一種采用聲子晶體與機(jī)電赫姆霍茲諧振器式聲能采集器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種采用聲子晶體與機(jī)電赫姆霍茲諧振器式聲能采集器，屬新型能量采集技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在過去的十幾年，采集周端環(huán)境能量來供電無人自治系統(tǒng)得到了廣泛的研究;采集的能量源包括太陽能、振動(dòng)能、電磁場、流體能及熱能能量等。聲能是另一種潛在可用的清潔能源，如何有效采集這些環(huán)境中普遍存在的聲能并轉(zhuǎn)化為電能，得到了廣泛的關(guān)注和研究。一些聲能采集系統(tǒng)已經(jīng)被提出，從匯聚聲能的角度可分為直接聲能采集、采用赫姆霍茲諧振腔的聲能采集、采用聲子晶體結(jié)構(gòu)的聲能采集三種;從換能的角度可分為靜電式、電磁式、壓電式、磁電式四種。在此基礎(chǔ)上，研究者相繼設(shè)計(jì)了一些聲能采集器，如:公開號(hào)CN103701360A公開了一種壓電式聲音發(fā)電機(jī)，公開號(hào)CN101335463公開了一種聲能發(fā)電方法及裝置，CN202353423U公開了一種聲音發(fā)電電子產(chǎn)品等；公開號(hào)CN201656733U公開了一種采用赫姆霍茲諧振腔的電磁式聲能發(fā)電裝置。
[0003]采用直接聲能采集技術(shù)的采集器體積小，輸出功率也很低。采用赫姆霍茲諧振腔的聲能采集技術(shù)受限于單方向的聲能量采集。采用聲子晶體諧振器的聲能采集技術(shù)因?yàn)槠渎暦糯竽芰Σ⒉粡?qiáng)，所以采集效率并不高效。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型的目的是，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)采用赫姆霍茲諧振腔聲能采集存在的問題，本實(shí)用新型提出一種采用聲子晶體與機(jī)電赫姆霍茲諧振器式聲能采集器，以實(shí)現(xiàn)聲能采集器的多方向高效響應(yīng)特性。
[0005]實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的技術(shù)方案是，一種采用聲子晶體與機(jī)電赫姆霍茲諧振器式聲能采集器包括機(jī)電赫姆霍茲諧振器、聲子晶體諧振腔、支撐柱和基座。
[0006]機(jī)電赫姆霍茲諧振器處于聲子晶體諧振腔的中心位置，并通過支撐柱固定在底座上，而多個(gè)聲子晶體諧振腔體等間距分布在機(jī)電赫姆霍茲諧振器的四周，通過粘合固定在底座上。
[0007]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;赫姆霍茲諧振器安裝在復(fù)合壓電換能器上部。
[0008]入射聲波順序通過聲子晶體諧振腔和赫姆霍茲諧振腔的匯聚放大作用之后驅(qū)動(dòng)復(fù)合壓電換能器振動(dòng)，因此復(fù)合壓電換能器產(chǎn)生形變而輸出電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)聲-機(jī)-電的轉(zhuǎn)換。
[0009]所述復(fù)合壓電換能器采用彈性金屬片與壓電材料復(fù)合結(jié)構(gòu)，由彈性金屬片與壓電材料粘合而成。相比于電磁式換能器(動(dòng)圈式)，它具有更高的電壓輸出、更簡單的結(jié)構(gòu)、更小的體積和損耗。壓電材料與彈性金屬片的復(fù)合與單獨(dú)使用柔性壓電材料的結(jié)構(gòu)相比，具有更好機(jī)械性能、更高的輸出，能夠更好地保護(hù)壓電材料。
[0010]所述聲子晶體諧振腔為采用圓柱體散射體的聲子晶體諧振器，即含中心點(diǎn)缺陷的圓柱體正方陣列結(jié)構(gòu)。
[0011 ]本實(shí)用新型采用圓柱體散射體的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)的對(duì)稱性和中心缺陷的局域化效應(yīng)，所以可以很好地采集多個(gè)方向的入射聲波能量，并把聲能局限在腔中心位置。處于聲子晶體諧振腔中心位置的機(jī)電赫姆霍茲諧振器又可以進(jìn)一步高效地匯聚聲能并驅(qū)動(dòng)其背腔位置的復(fù)合壓電換能器將振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能，從而實(shí)現(xiàn)多方向高效聲能采集。
[0012]本實(shí)用新型中聲子晶體諧振腔圓柱體散射體的數(shù)量、間距可調(diào)。
[0013]本實(shí)用新型中聲子晶體諧振腔采用的散射體形狀可調(diào)，所述聲子晶體諧振腔的橫截面形狀可為正方形、多邊形、橢圓形或矩形。
[0014]本實(shí)用新型中機(jī)電赫姆霍茲諧振器的開口取向及大小可調(diào)。
[0015]本實(shí)用新型中機(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)。
[0016]本實(shí)用新型的有益效果是，本實(shí)用新型采用機(jī)電赫姆霍茲諧振器與聲子晶體諧振腔的結(jié)合可實(shí)現(xiàn)非常高效的聲能采集。機(jī)電赫姆霍茲諧振器本身是一種高效聲能采集器，它具有較強(qiáng)的聲波放大和聲能匯聚能力。當(dāng)有效組合機(jī)電赫姆霍茲諧振器與聲子晶體諧振腔構(gòu)成諧振耦合結(jié)構(gòu)時(shí)，耦合結(jié)構(gòu)的聲波放大和聲能匯聚能力將大大提高，從而實(shí)現(xiàn)非常高效的聲能采集效率。本實(shí)用新型采用聲子晶體諧振腔可以實(shí)現(xiàn)多方向的聲能采集。聲子晶體諧振腔本身的結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性導(dǎo)致其對(duì)聲波響應(yīng)的多方向性，又因?yàn)槠浔旧斫Y(jié)構(gòu)的聲波局域化效應(yīng)，所以可以將多個(gè)方向入射的聲波局限在其腔中心附近。
[0017]本實(shí)用新型可應(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，為各種無線傳感器和微機(jī)電系統(tǒng)提供電能。
【附圖說明】
[0018]圖1是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)不意圖；
[0019]圖2是本實(shí)用新型中聲子晶體諧振腔結(jié)構(gòu)俯視圖；
[0020]圖3是本實(shí)用新型中機(jī)電赫姆霍茲諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021 ]圖4是本實(shí)用新型中復(fù)合壓電換能器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖中:聲子晶體諧振腔I;赫姆霍茲諧振腔2;復(fù)合壓電換能器3;支撐柱4;基座5。
【具體實(shí)施方式】
[0023]本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】如圖1所示，
[0024]本實(shí)施例一種采用聲子晶體與機(jī)電赫姆霍茲諧振器式聲能采集器包括機(jī)電赫姆霍茲諧振器、聲子晶體諧振腔1、支撐柱4和基座5。
[0025]聲子晶體諧振腔I由24根圓棒(1-1、1_2.....1_24)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。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)電赫姆霍茲諧振器和聲子晶體諧振腔的組合是通過支撐柱4支撐機(jī)電赫姆霍茲諧振器腔體矗立于底座5上而成。
[0026]聲子晶體諧振腔的散射體圓棒、支撐柱、外殼的材料均為有機(jī)玻璃;赫姆霍茲諧振腔的材料為鋁;彈性金屬片的材料為鈹青銅;壓電片的材料為壓電陶瓷PZT-5H。
[0027]上述例子中，當(dāng)外部聲波從任一方向入射時(shí)，聲子晶體諧振腔首先將聲波放大并局限在其腔中心;而處于聲子晶體諧振腔中心的機(jī)電赫姆霍茲諧振器進(jìn)一步放大匯聚腔中心聲波;最后增強(qiáng)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，實(shí)現(xiàn)將聲能轉(zhuǎn)換為電能，從而實(shí)現(xiàn)多方向高效聲能采集。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種采用聲子晶體與機(jī)電赫姆霍茲諧振器式聲能采集器，其特征在于，所述采集器包括機(jī)電赫姆霍茲諧振器、聲子晶體諧振腔、支撐柱和基座;所述機(jī)電赫姆霍茲諧振器處于聲子晶體諧振腔的中心位置，并通過支撐柱固定在底座上，而多個(gè)聲子晶體諧振腔體等間距分布在機(jī)電赫姆霍茲諧振器的四周，通過粘合固定在底座上;所述機(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;赫姆霍茲諧振器安裝在復(fù)合壓電換能器上部。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種采用聲子晶體與機(jī)電赫姆霍茲諧振器式聲能采集器，其特征在于，所述復(fù)合壓電換能器采用彈性金屬片與壓電材料復(fù)合結(jié)構(gòu)，由彈性金屬片與壓電材料粘合而成。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種采用聲子晶體與機(jī)電赫姆霍茲諧振器式聲能采集器，其特征在于，所述聲子晶體諧振腔為采用圓柱體散射體的聲子晶體諧振器，即含中心點(diǎn)缺陷的圓柱體正方陣列結(jié)構(gòu)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種采用聲子晶體與機(jī)電赫姆霍茲諧振器式聲能采集器，其特征在于，所述聲子晶體諧振腔采用的散射體的數(shù)量、間距可調(diào)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種采用聲子晶體與機(jī)電赫姆霍茲諧振器式聲能采集器，其特征在于，所述聲子晶體諧振腔采用的散射體形狀可調(diào)，所述聲子晶體諧振腔的橫截面形狀可為正方形、多邊形、橢圓形或矩形。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種采用聲子晶體與機(jī)電赫姆霍茲諧振器式聲能采集器，其特征在于，所述機(jī)電赫姆霍茲諧振器的開口取向及大小可調(diào)。
【專利摘要】一種采用聲子晶體與機(jī)電赫姆霍茲諧振器式聲能采集器，包括機(jī)電赫姆霍茲諧振器、聲子晶體諧振腔（１）、支撐柱（４）、基座（５）；機(jī)電赫姆霍茲諧振器由復(fù)合壓電換能器（３）和赫姆霍茲諧振腔（２）組成。機(jī)電赫姆霍茲諧振器處于聲子晶體諧振腔的中心位置，并通過支撐柱固定在底座上，而聲子晶體諧振腔體通過粘合固定在底座上；入射聲波順序通過聲子晶體諧振腔和赫姆霍茲諧振腔的匯聚放大作用之后驅(qū)動(dòng)復(fù)合壓電換能器振動(dòng)，因此復(fù)合壓電換能器產(chǎn)生形變而輸出電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)聲-機(jī)-電的轉(zhuǎn)換，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，為各種無線傳感器和微機(jī)電系統(tǒng)提供電能。
【IPC分類】H02N2/18, F03G7/00
【公開號(hào)】CN205356188
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520959046
【發(fā)明人】楊愛超, 鄧高峰, 趙震宇, 朱亮, 俞林剛
【申請(qǐng)人】國網(wǎng)江西省電力科學(xué)研究院, 國家電網(wǎng)公司
【公開日】2016年6月29日
【申請(qǐng)日】2015年11月27日