
4)本发明结构可置于空气域中实现对空气环境内声波的采集，环境可适用性高；
5)本发明结构制作工艺简单，材料选择灵活，制作成本较低，具备较好的应用前景。
附图说明
图1为无孔超材料超晶胞示意图；
图2为穿孔板超材料超晶胞示意图；
图3为基于缺陷态声学超材料的双层板俘能结构示意图。
其中，1、散射体，2、压电片，3、基体，4、缺陷态穿孔，5、声源，P0、无孔超材料晶胞，P1、穿孔超材料晶胞。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
如图1-3所示，本发明公开了一种基于缺陷态声学超材料的多层板俘能结构，用于声波能量采集，包括能量收集模块和能量转化模块，能量收集模块分别包括多个无孔超材料晶胞P0和穿孔超材料晶胞P1，多个无孔超材料晶胞P0和穿孔超材料晶胞P1相互叠加，且相互保持平行和等间距，能量转化模块分别与无孔超材料晶胞P0和穿孔超材料晶胞P1连接，用于将无孔超材料晶胞P0和穿孔超材料晶胞P1振动产生的机械能通过压电效应转化为电能并输出，能量转化模块包括相互连接的压电片2和外部耦合电路。其中，无孔超材料晶胞P0具体为缺陷态无孔板状声学超构材料超晶胞，穿孔超材料晶胞P1具体为穿孔板状声学超构材料超晶胞。
无孔超材料晶胞P0和穿孔超材料晶胞P1叠加可采用任意排列方式，经过理论研究和实验证明无论如何排布都可以实现多频率工作，提高单频率俘获效果的优点。
无孔超材料晶胞P0包括基体3和多个散射体1，基体3为金属薄板，多个散射体1在基体3表面排布形成包含表面缺陷态的超晶胞基体；穿孔超材料晶胞P1包括基体3、多个散射体1和多个缺陷态穿孔4，多个散射体1在基体3表面排布形成包含表面缺陷态的超材料晶胞，多个缺陷态穿孔4孔径r0大小相同，按照设定规律设置于基体3的表面缺陷态位置。
多个散射体1在基体3表面排布时，可以首先按照设定间距周期性排布于基体3表面，然后在中心位置去除设定个数的散射体1，从而形成表面缺陷态。
压电片2设置于基体3的表面缺陷态中心处，用于将无孔超材料晶胞P0和穿孔超材料晶胞P1的振动机械能通过压电效应转化为电能，外部耦合电路用于输出电能，外部耦合电路为能量采集芯片与屏蔽导线形成的完整闭合回路，能量采集芯片可以用于对能量采集效果的研究载体，屏蔽导线用于稳定输出电能，避免电磁与噪声干扰。
本实施例中，优选散射体1采用高度为h、半径为r的橡胶柱，基体3采用厚度为t的硬质金属薄板，压电片2采用压电陶瓷晶片，散射体1通过胶水与基体3粘连。
多层板俘能结构可由多个缺陷态无孔超材料超晶胞P0与多个穿孔超材料超晶胞P1叠加放置，超晶胞基体间保持平行，各基体表面间距s满足：
s＞t+h
下面给出具体实施例：
如图1所示：本实施例中缺陷态无孔板状声学超构材料超晶胞由厚度为0.4mm的铝板作为基体3，由半径为3mm的硅橡胶柱作为散射体1，散射体1分别沿着x、y轴按照6*6周期排布在铝板基体3表面，去除中间四个硅橡胶柱制造表面缺陷态；如图2所示：本实施例中穿孔板状声学超构材料超晶胞在缺陷态处按照一定规律设置相同孔径大小为2mm的孔洞，硅橡胶散射体1与铝板基体3表面通过胶水粘连；
如图1所示，压电片2作为结构能量转化介质置于表面缺陷态中央，用于将结构振动机械能通过压电效应转化为电能，本实施例中选用半径为5mm、厚度为1mm的压电陶瓷晶片，通过胶水粘连于表面缺陷态中央；外部耦合电路包含能量采集芯片与屏蔽导线，形成完整的闭合回路，同时能量采集芯片可作为研究载体连接外部示波器观察能量采集信号，屏蔽导线用于稳定输出电能，避免电磁与噪声干扰。
如图3所示，本实施例中采用上层为无孔板状声学超构材料超晶胞，散射体高度为10mm，下层为穿孔板状声学超构材料超晶胞，散射体高度为11mm的双层结构，超晶胞基体间保持平行，基体表面间距s为12mm，无孔板状声学超构材料超晶胞与声源5相对实现俘能，声源5采用功放喇叭。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种基于缺陷态声学超材料的多层板俘能结构，用于声波能量采集，其特征在于，包括能量收集模块和能量转化模块，所述的能量收集模块分别包括多个无孔超材料晶胞(P0)和穿孔超材料晶胞(P1)，所述的多个无孔超材料晶胞(P0)和穿孔超材料晶胞(P1)相互叠加，且相互保持平行和等间距，所述的能量转化模块分别与无孔超材料晶胞(P0)和穿孔超材料晶胞(P1)连接，用于将无孔超材料晶胞(P0)和穿孔超材料晶胞(P1)振动产生的机械能通过压电效应转化为电能并输出；
所述的无孔超材料晶胞(P0)包括基体(3)和多个散射体(1)，所述的基体(3)为金属薄板，所述的多个散射体(1)在基体(3)表面排布形成包含表面缺陷态的超晶胞基体；
所述的穿孔超材料晶胞(P1)包括基体(3)、多个散射体(1)和多个缺陷态穿孔(4)，所述的多个散射体(1)在基体(3)表面排布时，首先按照设定间距周期性排布于基体(3)表面，然后在中心位置去除设定个数的散射体(1)，形成表面缺陷态，所述的多个散射体(1)在基体(3)表面排布形成包含表面缺陷态的超材料晶胞，所述的多个缺陷态穿孔(4)按照设定规律设置于基体(3)的表面缺陷态位置，所述的能量转化模块包括相互连接的压电片(2)和外部耦合电路，所述的压电片(2)设置于基体(3)的表面缺陷态中心处，用于将无孔超材料晶胞(P0)和穿孔超材料晶胞(P1)的振动机械能通过压电效应转化为电能，所述的外部耦合电路用于输出电能；
所述的散射体(1)为圆柱形硅橡胶散射体，所述的基体(3)为铝板，所述的压电片(2)为压电陶瓷晶片，所述的散射体(1)通过胶水与基体(3)粘连；
所述的基体(3)的厚度为0.4mm，所述的散射体(1)的半径为3mm，多个散射体(1)分别沿着相互垂直的两个方向，按照6*6的周期排布在基体(3)表面，并去除中间四个基体(3)，形成表面缺陷态；
所述的缺陷态穿孔(4)的孔径大小为2mm，多个缺陷态穿孔(4)在基体(3)表面缺陷态位置排列形成矩形框；所述的压电片(2)的半径为5mm，厚度为1mm。
2.根据权利要求1所述的一种基于缺陷态声学超材料的多层板俘能结构，其特征在于，所述的外部耦合电路为能量采集芯片与屏蔽导线形成的完整闭合回路，所述的能量采集芯片用于对能量采集效果的研究载体，所述的屏蔽导线用于稳定输出电能，避免电磁与噪声干扰。
3.根据权利要求1所述的一种基于缺陷态声学超材料的多层板俘能结构，其特征在于，所述的能量收集模块为双层结构，其上层为无孔超材料晶胞(P0)，下层为穿孔超材料晶胞(P1)，所述的无孔超材料晶胞(P0)与声源(5)相对。
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