一種寬頻聲能回收裝置的制造方法

本發明屬于能量回收裝置技術領域，尤其是涉及一種寬頻聲能回收裝置。

背景技術：
近年來，微機電系統、無線傳感器在環境監測領域得到廣泛的使用，其電源多由化學電池供給，需要定期更換。回收環境中能量為無線傳感器供電可減少化學電池使用量，具有顯著的經濟價值和社會環境效益。聲能是一種廣泛存在，可持續獲取的綠色聲源。將環境中蘊藏的巨大聲能量進行有效回收，為自供電傳感器提供可靠的能量來源、營造健康的聲學環境，具有顯著的經濟價值和社會效益，可服務于國家微能源戰略。聲子晶體是一種具有周期結構的新型功能材料，憑借其豐富且優越的聲學和振動特性，引起了廣泛關注。根據帶隙產生機理聲子晶體可分為Bragg散射型聲子晶體和局域共振型聲子晶體。對于前者，適當地引入點缺陷或線缺陷，就可以在結構中形成高Q值共振腔或者聲波導，這一特性使其具有應用于各種聲學器件和裝置中的潛在優勢；對于后者，合理地匹配結構參數，即可在中、低頻范圍內開辟若干個帶隙，利用其帶邊模態可實現聲能或振動能的局域化。目前，聲能量回收裝置主要是通過赫姆霍茲共振原理或Bragg聲子晶體缺陷態共振原理實現聲能局域化，再經由壓電換能器實現聲電轉換。上述兩種裝置僅對個別頻段上的窄帶聲敏感，而環境聲多分布在較寬的頻帶上，這一特性決定了其將錯失大部分環境聲能量，難以實現高效回收。

技術實現要素：
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種頻帶寬、結構簡單、制造方便的寬頻聲能回收裝置，將局域共振聲子晶體特性與共鳴器共振機理結合，設計出對中、低頻范圍寬頻聲敏感程度較高的聲能回收裝置，可用于回收工業生產、交通運輸、航空航天和社會生活中所產生的環境噪聲。本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：一種寬頻聲能回收裝置，該聲能回收裝置利用1/4波長管聲子晶體將聲波局域化，實現局域共振效應，即實現聲波在局部區域的聲壓放大、聲能聚焦，所述的1/4波長管聲子晶體包括聲波導管和多個1/4波長管，所述的1/4波長管固定在所述的聲波導管的外壁面上，所述的1/4波長管上設有壓電振子充當換能器，將聲能轉換成電能，通過改變結構參數可實現聲能回收裝置的動態調節。所述的聲波導管外壁面上設有至少一排1/4波長管。所述的一排上相鄰的1/4波長管之間距離相等。所述的聲波導管的壁面上設有多排通孔，所述的通孔的形狀與所述的1/4波長管的截面形狀相同，所述的1/4波長管的一端開口與所述的通孔通過粘合劑密封對接，另一端為封閉端，并在封閉端上通過粘合劑固定所述的壓電振子，用于接收聲壓波動以產生電能。所述的1/4波長管為剛性壁面圍成的空心管。相鄰兩個通孔的中心距相等。所述的聲波導管截面形狀為正方形、矩形、三角形或六邊形等多邊形。所述的1/4波長管截面形狀為圓形、正方形、矩形、三角形或六邊形等多邊形。優先選擇截面形狀為正方形的1/4波長管，所述的1/4波長管以一維陣列的形式排布于聲波導管的外側壁面上。所述的壓電振子為壓電單晶片、壓電雙晶片或PVDF壓電薄膜等。所述的壓電單晶片的基板為矩形磷銅薄片，壓電層為PZT-5H壓電陶瓷圓形薄片。壓電振子宜采用厚度較薄、剛度較小的壓電單晶片或PVDF壓電薄膜以獲得更大的變形量，產生更多的電能。所述的1/4波長管和聲波導管由鋁合金、有機玻璃或鑄鐵等聲學阻抗較大的材料制成，壁面厚度大于5mm，避免結構振動產生能量耗散。所述的有機玻璃的密度為ρPMMA＝1190kg/m3，縱波波速為cPMMA＝2694m/s。所述的壓電振子優先選擇為壓電單晶片，其下層基板為矩形，上層壓電陶瓷為圓形，下層基板由磷銅制成，質量密度為ρPVDF＝1780kg/m3，楊氏彈性模量為ECu＝120GPa，泊松比為vCu＝0.32。所述壓電陶瓷由PZT-5H制成，質量密度為ρPZT-5H＝7400kg/m3，楊氏彈性模量為EPZT-5H＝40GPa，泊松比為vPZT-5H＝0.3，d31模態下壓電常數為d31＝750pC/N。本發明1/4波長管聲子晶體的聲局域化效果主要受以下因素影響：1/4波長管的幾何結構、1/4波長管之間的距離、1/4波長管聲子晶體中所包含的單元個數、1/4波長管截面積與聲波導管截面積的相對大小、1/4波長管的排列結構、壓電振子結構及布置形式。通過調節和改變上述因素可獲得滿足頻率要求、具有良好聲局域化效果的1/4波長管聲子晶體，為壓電振子上施加更大的激振力，提高電能回收效率。與現有技術相比，本發明具有以下優點：(1)本發明通過構造1/4波長管聲子晶體，在1000Hz下可以獲得一個低頻局域共振帶隙，利用其帶隙邊界模態下的共振特性可實現聲波局域化，即實現聲音在局部區域的聲壓放大、聲能聚焦；(2)本發明利用壓電效應，即在1/4波長管聲子晶體的局域共振區域置入壓電振子，將聲能轉化成電能，可用于回收工業生產、交通運輸、航空航天和社會生活中所產生的環境噪聲；(3)本發明通過改變1/4波長管聲子晶體的結構參數實現回收聲能的頻率動態調節，可實現對1000Hz以下多個分立頻段上聲能量的回收；(4)本發明聲波導管和1/4波長管的壁面厚度大于5mm，避免結構振動產生能量耗...