一种基于亥姆霍兹共振腔阵列的吸声与压电俘能装置 |
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| 申请号 | CN202410087647.6 | 申请日 | 2024-01-22 | 公开(公告)号 | CN117877453A | 公开(公告)日 | 2024-04-12 |
| 申请人 | 山东理工大学; | 发明人 | 吕佳; 李丽君; 司传豪; 张帆; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种基于亥姆霍兹共振腔阵列的吸声与压电俘能装置，该装置将两个亥姆霍兹共振腔镜像放置，通过压电 薄膜 将两个亥姆霍兹共振腔的底部连接，构成一个结构单元。通过管形 波导 并联若干个所述结构单元的短管。 声波 从管形波导一端进入时，一部分声波沿管形波导直接进入一侧的亥姆霍兹共振腔的短管中，另一部分沿迷宫形波导输入到另一侧的亥姆霍兹共振腔的短管中，路径的差距使输入到两侧短管的声波 相位 相差180°，实现一侧亥姆霍兹共振腔内声压为正时，另一侧的共振腔内声压为负，两亥姆霍兹共振腔内部声压始终相反，以此增大压电薄膜的形变量，提高 输出 电压 。所有压电片 串联 作为电压源，通过整流 电路 为小功率用电设备供电。1.本发明通过亥姆霍兹共振腔型声学超材料有效解决中低频吸声问题，显著降低噪声；2.通过共振腔结构单元中的压电薄膜在声压作用下的 变形 ，实现声能到 电能 的转换，完成 能量 回收和自供电；3.通过迷宫形波导实现输入到两侧共振腔的声波相位相差180°，增大压电薄膜变形量，进一步增大输出电压。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于亥姆霍兹共振腔阵列的吸声与压电俘能装置，其特征在于，通过压电薄膜（6）将镜像放置的两个亥姆霍兹共振腔的底部连接，构成一个结构单元（1）。利用管形波导（2）连接所述结构单元（1）的短管，通过迷宫形波导（3）连接两个管形波导（2）。 |
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| 说明书全文 | 一种基于亥姆霍兹共振腔阵列的吸声与压电俘能装置技术领域背景技术[0002] 随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，噪声污染不容忽视。声学超材料能够实现不同波长尺度噪声的有效吸收。压电元件的广泛使用，使得采集噪声并转化为有用的电能成为可能。通过亥姆霍兹共振腔的共振使得压电薄膜振动，实现声能到电能的转换。 [0003] 金梦在2020年提出一种基于超表面的超薄声能收集单元，在腔体内交叉放置隔板，构成类迷宫式的流体通道，迷宫尽头贴有压电片。声波沿着紧凑的流体通道传播，局域声压得到放大。另外，为了保证声压尽可能多的进入超表面，在折叠空间结构的基础上加了微穿孔板来调节阻抗匹配，以确保超表面对声波的吸收。迷宫式通道较为狭窄，产生较大的热黏滞效应，导致声能损耗较大。吕海峰等人在2022年提出的一种将Helmholtz共振效应结合的声电换能超材料结构，将压电片安装至Helmholtz共振器底部，波导管侧壁均布多个超材料单元。该结构主要针对400 420Hz频率范围吸收噪音，频带范围较窄。另外每个共振腔~之间间隔较长，体积较大，不利于实际应用中的布置。2019年叶旭提出一种高幅值低频宽声带声能采集器，两个亥姆霍兹共振腔串联，非线性能量采集装置置于多腔亥姆霍兹共振腔的尾腔中，由压电悬臂梁、两块末端永磁体和两块固定磁铁构成。振动过程中悬臂梁系统同时存在多个谐振频率，实现宽频声波的有效采集。此结构的入射波经过亥姆霍兹共振腔的写真方法作用后激励压电悬臂梁结构，但放大效果较小，当多个谐振频率相同时，输出电压最大，但难以实现谐振频率相同。 发明内容[0004] 为了对中低频噪声进行有效吸收和能量再利用，实现装置设备轻量化，本发明提供一种基于亥姆霍兹共振腔阵列的吸声与压电俘能装置。 [0005] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案： [0006] 一种基于亥姆霍兹共振腔阵列的吸声与压电俘能装置，包括由镜像放置的底部通过压电薄膜连接的两个亥姆霍兹共振腔组成的结构单元、管形波导、迷宫形波导，若干结构单元在管形波导上一维阵列排列。 [0007] 进一步的，管形波导通过迷宫形波导连接。 [0008] 进一步的，迷宫形波导内部设有支板，构成迷宫结构。迷宫结构使输入同一结构单元镜像放置的两短管的声波相位反向。 [0009] 进一步的，压电元件材料为PVDF。 [0010] 进一步的，压电元件厚度为0.2mm。 [0011] 进一步的，若干压电薄膜串联作为电压源，通过整流电路与负载连接，为小功率用电设备供电。 [0012] 与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果： [0013] （1）本发明提出一种嵌入压电薄膜的新型声学超材料结构，在对应的中低频范围内有良好的吸声减噪效果。 [0015] （3）本发明将结构单元并联，通过迷宫形波导将两管形波导连接，迷宫形波导内的迷宫结构使输入结构单元中两短管的声波相位相差180°，两共振腔内声压一正一负，增大压电薄膜形变量。 [0017] 图1为本发明一种基于亥姆霍兹共振腔阵列的吸声与压电俘能装置的剖视图； [0018] 图2为本发明一种基于亥姆霍兹共振腔阵列的吸声与压电俘能装置结构单元剖视图； [0019] 图3为本发明一种基于亥姆霍兹共振腔阵列的吸声与压电俘能装置电路示意图； [0020] 图4为本发明一种基于亥姆霍兹共振腔阵列的吸声与压电俘能装置传递损失曲线； [0021] 图5为本发明一种基于亥姆霍兹共振腔阵列的吸声与压电俘能装置压力为1Pa时的开路电压曲线； [0022] 图中：1、结构单元；2、管形波导；3、迷宫形波导；4、短管；5、亥姆霍兹共振腔；6、压电薄膜。 具体实施方式[0023] 为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明，此处仅用于解释本发明，并非用来限定本发明。基于本发明创造中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明创造保护范围。 [0024] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指装置或结构必须具有指定方位、以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对本发明的的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。 [0025] 本发明提供一种基于亥姆霍兹共振腔阵列的吸声与压电俘能装置，由若干个一维、沿管形波导2周期排列的结构单元1、管形波导2和迷宫形波导3组成，如图1所示。所述结构单元1包括短管4、共振腔5以及连接镜像亥姆霍兹共振腔的压电薄膜6，如图2所示。 [0026] 迷宫形波导3位于管形波导2的一端，连接上下管形波导。迷宫形波导3内设有支板，以延长声波传输路径，使声波在通过下方管形波导进入镜像放置的短管时，声波相位与输入到同一结构单元上方短管4的声波相位相差180°。支板起始安装位置位于迷宫形波导3与上方管形波导2连接口最低水平线以下，截止安装位置在迷宫形波导3与下方管形波导连接口最高水平线以上。 [0027] 压电薄膜6四周固定在共振腔5的内壁上，同时作为共振腔5及其镜像放置的共振腔的底面，对于亥姆霍兹共振腔，距离腔体入口越远，对声压的放大作用越大。在两共振腔内部声压的作用下，压电薄膜6产生变形，上下表面分别产生正负电极，形成电势差。在压电薄膜6的上下表面分别接上电线。所有结构单元1的压电薄膜6串联组成电压源，连接整流电路，外接负载，为小功率用电设备供电。装置产生的总电压是所有压电薄膜产生的电压之和，电压表测量电压源电压，如图3所示。 [0028] 对于结构单元1，一侧共振腔5内声压为正时，另一侧的共振腔内声压为负；若共振腔5内声压为负，另一侧共振腔内声压则为正，两共振腔内声压永远相反，对连接两共振腔的压电薄膜6施加同一方向的压力。增大压电薄膜6的变形，从而增加发电效率。 [0029] 下面给出一种具体示例： [0030] 短管4半径为2mm，高度为4mm，共振腔5半径为20mm，高度为40mm，该尺寸的亥姆霍兹共振腔的共振频率为2093Hz，压电薄膜半径为20mm，高度为2mm，采用的是PVDF材料，压电薄膜的本征频率为3035Hz。传递损失曲线如图4所示，分别在2234Hz和2875Hz处出现了传递损失峰值，第一个峰值所对应的是亥姆霍兹共振腔的共振频率，第二个峰值所对应的是压电薄膜的本征频率，装置表现出明显的双局域共振效应，当噪声频率与超材料的双局域共振频率吻合时，将有效降低噪声。装置在频率3150Hz处产生峰值电压，对应压电薄膜本征频率。结构单元沿管形波导2一维排列的阵列数为8个，间隔为60mm。管形波导2的长为670.5mm，宽为45mm，高为50mm；迷宫形波导3的长为45mm宽为45mm，高为190mm；共有5个支板，支板的长为35mm，宽为45mm，高为4mm，支板间隔为20mm，迷宫路径长度为l=190mm‑45mm+ 35mm×3+45mm=295mm。声波波长为110mm，迷宫路径为波长的2.7倍，实现同一单元结构上下两短管输入的声波相位反向，增大压电薄膜形变量，提高输出电压，峰值电压为95mV，如图5所示。 [0031] 在实际应用中，可根据工程需求，对本发明中的结构尺寸、结构单元数量等进行调整，支板间隔和长度可根据实际情况自由调节，满足同一单元结构中镜像放置的两短管输入的声波相位反向即可，以达到按需生产的目的。 [0032] 本发明的具体制备过程如下： [0035] 3.完成3D打印的结构需要后处理，工艺过程包括静置、强制固化、去粉、包覆等。利用胶水将压电薄膜四周固定在共振腔壁上，同时作为两共振腔的底面。 [0036] 4.压电薄膜上下分别接有电线，在压电薄膜与共振腔结合处接出，与其余结构单元串联，构成电压源。电压源通过整流电路与负载连接，为小功率用电设备供电。 [0037] 本发明所涉及的亥姆霍兹共振腔、迷宫形波导、管形波导皆有单一材料构成，在此结构中基体材料可以根据具体工程应用选择各种性能的基体材料，比如：环氧树脂、橡胶等。实施例中压电薄膜选用的是PVDF薄膜，也可以选用其他合适的压电材料。 [0038] 可以单独制备各结构，将压电薄膜四周固定在镜像放置的两共振腔底端，根据具体安装工况进行阵列，用胶粘连。 |
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