技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種高Q值聲子晶體諧振腔型聲能采集器，屬聲能技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著“物聯(lián)網(wǎng)”興起及微型電子器件技術(shù)的蓬勃發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的供電問(wèn)題成為研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。無(wú)線傳感器的供電電源一般為傳統(tǒng)電池，但是傳統(tǒng)電池因電量有限需要周期更換，特別是對(duì)于工作在復(fù)雜、惡劣環(huán)境下的傳感器而言，電池的更換太過(guò)麻煩且浪費(fèi)人力物力財(cái)力，嚴(yán)重影響無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用壽命和對(duì)環(huán)境的適用性。為了解決該問(wèn)題，研究注意點(diǎn)著重于超大電量電池和環(huán)境能量采集技術(shù)。當(dāng)前超大電量電池主要有化學(xué)電池、燃料電池和微核電池，其中相對(duì)較大尺寸的化學(xué)電池和燃料電池并不適用于日趨微型化的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，而微核電池雖使用壽命長(zhǎng)但存在放射性污染風(fēng)險(xiǎn)。而環(huán)境能量采集技術(shù)因?yàn)榭梢灾苯訌臒o(wú)線傳感器工作環(huán)境中提取能量供電，且具有清潔、環(huán)保、無(wú)需維護(hù)等優(yōu)勢(shì)，所以成為當(dāng)前無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電的最有前景的解決方案。

目前，環(huán)境能量采集技術(shù)的研究焦點(diǎn)主要集中幾種常見(jiàn)能量源，比如太陽(yáng)能、風(fēng)能、電磁能（如公開(kāi)號(hào)CN105609964A公開(kāi)了一種基于波紋全息超表面的電磁能量收集結(jié)構(gòu)）、流體能（如公開(kāi)號(hào)CN105156274A公開(kāi)了一種流體能量轉(zhuǎn)化及利用系統(tǒng)）、振動(dòng)能（如公開(kāi)號(hào)CN105932904A公開(kāi)了一種多方向響應(yīng)振動(dòng)能量采集器）等。聲能作為一種常見(jiàn)能量，常常以噪聲的形態(tài)廣泛地分布在商場(chǎng)、工廠、劇院、社區(qū)、公路等場(chǎng)所，因此采集環(huán)境中的噪聲能源可兼顧噪聲污染消除和清潔能源供給。當(dāng)前已經(jīng)研究了一些聲能采集器模型或系統(tǒng)，根據(jù)聲波匯聚原理，大致分為直接式（如公開(kāi)號(hào)CN105609964A公開(kāi)了一種基于波紋全息超表面的電磁能量收集結(jié)構(gòu)）、采用赫姆霍茲諧振腔式（如公開(kāi)號(hào)CN105790634A公開(kāi)了一種寬頻聲能回收裝置）、采用喇叭式（如公開(kāi)號(hào)CN204271951U公開(kāi)了一種安裝于火車(chē)的噪聲能量利用系統(tǒng)）、采用聲子晶體式（如公開(kāi)號(hào)CN105391343A公開(kāi)了一種聲能回收裝置）四類(lèi)。

直接聲能采集器體積小，但是輸出功率極低；采用赫姆霍茲諧振腔的聲能采集器輸出性能良好，但是受限于低頻、單方向聲能；采用喇叭式聲能采集器因聲波放大原理導(dǎo)致體積過(guò)大，且只對(duì)單方向聲波有效；采用聲子晶體的聲能采集器因聲子晶體聲波匯聚能力不強(qiáng)而導(dǎo)致較低的聲能采集效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是，針對(duì)現(xiàn)有聲能采集器采集效率存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種高Q值聲子晶體諧振腔型聲能采集器。

實(shí)用本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種高Q值聲子晶體諧振腔型聲能采集器包括高Q值聲子晶體諧振腔、機(jī)電赫姆霍茲諧振器、支撐柱和底座。所述高Q值聲子晶體諧振腔由8套十字豎板等間距沿同一平面內(nèi)相互垂直的兩個(gè)方向陣列而成，并將其底部粘合在底座上；十字豎板陣列中央留有的空腔形成一個(gè)諧振腔；所述機(jī)電赫姆霍茲諧振器設(shè)置在高Q值聲子晶體諧振腔中心，并通過(guò)支撐柱固定在底座上；入射聲波經(jīng)過(guò)聲子晶體諧振腔和機(jī)電赫姆霍茲諧振腔的雙重匯聚放大作用，放大的聲壓驅(qū)動(dòng)機(jī)電赫姆霍茲諧振器背部的復(fù)合壓電換能器振動(dòng)；復(fù)合壓電換能器產(chǎn)生形變并在壓電效應(yīng)下輸出電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換。

所述的高Q值聲子晶體諧振腔為采用十字板散射體的聲子晶體諧振器，即含中心點(diǎn)缺陷的十字板正方陣列結(jié)構(gòu)。

所述的機(jī)電赫姆霍茲諧振器由復(fù)合壓電換能器和赫姆霍茲諧振腔組成；復(fù)合壓電換能器粘合在赫姆霍茲諧振腔的背腔位置。

所述的復(fù)合壓電換能器由彈性金屬片與壓電材料粘合而成。

本發(fā)明的高Q值聲子晶體諧振腔十字豎板散射體的取向及相鄰間距可調(diào)。

本發(fā)明的十字豎板的長(zhǎng)度及厚度可調(diào)。

本發(fā)明的機(jī)電赫姆霍茲諧振器的開(kāi)口取向及大小可調(diào)。

本發(fā)明的機(jī)電赫姆霍茲諧振器的復(fù)合壓電換能器結(jié)構(gòu)和材料可調(diào)。

本發(fā)明的機(jī)電赫姆霍茲諧振器的數(shù)量及其在聲子晶體諧振腔內(nèi)的安裝位置可調(diào)。

本發(fā)明的工作原理是，采用十字板散射體的高Q值聲子晶體諧振腔，與赫姆霍茲諧振腔相比，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)本身具有二維平面內(nèi)的空間對(duì)稱(chēng)性，所以可以有效地采集多個(gè)方向的入射聲波能量；與采用圓柱體散射體的聲子晶體諧振腔相比，十字板特有的凹角結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)腔內(nèi)聲波產(chǎn)生定向性散射作用，從而在空腔內(nèi)產(chǎn)生等波長(zhǎng)駐波效應(yīng)，并在腔內(nèi)十字板對(duì)角連線中點(diǎn)處（即聲波局限點(diǎn)）形成聲波的強(qiáng)烈匯聚和聲壓的急劇放大，因此其具有極高的Q值、較大的聲壓增益。此外，聲子晶體諧振腔中心處的機(jī)電赫姆霍茲諧振器可以繼續(xù)匯聚聲能、放大聲壓，從而驅(qū)動(dòng)復(fù)合壓電換能器產(chǎn)生更強(qiáng)的振動(dòng)和更大的輸出。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明采用十字板散射體的高Q值聲子晶體諧振腔能夠采集多個(gè)方向來(lái)源的聲能。聲子晶體諧振腔結(jié)構(gòu)固有的空間對(duì)稱(chēng)性使其擁有響應(yīng)多個(gè)方向聲波的能力。本發(fā)明采用十字板散射體的高Q值聲子晶體諧振腔具有超高Q值及大聲壓增益的多個(gè)聲波局限點(diǎn)。由于十字板凹角對(duì)聲波的定向性散射作用，入射聲波在腔內(nèi)發(fā)生多重散射，多重散射波相互疊加，從而在腔內(nèi)形成等波長(zhǎng)駐波效應(yīng)，產(chǎn)生若干高Q值、大聲壓增益的聲波局限點(diǎn)。與傳統(tǒng)采用圓柱體散射體的聲子晶體諧振腔相比，具有更多的聲波局限點(diǎn)、更大的聲壓增益和更高的Q值，并且結(jié)構(gòu)材料使用更少，成本更低。本發(fā)明采用十字板散射體型高Q值聲子晶體諧振腔耦合機(jī)電赫姆霍茲諧振器，可以實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)的聲波匯聚及高效的聲能采集。十字板散射體型聲子晶體諧振腔與機(jī)電赫姆霍茲諧振器均具有較強(qiáng)的聲波放大和聲能匯聚能力，因此它們的耦合結(jié)構(gòu)將會(huì)極大增強(qiáng)聲波放大和聲能匯聚能力，從而實(shí)現(xiàn)非常高效的聲能采集效率。

根據(jù)上述特點(diǎn)，本發(fā)明可以應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境下的具有多方向、能量密度低特點(diǎn)的聲能采集，為各種無(wú)線傳感器和微機(jī)電系統(tǒng)供電。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)三維示意圖；

圖2是本發(fā)明中采用十字板散射體的高Q值聲子晶體諧振腔結(jié)構(gòu)的俯視圖；

圖3是本發(fā)明中機(jī)電赫姆霍茲諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明中復(fù)合壓電換能器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：1是高Q值聲子晶體諧振腔；2是赫姆霍茲諧振腔；3是復(fù)合壓電換能器；4是支撐柱；5是底座。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的具體實(shí)施方式如圖1所示。

本實(shí)施例一種高Q值聲子晶體諧振腔型聲能采集器，包括高Q值聲子晶體諧振腔1、機(jī)電赫姆霍茲諧振器、支撐柱4和底座5。

高Q值聲子晶體諧振腔1由8套十字豎板（1-1、1-2、...、1-8）等間距沿同一平面內(nèi)相互垂直的兩個(gè)方向陣列而成，并將其底部粘合在底座5上，十字豎板陣列中央留有空腔形成一個(gè)諧振腔。機(jī)電赫姆霍茲諧振器由赫姆霍茲諧振腔2和復(fù)合壓電換能器3構(gòu)成，復(fù)合壓電換能器3以周端固定的方式粘合在赫姆霍茲諧振腔2的背腔位置；其中復(fù)合壓電換能器3由壓電片3-2粘合在彈性金屬片3-1上而成。機(jī)電赫姆霍茲諧振器處于高Q值聲子晶體諧振腔中心位置，并通過(guò)支撐柱4支撐矗立于底座5上而成。

高Q值聲子晶體諧振腔的散射體（十字板）材料為青銅；支撐柱、底座的材料均為有機(jī)玻璃；赫姆霍茲諧振腔的材料為鋁；彈性金屬片的材料為鐵鎳合金；壓電片的材料為壓電陶瓷PZT-8。

本實(shí)施例中，當(dāng)外部聲波從任一方向入射時(shí)，高Q值聲子晶體諧振腔首先將聲波放大并局限在其腔內(nèi)局限點(diǎn)處；而處于聲子晶體諧振腔中心局限點(diǎn)處的機(jī)電赫姆霍茲諧振器進(jìn)一步放大及匯聚聲波；然后被強(qiáng)烈放大的聲波驅(qū)動(dòng)復(fù)合壓電換能器振動(dòng)而產(chǎn)生電信號(hào)輸出，從而將聲能轉(zhuǎn)換為電能，由此實(shí)現(xiàn)多方向、超高效的聲能采集。