一种俘能装置的制作方法

本实用新型涉及振动噪声与压电俘能控制
技术领域：
，具体而言，涉及一种俘能装置。
背景技术：
：目前对于能量的紧缺问题受到各界广泛关注，随着智能材料的不断发展和应用，通过压电材料将自然界的机械能转换为电能已经日渐成熟，压电俘能器可以将环境中的机械能转换成电能，具有节能环保、易于微型化等优点，但是，由于自然界中的振动能量比较分散，传统压电俘能器能量收集的效率并不高。技术实现要素：本实用新型旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型第一方面在于提出了一种俘能装置。有鉴于此，根据本实用新型的第一方面，提出了一种俘能装置包括：声学黑洞板，声学黑洞板包括板结构以及与板结构相连的声学黑洞结构，声学黑洞结构具体包括：弯曲部，与板结构相连接，弯曲部的厚度自弯曲部和板结构的相连处起从板结构的厚度逐渐减小至预设厚度，弯曲部以预设厚度继续延伸形成平台；压电回收电路，压电回收电路被配置为回收声学黑洞板的动能并转换为电能，压电回收电路包括：压电片组，设置于平台上，压电片组将声学黑洞板的动能转换成交流电压。本实用新型提供的俘能装置，基于声学黑洞板和压电回收电路组成的压电回收系统，其中，声学黑洞板包括板结构以及与板结构相连的声学黑洞结构，声学黑洞结构包括与板结构相连接的弯曲部，弯曲部的厚度自弯曲部和板结构的相连处起从板结构的厚度逐渐减小至预设厚度，当弯曲部的厚度达到预设厚度时，以预设厚度继续延伸，形成水平的平台，压电片组粘贴在平台上，具体位于声学黑洞结构的能量聚集点位置，使得压电片组的弯曲位移与平台的弯曲位移保持一致，从而来充分获取平台上能量集中的各点振动能量，并通过压电片将振动机械能转化为电能，进而弥补了自然界中振动能量不集中的缺陷，在声学黑洞结构聚集区域实现振动的控制和能量的回收，提升能量回收的效率。同时，能够直接从微电子器件和传感器的工作环境中提取能量来给其供能，使得俘能装置在实际的结构中具有极大的实用价值。需要说明的是，板结构的厚度为固定值。另外，根据本实用新型提供的上述技术方案中的俘能装置，还可以具有如下附加技术特征：在上述技术方案中，进一步地，压电片组包括至少两个压电片；至少两个压电片之间串联连接或并联连接。在该技术方案中，通过多个压电片对多个声学黑洞的能量聚集点进行能量俘获，相比于仅能俘获单一位置的传统压电浮能装置，能够充分获取平台上的振动能量，大大增加机械能的获取量，从而提高输出电压，并且通过多个压电片之间串联或并联，将多个压电片产生了相位差方向、幅值大小不同的多组交流电压电压整合，从而使输出的电压有效值最大化，进一步增大机械能转换成电能的效率。在上述任一技术方案中，进一步地，至少两个压电片位于声学黑洞板的能量聚集点，并按照指定阵列排布。在该技术方案中，预先确定所需振动数据对应的多个能量聚集点，将至少两个压电片设置在多个能量聚集点的位置，并按照指定阵列排布，从而充分获取平台上能量集中的各点振动能量，提升能量回收的效率。具体的，通过简谐激励的方式为声学黑洞板提供振动，振动数据包括振动频率和振动作用力，指定阵列根据声学黑洞板实际能量聚集点确定，根据声学黑洞结构中心的平台尺寸和能量聚集点，确定压电片的尺寸和数量。在上述任一技术方案中，进一步地，弯曲部的厚度变化满足以下幂函数：h(r)＝ε×rm，(m≥2)其中，h(r)表示弯曲部的厚度，r表示弯曲部水平方向的坐标，ε表示系数，m表示指数。在该技术方案中，基于弯曲部中传播的弯曲波随着厚度按一定幂指数函数减小其相应的相速度也减小，并且弯曲波传播的折射率在空间上呈梯度分布，使得弯曲波传播方向发生偏转，传播速度与传播方向的变化产生能量聚集效应，从而利用声学黑洞结构实现弯曲波能量的聚集与高效率耗散，达到能量聚集的目的，弥补了自然界中振动能量不集中的缺陷。同时，能量聚集效应宽频有效，具有广泛地应用前景。在上述任一技术方案中，进一步地，板结构与声学黑洞结构为一体式结构。在该技术方案中，板结构与声学黑洞结构为一体式结构，有利于声学黑洞板的制备，并且由于弯曲波由板结构向声学黑洞结构传播，一体式结构能够尽可能避免因不连续而引起的波反射。在上述任一技术方案中，进一步地，平台为以声学黑洞结构的中轴线为圆心的圆形结构。在上述任一技术方案中，进一步地，弯曲部水平方面的坐标大于平台的半径。在上述任一技术方案中，进一步地，压电片的材料为压电陶瓷。在该技术方案中，压电片的材料为压电陶瓷，其具有压电常数大、灵敏度很高、制造工艺完整、通用性强、价格低、使用范围广等优点，能够更好的进行电压转化，从而提升能量回收的效率。具体地，压电陶瓷采用pzt-5h。在上述任一技术方案中，进一步地，声学黑洞板的材料为金属。具体地，声学黑洞板的材料为铝。在上述任一技术方案中，进一步地，压电回收电路还包括：储能组件，储能组件被配置为存储电能；整流组件，整流组件的输入端连接于压电片组，整流组件的输出端连接于储能组件，整流组件被配置为将交流电压转换为直流电压。在该技术方案中，压电回收电路还包括储能组件和整流组件，通过整流组件将不同位置的压电片产生的具有相位差的交流电压进行整流，不仅将交流电压转换为直流电压，而且避免各压电片产生的交流电压的因相位差而抵消消耗，增大输出端的电压值，通过储能组件将整流组件输出的直流电压进行存储，进而为负载进行供电。具体地，整流组件为桥式模组，桥式模组的每个桥臂包括至少一个开关管桥式模组的输入端接入交流电压，桥式模组的输出端输出直流电压，开关管可以是绝缘栅双极型晶体管(igbt)，也可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)，且至少一个开关管中的每个开关管均与一个功率二极管并联，该功率二极管为反向续流二极管，采用与igbt或mosfet内部集成方式或者外部分立方式设置，储能组件的容值取值范围为10uf～2000uf。在上述任一技术方案中，进一步地，压电回收电路还包括：滤波组件，接入于整流组件和储能组件之间，滤波组件被配置为滤除电压转换过程产生的电磁干扰。在该技术方案中，通过设置滤波组件，以滤除电压转换过程产生的电磁干扰电压，从而使压电回收电路具备噪声抑制功能和较强的抗干扰能力，更大程度上地保护负载不受电磁干扰。具体地，滤波组件的容值范围为0.01uf～10uf。本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。附图说明本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1示出了本实用新型一个实施例的俘能装置的结构示意图；图2示出了本实用新型一个实施例中声学黑洞结构的截面示意图；图3示出了本实用新型一个实施例中声学黑洞结构的俯视图；图4示出了本实用新型一个具体实施例中压电片布放示意图；图5示出了本实用新型一个具体实施例中压电片的结构示意图；图6示出了本实用新型一个具体实施例中串联连接的压电片示意图；图7示出了本实用新型一个具体实施例中并联连接的压电片示意图；图8示出了本实用新型一个具体实施例中串联连接的压电片和整流组件示意图；图9示出了本实用新型一个具体实施例中并联连接的压电片和整流组件示意图；图10示出了本实用新型一个具体实施例中时间与压电片输出电压相位差的关系图；图11示出了本实用新型一个具体实施例中频率与压电片的输出电压的关系图；图12示出了本实用新型一个具体实施例中压电片输出电压的波形图；图13示出了本实用新型一个具体实施例中不同电路连接方式的频率与压电片的输出电压的关系图。其中，图1至图4中附图标记与部件名称之间的对应关系为：10俘能装置，100声学黑洞板，200压电回收电路，102声学黑洞结构，104板结构，1022弯曲部，1024平台，202压电片组，2022压电片，204储能组件，206整流组件。具体实施方式为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。下面参照图1至图13描述根据本实用新型一些实施例的俘能装置10。实施例一如图1至图3所示，根据本实用新型第一方面的实施例，提出了一种俘能装置10，包括：声学黑洞板100和压电回收电路200。具体地，声学黑洞板100包括板结构104以及与板结构104相连的声学黑洞结构102，声学黑洞结构102具体包括：弯曲部1022和平台1024，弯曲部1022与板结构104相连接，弯曲部1022的厚度自弯曲部1022和板结构104的相连处起从板结构104的厚度逐渐减小至预设厚度，弯曲部1022以预设厚度继续延伸形成平台1024，压电回收电路200被配置为回收声学黑洞板100的动能并转换为电能，压电回收电路200包括：压电片组202，设置于平台1024上，压电片组202将声学黑洞板100的动能转换成交流电压。本实施例提供的俘能装置10，基于声学黑洞板100和压电回收电路200组成的压电回收系统，其中，声学黑洞板100包括板结构104以及与板结构104相连的声学黑洞结构102，声学黑洞结构102包括与板结构104相连接的弯曲部1022，弯曲部1022的厚度自弯曲部1022和板结构104的相连处起从板结构104的厚度逐渐减小至预设厚度，当弯曲部1022的厚度达到预设厚度时，以预设厚度继续延伸，形成水平的平台1024，压电片组202粘贴在平台1024上，具体位于声学黑洞结构102的能量聚集点位置，使得压电片组202的弯曲位移与平台1024的弯曲位移保持一致，从而来充分获取平台1024上能量集中的各点振动能量，并通过压电片组202将振动机械能转化为电能，进而弥补了自然界中振动能量不集中的缺陷，在声学黑洞结构102聚集区域实现振动的控制和能量的回收，提升能量回收的效率。同时，能够直接从微电子器件和传感器的工作环境中提取能量来给其供能，使得俘能装置10在实际的结构中具有极大的实用价值。需要说明的是，板结构104的厚度为固定值。具体地，弯曲部1022的厚度变化满足以下幂指数函数：h(r)＝ε×rm，(m≥2)其中，h(r)表示弯曲部厚度，r表示弯曲部水平方向的坐标，ε表示系数，m表示指数。在该实施例中，基于弯曲部1022中传播的弯曲波随着厚度按一定幂指数函数减小其相应的相速度也减小，并且弯曲波传播的折射率在空间上呈梯度分布，使得弯曲波传播方向发生偏转，传播速度与传播方向的变化产生能量聚集效应，从而利用声学黑洞结构102实现弯曲波能量的聚集与高效率耗散，从而达到能量聚集的目的，弥补了自然界中振动能量不集中的缺陷。同时，能量聚集效应宽频有效，具有广泛地应用前景。进一步地，平台1024为以声学黑洞结构102的中轴线为圆心的圆形结构。实施例二如图4至图9所示，根据本实用新型的一个实施例，除上述实施例限定的特征之外，还进一步限定了：压电片组202包括至少两个压电片2022；至少两个压电片2022之间串联连接或并联连接。在该实施例中，通过多个压电片2022对多个声学黑洞的能量聚集点进行能量俘获，相比于仅能俘获单一位置的传统压电浮能装置，能够充分获取平台上的振动能量，大大增加机械能的获取量，从而提高输出电压，并且通过多个压电片2022之间串联或并联，将多个压电片2022产生了相位差方向、幅值大小不同的多组交流电压电压整合，从而使输出的电压有效值最大化，进一步增大机械能转换成电能的效率。进一步地，至少两个压电片2022位于声学黑洞板100的能量聚集点，并按照指定阵列排布，其中，预先根据施加在声学黑洞板100上的振动数据，确定该振动数据对应的多个能量聚集点，将至少两个压电片2022设置在多个能量聚集点的位置，并按照指定阵列排布，从而充分获取平台1024上能量集中的各点振动能量，提升能量回收的效率。具体的，振动数据包括振动频率和振动作用力，指定阵列根据声学黑洞板实际能量聚集点确定，根据声学黑洞结构中心的平台尺寸和能量聚集点，确定压电片的尺寸和数量。实施例三如图1至图3所示，根据本实用新型的一个实施例，除上述实施例限定的特征之外，还进一步限定了：板结构104与声学黑洞结构102为一体式结构。在该实施例中，通过板结构104与声学黑洞结构102为一体式结构，有利于声学黑洞板100的制备，并且由于弯曲波由板结构104向声学黑洞结构102传播，一体式结构能够有效避免因不连续而引起的波反射。实施例四根据本实用新型的一个实施例，除上述实施例限定的特征之外，还进一步限定了：压电片2022的材料为压电陶瓷，声学黑洞板100的材料为金属。在该实施例中，压电片2022的材料为压电陶瓷，其具有压电常数大、灵敏度很高、制造工艺完整、通用性强、价格低、使用范围广等优点，能够更好的进行电压转化，从而提升能量回收的效率。具体地，压电陶瓷采用pzt-5h，声学黑洞板100的材料为铝。实施例五如图1、图8和图9所示，根据本实用新型的一个实施例，除上述实施例限定的特征之外，还进一步限定了：压电回收电路200还包括储能组件204和整流组件206。具体地，储能组件204被配置为存储电能，整流组件206的输入端连接于压电片组202，整流组件206的输出端连接于储能组件204，整流组件206被配置为将交流电压转换为直流电压。在该实施例中，压电回收电路200还包括储能组件204和整流组件206，通过整流组件206将不同位置的压电片2022产生的具有相位差的交流电压进行整流，不仅将交流电压转换为直流电压，而且避免各压电片2022产生的交流电压的因相位差而抵消消耗，增大输出端的电压值，通过储能组件204将整流组件206输出的直流电压进行存储，进而为负载进行供电。具体地，整流组件206为桥式模组，桥式模组的每个桥臂包括至少一个开关管桥式模组的输入端接入交流电压，桥式模组的输出端输出直流电压，开关管可以是绝缘栅双极型晶体管(igbt)，也可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)，且至少一个开关管中的每个开关管均与一个功率二极管并联，该功率二极管为反向续流二极管，采用与igbt或mosfet内部集成方式或者外部分立方式设置，储能组件204的容值取值范围为10uf～2000uf。进一步地，压电回收电路200还包括滤波组件(图中未示出)，滤波组件接入于整流组件206和储能组件204之间，滤波组件被配置为滤除电压转换过程产生的电磁干扰。具体地，滤波组件的容值范围为0.01uf～10uf。实施例六如图1所示，根据本实用新型的一个具体实施例，提出了一种俘能装置，包括声学黑洞板、压电片组、整流桥器件(整流组件)、超级电容(储能组件)。第一步，建立声学黑洞模型；理论分析声学黑洞结构中能量聚集效应，推导出本装置的黑洞函数参数，具体地，在一维结构变化的均匀介质中，弯曲波动方程为：其中，ω为结构横向位移，d＝eh3/12(1-ν2)为弯曲刚度，e为杨氏模量，ν为泊松比，ρ密度，h为结构厚度，t为时间变量，x为弯曲波。对任意一点，弯曲波传播的振幅u可表达为复数形式如下：u(x)＝a(x)eiφ(x)其中，φ为累积相位，φ满足kp＝ω/cp,kp为板结构的波数。对于一个厚度呈现指数形式的结构如下：h(x)＝εxm当指数m≥2，累积相位φ将区域无限大，弯曲波无法到达边界也无法反射回来，因此弯曲波在边缘产生聚集。对于变厚度的平台结构，其弯曲方程如下：若不考虑结构的转动惯量与剪切效应，波数k满足下列公式：k＝(ρhθ2/d)1/4其中，θ为角频率。根据弯曲波的相速度c＝θ/k可以得出，如图2和图3所示，将铝板按照一定指数进行裁剪，使其厚度变化满足h(r)＝ε×r2即可形成声学黑洞结构。在二维声学黑洞中随着厚度的减小，弯曲波的相速度也逐渐减小产生能量聚集效应。在声学黑洞板中心留有厚度为l0半径为r0的圆形平台，确定声学黑洞结构的弯曲部的幂指数函数变化为：h(r)＝5×10-4×r2，(r0≤r≤200)其中，板结构处厚度不变，制造声学黑洞板的原材料结构尺寸及声学黑洞结构参数如表1所示。表1参数数值铝板密度(kg/m3)2690铝板弹性模量(gpa)70铝板泊松比0.345铝板长度(mm)370铝板厚度(mm)240铝板宽度(mm)5r0(mm)20l0(mm)0.2第二步，仿真分析中心平台能量聚集位置；用第一步得到的黑洞函数方程，在comsol(物理场建模)软件中建立曲面实体结构。采用悬臂端进行固定激振器，则影响能量的集中关键因素是振子受到的作用频率及作用力的大小，通过comsol软件在距离固定端90mm处垂直于含有声学黑洞结构的平面方向施加1n的力，在稳态研究下仿真得到4khz-7khz频率范围内不完美声学黑洞中心平台范围能量具有显著的吸收位置，即能量聚集点。第三步，在中心平台特定位置粘贴压电片；如图5所示，由第一步确定的不完美声学黑洞板的结构参数，来选择半径为r1，厚度l1的圆形压电片，压电片参数如表2所示。表2参数数值pzt-5h密度(kg/m3)7500pzt-5h弹性模量(gpa)66pzt-5h泊松比0.3r1(mm)7.5l1(mm)0.45如图4所示，由第二步得到了不完美声学黑洞中心平台上能量集中的位置，在不完美声学黑洞中心平台上粘贴六个压电片，分别记作no.1-no.6，压电片牢固粘贴在声学黑洞结构的平台上，使得压电片的弯曲位移与平台的弯曲位移保持一致，在声学黑洞板上施加第二步的激励(1n，4khz-7khz)，通过lmstestlab(振动噪声试验)测试软件得出不同位置的压电片产生的电压相位差(phase)、输出电压(outputvoltage)即振幅，如图10和图12所示，以及不同频率下压电片的输出电压，如图11所示。第四步，分析最优电路连接；通过比较如图6、图7、图8和图9中串联、并联、整流后串联、整流后并联四组电路连接方式，检测输出端的有效值电压，各连接方式下压电片输出电压如图13所示，得出最终整流后串联电压值最大，是这几组电路中最优的电路组合方式。在该实施例中，在结构中引入不完美声学黑洞结构，弥补了自然界中振动能量不集中的缺陷，能量俘获的位置更加准确，同时，引入阵列式压电片布放方式，进一步增大机械能转换成电能的效率，最后通过引入整流桥等器件，搭建整流电路，有效解决了压电片的相位差/幅值大小等限制因素，进一步提高系统的能量俘获。在本说明书的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，除非另有明确的规定和限定；术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。当前第1页12