TWI422238B - 聲波產電器及其製造方法 - Google Patents

Description

聲波產電器及其製造方法

本發明係有關於一種聲波產電器，尤指一種可集中聲波能量並利用其能量儲能發電之聲波產電器。

生活環境中充滿各種不同頻率聲波源，其中尤以工廠之工業噪音，或高架橋、快速道路所產生之車輛行駛噪音最令人困擾，一般用以隔絕噪音之方式有許多種，例如採用玻璃棉多孔質吸音材料或雙層結構體等等，近年來可見一種聲子晶體(Sonic Crystal)隔音方式，利用聲子晶體之頻溝現象，可應用於徹體波濾波器或表面聲波濾波器，阻止特定角度與頻率入射的聲波傳遞，藉以達成濾波效果，亦即隔音作用。

然而，單純阻隔噪音畢竟屬於較為消極的做法，若可於隔絕噪音之同時，又可充分利用音源所產生之聲波能量，將聲波能量轉換為具有利用價值之能源，方能為環保節能提出具體有效方案。

有鑑於習知技術之缺失，本發明提出一種聲波產電器，可集中聲波能量並利用其能量儲能發電。

為達到上述目的，本發明提出一種聲波產電器，其包含至少一聲子晶體共振腔，其係由複數聲子晶體圍設形成；以及至少一壓電材料，其係設置於該聲子晶體共振腔內。

為達到上述目的，本發明更提出一種聲波產電器之製造方法，其至少包含以下步驟：量測音源聲波頻率；根據所量測之聲波頻率設計聲子晶體與聲子晶體共振腔；以及根據所量測之聲波頻率設計至少一壓電材料，且該至少一壓電材料係設置於該聲子晶體共振腔內。

為使　貴審查委員對於本發明之結構目的和功效有更進一步之了解與認同，茲配合圖示詳細說明如后。

以下將參照隨附之圖式來描述本發明為達成目的所使用的技術手段與功效，而以下圖式所列舉之實施例僅為輔助說明，以利　貴審查委員瞭解，但本案之技術手段並不限於所列舉圖式。

請參閱第一圖所示本發明所提供之聲波產電器之實施例，該聲波產電器10包含至少一聲子晶體共振腔1，該聲子晶體共振腔1係由複數聲子晶體2圍設形成，於該聲子晶體共振腔1內設有一壓電材料3，該該聲子晶體共振腔1係可提供一音源聲波4進入。

該聲子晶體2呈圓柱形，且該複數聲子晶體2之軸向相互平行，該聲子晶體2具有一半徑r，相鄰兩聲子晶體2之間具有一晶格常數a(亦即相鄰兩聲子晶體2之間距)，於本實施例中，該複數聲子晶體2係以二維數目相等陣列方式排列，其X、Y方向均設置五個聲子晶體2，形成一5×5陣列，且於該複數聲子晶體2之中央位置形成一單點缺陷，亦即不設置聲子晶體2，使形成該聲子晶體共振腔1。

關於本發明所提供之該聲波產電器10之製造方法，其主要步驟如第二圖該製造流程20所示(請同時參閱第一圖)：

步驟21：量測音源聲波4頻率；

步驟22：根據所量測之聲波頻率設計該聲子晶體2與聲子晶體共振腔1；例如，當步驟21所量測之音源聲波頻率為4000Hz(赫茲)時，可利用平面波展開法設計該聲子晶體2之半徑r、晶格常數a，再利用有限元素法設計該聲子晶體共振腔1之構成方式，包括聲子晶體2之數量、設置方式，以及該聲子晶體共振腔1之位置等等；其設計原則在於，當該頻率4000Hz(赫茲)之音源聲波4進入該聲子晶體共振腔1時，可將聲波能量集中於該聲子晶體共振腔1內，該聲子晶體共振腔1可產生一第一共振頻率，且該第一共振頻率為4000Hz時最佳；如第三圖所示，當頻率不同時，所設計之半徑r、晶格常數a也不同，其中，當頻率為4000Hz(赫茲)時，晶格常數a為0.049m(公尺)，半徑r為0.0175m(公尺)。第三圖所示數據係以第一圖所示於X、Y方向均設置五個聲子晶體2，且於中央位置形成一單點缺陷之設置態樣為基準。

步驟23：根據所量測之聲波頻率設計至少一壓電材料3，並將該壓電材料3設置於該聲子晶體共振腔1內(如第一圖所示)，其係利用有限元素法或其他實驗方法設計該壓電材料3，包括該壓電材料3於該聲子晶體共振腔1內之擺放位置、擺放型態(垂直擺放、水平擺放、弧形擺放或傾斜擺放等等)以及該壓電材料3之數量等等，至於該壓電材料3之尺寸、形狀並無一定限制，本實施例中，該壓電材料3為矩形且彎曲成弧形設置一片，而該壓電材料3之種類也不限，可採用鈦酸鋇(PZT)、石英(水晶)、電氣石、羅德鹽、鉭酸鹽、鈮酸鹽、氧化鋅(ZnO)或聚偏二氟乙烯樹脂(PVDF)；該壓電材料3之設計原則在於，當該音源聲波4進入該聲子晶體共振腔1，使該聲子晶體共振腔1產生第一共振頻率時，該壓電材料3可被驅動並產生一第二共振頻率，該第二共振頻率與該第一共振頻率大致相同，亦即，該第二共振頻率為4000Hz時最佳，如第四圖及第五圖所示該聲子晶體共振腔1及壓電材料3之頻譜圖，將時域訊號進行頻譜分析後得知，該聲子晶體共振腔1之共振頻率約為4210Hz(如第四圖所示)，該壓電材料3之共振頻率約為4200Hz(如第五圖所示)，亦即該聲子晶體共振腔1與該壓電材料3之共振頻率均約為4000Hz。

由上述方法可知，由於該聲子晶體共振腔1與該壓電材料3具有大致相同之共振頻率，且該共振頻率與該音源聲波4之頻率大致相同，因此，當該音源聲波4進入該聲子晶體共振腔1時，聲波能量可被聚集於該聲子晶體共振腔1內，利用聲波能量集中效果，加強該壓電材料3的震動，提高能量輸出，並利用該能量儲能發電。

據此可知，本發明藉由該聲子晶體共振腔1集中聲波能量，並加強壓電材料3震動轉換能量之方式，當該聲子晶體共振腔1、該壓電材料3與該音源聲波4之頻率相同時，可獲致最佳儲能發電效果，但必須說明的是，即使該聲子晶體共振腔1、該壓電材料3與該音源聲波4之頻率不同、稍有差異時，本發明之該聲波產電器10仍具有一定之儲能發電效果，只是效果稍差而已。

請參閱第六圖至第九圖所示，其顯示音源聲波4進入本發明之該聲波產電器10之方向並無一定限制，如第六圖所示，該音源聲波4由該聲波產電器10之左側進入，理想狀況下，該音源聲波4可被完全阻隔並集中於該聲波產電器10之該聲子晶體共振腔1內。由於本發明之功效在於將音源聲波4集中並轉換為電能，因此，該音源聲波4之來源，以及該音源聲波4進入該聲波產電器10之方向無一定限制，據實驗證明，當該音源聲波4同時由該聲波產電器10之相鄰兩側(如第七圖所示)或相對兩側(如第八圖所示)同時進入該聲波產電器10時，其共振值為單側(如第一圖狀態)進入之兩倍，當該音源聲波4同時由該聲波產電器10之四側同時進入該聲波產電器10時(如第九圖所示)，其共振值為單側進入之四倍。

請參閱第十圖至第十七圖所示，係本發明該聲波產電器之不同實施例結構示意圖，用以說明本發明所提供之聲波產電器可依實際所需設計，其中，第十圖至第十五圖該複數聲子晶體2係以二維相互對齊之方式陣列排列，其中，第十圖至第十四圖該複數聲子晶體2係以二維數目不等之方式陣列排列，第十五圖該複數聲子晶體2係以二維數目鄉等之方式陣列排列；如第十圖所示該複數聲子晶體2係6x5陣列，其中央位置缺少二個聲子晶體2形成一聲子晶體共振腔1；如第十一a圖所示該複數聲子晶體2係7x6(X軸、Y軸方向)陣列，其中央位置缺少二個聲子晶體2形成一聲子晶體共振腔1；如第十一b圖所示該複數聲子晶體2係6x7(X軸、Y軸方向)陣列，其約中央位置(中央偏左位置)缺少單一個聲子晶體2形成一聲子晶體共振腔1；如第十二圖所示該複數聲子晶體2係5x10陣列，其具有二個聲子晶體共振腔1，該二個聲子晶體共振腔1係對稱於該複數聲子晶體2之約中央位置設置；如第十三圖所示該複數聲子晶體2係5x15陣列，其具有三個聲子晶體共振腔1、1a、1b，其中該聲子晶體共振腔1係位於該複數聲子晶體2中央位置，另二個聲子晶體共振腔1a、1b係對稱於該複數聲子晶體2中央位置之該聲子晶體共振腔1設置；如第十四圖所示該複數聲子晶體2係7x10陣列，其具有三個聲子晶體共振腔1、1a、1b，該聲子晶體共振腔1、1a、1b均缺少二個聲子晶體2，其中該聲子晶體共振腔1係位於該複數聲子晶體2中央位置，另二個聲子晶體共振腔1a、1b係對稱於該複數聲子晶體2中央位置設置，且該聲子晶體共振腔1a、1b與該聲子晶體共振腔1錯位；如第十五圖所示該複數聲子晶體2係10x10陣列，其具有四個聲子晶體共振腔1，該聲子晶體共振腔1係形成一2x2陣列，對稱於該聲子晶體2之中央位置設置；此外，第十六a圖、第十六b圖及第十七圖該複數聲子晶體2係以二維相互錯位之方式排列，其中，第十六a圖及第十七圖該複數聲子晶體2係以二維數目不等之方式排列，第十六b圖該複數聲子晶體2係以二維數目相等之方式排列，第十六a圖及第十六b圖該複數聲子晶體2之約中央位置缺少一個聲子晶體2形成一聲子晶體共振腔1，第十七圖則具有二個聲子晶體共振腔1，該二個聲子晶體共振腔1係對稱於該複數聲子晶體2之約中央位置設置。

請參閱第十八圖所示，其顯示不同聲子晶體設置方式對於壓電材料電壓輸出之影響，曲線L1代表不設置聲子晶體，曲線L2代表聲子晶體係5x5矩陣設置(如第一圖所示狀態)，曲線L3、L4均代表聲子晶體係6x7矩陣設置，且於聲子晶體約中心位置有單一缺陷，如第十一b圖所示狀態，但曲線L3、L4使用聲波頻率略有差異，其中，曲線L3係採用4200Hz，曲線L4係採用4180Hz，而聲源之進入方向是由比較靠近單一缺陷(亦即第十一b圖該聲子晶體共振腔1之左側)進入該聲子晶體2；如第十八圖所示可知，藉由聲子晶體之設置確實可提高壓電材料之電壓輸出(該曲線L2、L3、L4之電壓值均高於該曲線L1)，且不同聲子晶體設置方式也可決定壓電材料電壓輸出之高低(該曲線L3、L4之電壓值高於該曲線L2)，至於該曲線L3、L4則顯示於相同條件下，不同的入射頻率所量測之電壓輸出值會產生些微誤差，但基本上仍能維持高電壓輸出。

綜上所述，本發明所提供之聲波產電器，利用聲子晶體與壓電材料組合而成聲能能量擷取器，於聲子晶體中製造點缺陷，將聲子晶體點缺陷作為共振腔，當入射聲波達共振頻率時，聲波將會被侷限在聲子晶體共振腔裡，藉由共振腔與壓電材料的特性，實現轉換聲波能量為電能動力之目的，本發明至少具有以下特點：

一、新穎性：由能源利用的觀點而言，習知技術有太陽能、風力、潮汐以及震動等能源利用，尚未見聲波之利用。

二、進步性：由聲子晶體的應用面而言，習知技術或專利僅限於聲音阻隔，而本發明則更進一步地開發聲子晶體共振腔的應用。

三、不可取代性：本發明利用聲子晶體共振腔將能量聚集與強化之技術，目前尚未見可取代之技術。

四、裝飾美觀性：該聲子晶體一般呈現透明壓克力材質外觀，除可透光透氣外亦具有裝飾性及美觀性。

五、實用性：由於本發明具有發電功能，因此可連接電子鐘、收音機、警報器或任何需要電力驅動之電氣裝置。

六、頻率針對性：由於聲子晶體所隔絕之聲波頻率具有針對性，例如本發明實施例所述之針對音源聲波頻率為4000Hz(赫茲)設計製造一聲波產生器，因此可避免阻礙其他頻率聲波，例如，可避免阻隔警報器、音樂等欲保留之聲音。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請　貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。

10．．．聲波產電器

1、1a、1b．．．聲子晶體共振腔

2．．．聲子晶體

3．．．壓電材料

4．．．音源聲波

20．．．製造流程

21~23．．．步驟

a．．．晶格常數

L1~L4．．．曲線

r．．．半徑

X、Y．．．方向

第一圖係本發明聲波產電器實施例之立體架構示意圖。

第二圖係本發明之聲波產電器之製造方法之流程圖。

第三圖係不同頻率所對應之半徑r及晶格常數a之設計尺寸表。

第四圖係本發明該聲子晶體之頻譜分析圖。

第五圖係本發明該壓電材料之頻譜分析圖。

第六圖係第一圖實施例之俯視結構示意圖，且音源聲波由單側進入該聲波產電。

第七圖係第一圖實施例之俯視結構示意圖，且音源聲波由相鄰兩側進入該聲波產電。

第八圖係第一圖實施例之俯視結構示意圖，且音源聲波由相對兩側進入該聲波產電。

第九圖係第一圖實施例之俯視結構示意圖，且音源聲波由四側進入該聲波產電。

第十圖至第十七圖係本發明之聲波產電器之不同實施例結構示意圖。

第十八圖係顯示不同聲子晶體設置方式影響壓電材料電壓輸出之比較圖。

10．．．聲波產電器

1．．．聲子晶體共振腔

2．．．聲子晶體

3．．．壓電材料

4．．．音源聲波

a．．．晶格常數

r．．．半徑

X、Y．．．方向

Claims (31)

1. 一種聲波產電器，包含：至少一聲子晶體共振腔，其係由複數聲子晶體圍設形成；以及至少一壓電材料，其係設置於該聲子晶體共振腔內。
2. 如申請專利範圍第1項所述之聲波產電器，其中該至少一聲子晶體共振腔係用以提供一定頻率之音源聲波進入且產生一第一共振頻率，該壓電材料具有一第二共振頻率，該音源聲波頻率、該第一共振頻率與該第二共振頻率大致相同。
3. 如申請專利範圍第1項所述之聲波產電器，其中該複數聲子晶體係以二維方式排列。
4. 如申請專利範圍第3項所述之聲波產電器，其中該複數聲子晶體係以二維相互對齊之方式排列。
5. 如申請專利範圍第3項所述之聲波產電器，其中該複數聲子晶體係以二維相互錯位之方式排列。
6. 如申請專利範圍第3項所述之聲波產電器，其中該複數聲子晶體係以二維數目相等之方式排列。
7. 如申請專利範圍第3項所述之聲波產電器，其中該複數聲子晶體係以二維數目不等之方式排列。
8. 如申請專利範圍第1項所述之聲波產電器，其中該複數聲子晶體係呈圓柱形。
9. 如申請專利範圍第8項所述之聲波產電器，其中該複數聲子晶體之軸向相互平行。
10. 如申請專利範圍第1項所述之聲波產電器，其中該複數聲子晶體圍設形成一聲子晶體共振腔，且該聲子晶體共振腔係位於該複數聲子晶體之約中央位置。
11. 如申請專利範圍第1項所述之聲波產電器，其中該複數聲子晶體圍設形成二聲子晶體共振腔，且該二聲子晶體共振腔係對稱於該複數聲子晶體之約中央位置設置。
12. 如申請專利範圍第1項所述之聲波產電器，其中該複數聲子晶體圍設形成複數聲子晶體共振腔，且該複數聲子晶體共振腔相互錯位。
13. 如申請專利範圍第1項所述之聲波產電器，其中該複數聲子晶體圍設形成複數聲子晶體共振腔，且該複數聲子晶體共振腔係陣列排列。
14. 如申請專利範圍第1項所述之聲波產電器，其中該壓電材料為鈦酸鋇(PZT)、石英(水晶)、電氣石、羅德鹽、鉭酸鹽、鈮酸鹽、氧化鋅(ZnO)或聚偏二氟乙烯樹脂(PVDF)。
15. 一種聲波產電器之製造方法，其包含以下步驟：量測音源聲波頻率；根據所量測之聲波頻率設計聲子晶體與聲子晶體共振腔；以及根據所量測之聲波頻率設計至少一壓電材料，並將該壓電材料設置於該聲子晶體共振腔內。
16. 如申請專利範圍第15項所述之聲波產電器之製造方法，其中該聲子晶體共振腔具有一第一共振頻率，該壓電材料具有一第二共振頻率，該音源聲波頻率、該第一共振頻率與該第二共振頻率大致相同。
17. 如申請專利範圍第15項所述之聲波產電器之製造方法，其係利用平面波展開法以及有限元素法設計該聲子晶體與聲子晶體共振腔。
18. 如申請專利範圍第15項所述之聲波產電器之製造方法，其係利用有限元素法或其他實驗方法設計該壓電材料。
19. 如申請專利範圍第15項所述之聲波產電器之製造方法，其中該聲子晶體共振腔係由複數聲子晶體圍設形成。
20. 如申請專利範圍第19項所述之聲波產電器之製造方法，其中該複數聲子晶體係以二維方式排列。
21. 如申請專利範圍第20項所述之聲波產電器之製造方法，其中該複數聲子晶體係以二維相互對齊之方式排列。
22. 如申請專利範圍第20項所述之聲波產電器之製造方法，其中該複數聲子晶體係以二維相互錯位之方式排列。
23. 如申請專利範圍第20項所述之聲波產電器之製造方法，其中該複數聲子晶體係以二維數目相等之方式排列。
24. 如申請專利範圍第20項所述之聲波產電器之製造方法，其中該複數聲子晶體係以二維數目不等之方式排列。
25. 如申請專利範圍第19項所述之聲波產電器之製造方法，其中該複數聲子晶體圍設形成一聲子晶體共振腔，且該聲子晶體共振腔係位於該複數聲子晶體之約中央位置。
26. 如申請專利範圍第19項所述之聲波產電器之製造方法，其中該複數聲子晶體圍設形成二聲子晶體共振腔，且該二聲子晶體共振腔係對稱於該複數聲子晶體之約中央位置設置。
27. 如申請專利範圍第19項所述之聲波產電器之製造方法，其中該複數聲子晶體圍設形成複數聲子晶體共振腔，且該複數聲子晶體共振腔相互錯位。
28. 如申請專利範圍第19項所述之聲波產電器之製造方法，其中該複數聲子晶體圍設形成複數聲子晶體共振腔，且該複數聲子晶體共振腔係陣列排列。
29. 如申請專利範圍第15項所述之聲波產電器之製造方法，其中該複數聲子晶體係呈圓柱形。
30. 如申請專利範圍第29項所述之聲波產電器之製造方法，其中該複數聲子晶體之軸向相互平行。
31. 如申請專利範圍第15項所述之聲波產電器之製造方法，其中該壓電材料為鈦酸鋇(PZT)、石英(水晶)、電氣石、羅德鹽、鉭酸鹽、鈮酸鹽、氧化鋅(ZnO)或聚偏二氟乙烯樹脂(PVDF)。