空气声能聚集和收集装置及系统的制作方法

本发明涉及能量收集技术领域，特别是涉及一种能够聚集和收集空气声能的机电换能器件。

背景技术

信息时代物联网和智能控制系统的发展，对微机电系统和无线传感器网络的需求急剧增加，推动了这种低功率移动设备的快速发展，而通常这类无线设备的布点分散，对本地供能提出了挑战。在本地自供电方面，与有线电力传输相比，环境能源是更好的解决方案，目前已经成熟的技术包括太阳能发电，风力发电等，但是这类环境能源对天气依赖性很大，在许多应用场景中并不适用。而在人们生活和工作的各种场所广泛存在空气声能，这是一种无线传播的清洁能源，使用声能收集系统将空气中的声能转化为电能，能够有效应对移动设备供电难的问题。

但是空气声能的能量密度很低，且主要声能分布在1000hz以下的低频，例如大型机器噪声和交通噪声均集中在这一频段，能量可达七十分贝以上，相对的声波波长达到几十厘米到几米。传统的声能收集采用赫姆霍兹谐振腔聚集声能，为了降低谐振频率至低频，谐振腔尺寸需随着声波波长增大，难以应用于微设备供能。新型的声能收集将声学超材料用作提高空气声能密度的结构，收集亚波长尺度的声能，但现有的结构比较复杂，增加了工程应用中生产加工的难度。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提出一种空气声能聚集和收集装置及系统，用以解决现有声能收集系统难以用简单结构和较小体积收集低频声能的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种空气声能聚集和收集装置，包括：壳体；换能器，所述换能器设置在所述壳体内，所述换能器与所述壳体连接；连接引线，所述连接引线的一端与所述换能器连接；所述壳体包括框架以及分别设置在所述框架两侧的第一阻抗板及第二阻抗板；所述第一阻抗板及所述第二阻抗板与所述框架形成一空腔，所述换能器设置在所述空腔内，所述换能器与所述框架连接；其中所述第一阻抗板处于共振，同时所述第二阻抗板处于反共振。

优选地，所述第一阻抗板与所述第二阻抗板之间的距离为5mm～50mm。

优选地，所述第一阻抗板包括：第一薄板；或

所述第一阻抗板包括：第一薄板；第一质量块，至少一个所述第一质量块设置在所述第一薄板背向所述换能器的一侧；或

所述第一阻抗板包括：第一薄板；第一线圈，至少一个所述第一线圈设置在所述第一薄板面向所述换能器的一侧，所述第一线圈通过第一线圈引线与所述连接引线连接；或

所述第一阻抗板包括：第一薄板；第一质量块，至少一个所述第一质量块设置在所述第一薄板背向所述换能器的一侧；第一线圈，至少一个所述第一线圈设置在所述第一薄板面向所述换能器的一侧，所述第一线圈通过第一线圈引线与所述连接引线连接。

优选地，所述第二阻抗板包括：第二薄板；或

所述第二阻抗板包括：第二薄板；第二质量块，至少一个所述第二质量块设置在所述第二薄板背向所述换能器的一侧；或

所述第二阻抗板包括：第二薄板；第二线圈，至少一个所述第二线圈设置在所述第二薄板面向所述换能器的一侧，所述第二线圈通过第二线圈引线与所述连接引线连接；或

所述第二阻抗板包括：第二薄板；第二质量块，至少一个所述第二质量块设置在所述第二薄板背向所述换能器的一侧；第二线圈，至少一个所述第二线圈设置在所述第二薄板面向所述换能器的一侧，所述第二线圈通过第二线圈引线与所述连接引线连接。

优选地，所述第一薄板及所述第二薄板的面积≤1000cm²、厚度≤10cm；所述第一薄板及所述第二薄板的材质为橡胶、硅胶、乳胶、金属、塑料、复合材料板、压电薄膜或压电陶瓷单晶片。

优选地，所述第一质量块及所述第二质量块的外轮廓形状为圆形、三角形、四边形、五边形或六边形。

优选地，所述第一质量块与所述第一薄板接触面的面积≤所述第一薄板面积的1/3；所述第二质量块与所述第二薄板接触面的面积≤所述第二薄板面积的1/3。

优选地，所述换能器包括：基板；压电陶瓷片，至少一个所述压电陶瓷片设置在所述基板上；所述连接引线的一端与所述压电陶瓷片连接；配重块，至少一个所述配重块设置在所述压电陶瓷片上。

一种空气声能聚集和收集系统，包括：空气声能聚集和收集装置，若干个所述空气声能聚集和收集装置在面内方向阵列串联；其中所述空气声能聚集和收集装置为空气声能聚集和收集装置。

优选地，若干个所述空气声能聚集和收集装置之间的聚集声能的频率不同。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1)相对于传统的声能谐振腔，本发明提供的工作在低频段的两个阻抗板构成的声能聚集腔可以设计得更加轻薄，并且根据单元的排列方式不同，尺寸可大可小，形状更多变，能将腔体内的声压提高至10倍左右。

2)相对于新型的声学超材料，本发明提供的结构更加简单，减轻了加工制作的难度。而且每个单元都可以进行设计，对不同频率的声音进行放大。

3)本发明通过提高装置空腔内的声压使得换能器的机电换能效率提高，具有发电效率高，功率密度大的优点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征目的和优点将会变得更明显。

图1为本发明空气声能聚集和收集装置实施例一爆炸图；

图2为本发明空气声能聚集和收集装置第一阻抗板实施例结构示意图；

图3为本发明空气声能聚集和收集装置第二阻抗板实施例结构示意图；

图4为本发明空气声能聚集和收集装置换能器结构示意图；

图5为本发明空气声能聚集和收集装置实施例二爆炸图；

图6为本发明空气声能聚集和收集装置实施例三爆炸图；

图7为本发明空气声能聚集和收集装置实施例四爆炸图；

图8为本发明空气声能聚集和收集装置实施例四样品测试结果图；

图9为本发明空气声能聚集和收集系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1～图7所示，空气声能聚集和收集装置，包括第一阻抗板12和第二阻抗板13、固定的框架11(可以采用整体网格结构)、压电换能器14、引出电极151和电极引线152。

第一阻抗板12可以有四种实现的方式：可以仅由一层均匀的第一薄板121组成；可以包含一层均匀的第一薄板121,第一薄板121的至少一个表面上放置至少一个第一质量块122；可以包含一层均匀的第一薄板121,第一薄板121的至少一个表面上放置至少一个第一线圈123；或者在第一薄板121的两侧分别设置第一线圈123和第一质量块(图中未示出)。

第二阻抗板13也可以有四种实现的方式：可以仅由一层均匀的第二薄板131组成；可以包含一层均匀的第二薄板131,第二薄板131的至少一个表面上放置至少一个第二质量块132；可以包含一层均匀的第二薄板131,第二薄板131的至少一个表面上放置至少一个第二线圈133；或者在第二薄板131的两侧分别设置第二线圈133和第二质量块(图中未示出)。

阻抗板以贴有质量块的一侧为外侧，安装在固定的框架11上，形成一个空腔。

压电换能器14以压电陶瓷片142作为换能材料，固定在引出电极151上，还配以配重块143，基板141的两端以安装支柱46或直接相连的形式固定在框架11的合适位置上。

引出电极151分为左右电极，与压电换能器14的输出正负极连接，在固定框架11上打孔后连接引线152。

如图5所示的空气声能聚集和收集装置实施例二。本实施例中，第一阻抗板12内侧贴附的第一线圈123通过第一线圈引线125与引出电极151连接，最后连接引线152导出电能。相较于实施例一，实施例二在第一阻抗板12上增加了第一线圈123，并且压电换能器14的配重块143(图5未示出，见图4)采用永磁体制成。在声波激励条件下，第一线圈123所贴附的第一阻抗板12处于共振时，其运动幅度达到最大值。如此一来，第一线圈123与压电换能器14的配重块143之间因电磁感应效应产生电动势。由此便增加了一个利用电磁感应原理产生电能的换能器。进一步地，本实施例中的电磁感应原理换能器与压电原理换能器工作在同一个频率，由此提高了整个装置的机电换能效率。

第一阻抗板12和第二阻抗板13之间的距离可以根据框架11的高度调节，应不低于换能器14的高度，一般为5mm～50mm。

图6提供了本发明实施例中的一个安装于自由空间的声能聚集和收集装置的实施例三(未示出电极和引线)。本实施例中框架11为分段结构，分为两段，其一与第一阻抗板12相连，其二与第二阻抗板相连。压电换能器14通过安装支柱46固定于两个阻抗板之间形成的空腔内部。图7提供了本发明实施例中的一个圆形声能聚集和收集装置的实施例四(实验样品)示意图。该实验样品的几何参数中，所述厚度均为沿结构平面法向的厚度。第一阻抗板12由直径为10mm，厚度为1.2mm的304不锈钢片和半径为34mm，厚度为0.254mm的聚碳酸酯塑料薄板依次堆叠而成；第二阻抗板13由直径为10mm，厚度为1.15mm的304不锈钢片和半径为34mm，厚度为0.125mm的聚碳酸酯塑料薄板依次堆叠而成；换能器14由质量3.9g的t型紫铜质量块，长宽厚度依次为20mm，10mm，0.2mm的压电陶瓷片，长款厚度依次为34mm，10mm，0.2mm的磷铜基板依次堆叠而成；框架11为外直径41mm，内直径34mm的6061铝环。

本实施例的实验样品的测试结果如图8所示，(a)为宽频激励下(200hz-600hz)，声能聚集和收集装置实施例四的试验样品的输出电压；(b)为单频激励下(283hz)，声能聚集和收集装置实施例四的试验样品的输出电压。

本发明的原理如下：

每一个由薄板和质量块组成的阻抗板在特定频率下会产生共振和反共振的振动模式，当声波入射到单元时，产生共振模式的阻抗板，呈现对入射声波的近乎全透射现象，而产生反共振模式的阻抗板，则呈现对入射声波的近乎全反射现象。两个阻抗板的构成薄板和质量块分别匹配好各自的共振频率和反共振频率后通过框架安装到一起。对于某个特定频段的入射声波，第一阻抗板处于共振，与此同时第二阻抗板处于反共振。当特定频段的声波入射到第一阻抗板时，第一阻抗板对于声波来说是看不见的，可以完全透过继续传播；而当声波入射到第二阻抗板时，第二阻抗板对于声波而言像一面硬壁，绝大多数的声波能量都被反弹回去。因此这个频段的声波就被聚集在两个阻抗板之间的空腔中，产生了声压提高的现象。

压电材料产生应变后能生成电荷，因此为了提高机电换能效率，需要使压电材料产生更大的应变。本发明中涉及的换能器，可以简化成一个弹簧振子的模型，随着声压的提高，施加在压电材料上的力相应增加，换能器的振幅增大，压电材料的应变也随之变大，输出的电荷便能够提高。

如图9所示，本发明还提供了一种空气声能聚集和收集系统，若干个空气声能聚集和收集装置3在面内方向阵列串联组成空气声能聚集和收集系统，安装在墙体33上，空气声能聚集和收集装置3的排布方式可以是离散的阵列排布。

值得注意的是，图9给出的空气声能聚集和收集系统中所采用的空气声能聚集和收集装置3仅使用一个阻抗板，即第一阻抗板12(图中未示出)，而未使用第二阻抗板13。这是因为空气声能聚集和收集装置3直接安装在墙体33上，而墙体33通常可以视为是一种声波全反射面，在功能上与第二阻抗板13类似。

进一步地，每一个空气声能聚集和收集装置3聚集声能的频率可以不同，有利于针对宽频入射声能进行收集。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。