一種采用聲子晶體與機電赫姆霍茲諧振器式聲能采集器的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種采用聲子晶體與機電赫姆霍茲諧振器式聲能采集器，屬新型能量采集技術領域。
【背景技術】
[0002]在過去的十幾年，采集周端環境能量來供電無人自治系統得到了廣泛的研究;采集的能量源包括太陽能、振動能、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境中普遍存在的聲能并轉化為電能，得到了廣泛的關注和研究。一些聲能采集系統已經被提出，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、采用聲子晶體結構的聲能采集三種;從換能的角度可分為靜電式、電磁式、壓電式、磁電式四種。在此基礎上，研究者相繼設計了一些聲能采集器，如:公開號CN103701360A公開了一種壓電式聲音發電機，公開號CN101335463公開了一種聲能發電方法及裝置，CN202353423U公開了一種聲音發電電子產品等；公開號CN201656733U公開了一種采用赫姆霍茲諧振腔的電磁式聲能發電裝置。
[0003]采用直接聲能采集技術的采集器體積小，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因為其聲放大能力并不強，所以采集效率并不高效。
【發明內容】
[0004]本實用新型的目的是，根據現有技術采用赫姆霍茲諧振腔聲能采集存在的問題，本實用新型提出一種采用聲子晶體與機電赫姆霍茲諧振器式聲能采集器，以實現聲能采集器的多方向高效響應特性。
[0005]實現本實用新型的技術方案是，一種采用聲子晶體與機電赫姆霍茲諧振器式聲能采集器包括機電赫姆霍茲諧振器、聲子晶體諧振腔、支撐柱和基座。
[0006]機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，而多個聲子晶體諧振腔體等間距分布在機電赫姆霍茲諧振器的四周，通過粘合固定在底座上。
[0007]機電赫姆霍茲諧振器由復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動復合壓電換能器振動，因此復合壓電換能器產生形變而輸出電信號，實現聲-機-電的轉換。
[0009]所述復合壓電換能器采用彈性金屬片與壓電材料復合結構，由彈性金屬片與壓電材料粘合而成。相比于電磁式換能器(動圈式)，它具有更高的電壓輸出、更簡單的結構、更小的體積和損耗。壓電材料與彈性金屬片的復合與單獨使用柔性壓電材料的結構相比，具有更好機械性能、更高的輸出，能夠更好地保護壓電材料。
[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，即含中心點缺陷的圓柱體正方陣列結構。
[0011 ]本實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，因為其結構本身具有二維平面內的對稱性和中心缺陷的局域化效應，所以可以很好地采集多個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電赫姆霍茲諧振器又可以進一步高效地匯聚聲能并驅動其背腔位置的復合壓電換能器將振動轉換為電能，從而實現多方向高效聲能采集。
[0012]本實用新型中聲子晶體諧振腔圓柱體散射體的數量、間距可調。
[0013]本實用新型中聲子晶體諧振腔采用的散射體形狀可調，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]本實用新型中機電赫姆霍茲諧振器的開口取向及大小可調。
[0015]本實用新型中機電赫姆霍茲諧振器的復合壓電換能器結構和材料可調。
[0016]本實用新型的有益效果是，本實用新型采用機電赫姆霍茲諧振器與聲子晶體諧振腔的結合可實現非常高效的聲能采集。機電赫姆霍茲諧振器本身是一種高效聲能采集器，它具有較強的聲波放大和聲能匯聚能力。當有效組合機電赫姆霍茲諧振器與聲子晶體諧振腔構成諧振耦合結構時，耦合結構的聲波放大和聲能匯聚能力將大大提高，從而實現非常高效的聲能采集效率。本實用新型采用聲子晶體諧振腔可以實現多方向的聲能采集。聲子晶體諧振腔本身的結構的對稱性導致其對聲波響應的多方向性，又因為其本身結構的聲波局域化效應，所以可以將多個方向入射的聲波局限在其腔中心附近。
[0017]本實用新型可應用于復雜環境下的具有多方向、能量密度低特點的聲能采集，為各種無線傳感器和微機電系統提供電能。
【附圖說明】
[0018]圖1是本實用新型結構不意圖；
[0019]圖2是本實用新型中聲子晶體諧振腔結構俯視圖；
[0020]圖3是本實用新型中機電赫姆霍茲諧振器的結構示意圖；
[0021 ]圖4是本實用新型中復合壓電換能器的結構示意圖；
[0022]圖中:聲子晶體諧振腔I;赫姆霍茲諧振腔2;復合壓電換能器3;支撐柱4;基座5。
【具體實施方式】
[0023]本實用新型的【具體實施方式】如圖1所示，
[0024]本實施例一種采用聲子晶體與機電赫姆霍茲諧振器式聲能采集器包括機電赫姆霍茲諧振器、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相互垂直的兩個方向陣列而成，并將其底部粘合在底座5上。機電赫姆霍茲諧振器由赫姆霍茲諧振腔2和復合壓電換能器3構成，復合壓電換能器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，當外部聲波從任一方向入射時，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電赫姆霍茲諧振器進一步放大匯聚腔中心聲波;最后增強的聲波驅動復合壓電換能器振動而產生電信號輸出，實現將聲能轉換為電能，從而實現多方向高效聲能采集。
【主權項】
1.一種采用聲子晶體與機電赫姆霍茲諧振器式聲能采集器，其特征在于，所述采集器包括機電赫姆霍茲諧振器、聲子晶體諧振腔、支撐柱和基座;所述機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，而多個聲子晶體諧振腔體等間距分布在機電赫姆霍茲諧振器的四周，通過粘合固定在底座上;所述機電赫姆霍茲諧振器由復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合壓電換能器上部。2.根據權利要求1所述一種采用聲子晶體與機電赫姆霍茲諧振器式聲能采集器，其特征在于，所述復合壓電換能器采用彈性金屬片與壓電材料復合結構，由彈性金屬片與壓電材料粘合而成。3.根據權利要求1所述一種采用聲子晶體與機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，即含中心點缺陷的圓柱體正方陣列結構。4.根據權利要求1所述一種采用聲子晶體與機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量、間距可調。5.根據權利要求1所述一種采用聲子晶體與機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，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.根據權利要求1所述一種采用聲子晶體與機電赫姆霍茲諧振器式聲能采集器，其特征在于，所述機電赫姆霍茲諧振器的開口取向及大小可調。
【專利摘要】一種采用聲子晶體與機電赫姆霍茲諧振器式聲能采集器，包括機電赫姆霍茲諧振器、聲子晶體諧振腔（１）、支撐柱（４）、基座（５）；機電赫姆霍茲諧振器由復合壓電換能器（３）和赫姆霍茲諧振腔（２）組成。機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動復合壓電換能器振動，因此復合壓電換能器產生形變而輸出電信號，實現聲-機-電的轉換，可以應用于復雜環境下的具有多方向、能量密度低特點的聲能采集，為各種無線傳感器和微機電系統提供電能。
【IPC分類】H02N2/18, F03G7/00
【公開號】CN205356188
【申請號】CN201520959046
【發明人】楊愛超, 鄧高峰, 趙震宇, 朱亮, 俞林剛
【申請人】國網江西省電力科學研究院, 國家電網公司
【公開日】2016年6月29日
【申請日】2015年11月27日