一种用于低频宽带的紧凑式声波发电装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于低频宽带的紧凑式声波发电装置，包括：底座、阿基米德螺旋共振腔、金属基板、压电片，其中阿基米德螺旋共振腔采用一端开口及另一端封闭的螺旋管体结构；所述阿基米德螺旋共振腔的下表面固定设置于底座上，且阿基米德螺旋共振腔的上表面固定连接金属基板以形成仅在开口处开放的封闭结构；所述压电片设置于金属基板的表面，且压电片上设置有正负电极。还包括质量块，所述质量块设置于压电片的表面；本发明专利技术既能够以一个较小的体积实现对低频声压进行放大，还具有较宽的有效能量收集频带，由于其占用空间较小，易于安装，有效实现低频声波能量进行高效声电转换，拓展能量收集器的有效工作频段，为低功耗电子器件实现供能。

A compact acoustic wave generator for low frequency broadband

The invention discloses a compact acoustic power generation device, which comprises a base, low frequency broadband Archimedes spiral resonator, metal substrate, piezoelectric film, in which Archimedes spiral cavity with an opening at one end and the other end closed spiral tube structure; under the surface of the Archimedes spiral cavity is fixed on the base on the surface, and the Archimedes spiral cavity is fixedly connected with the metal substrate to form a closed structure only in the opening opening; the surface of the piezoelectric sheet is arranged on the metal substrate, and a piezoelectric plate is provided with a positive and negative electrode. Including the mass, the surface quality of block is arranged on the piezoelectric sheet; the invention can take a smaller volume to achieve amplification of low frequency, effective energy collection also has wide frequency band, due to the small footprint, easy installation, effective realization of low frequency sound wave energy and high efficiency power conversion the effective work, expand the energy collector band for low power electronic devices to achieve energy supply.

【技术实现步骤摘要】
一种用于低频宽带的紧凑式声波发电装置
本专利技术涉及一种用于低频宽带的紧凑式声波发电装置，属于声波发电设备的

技术介绍
近年来无线传感器、微机电系统等低功耗无线电子器件得到了快速发展，如何为其供能成为了目前需要解决的一项关键技术。对环境能量进行收集并加以利用，可有望解决低功耗电子器件的供能问题，使其在部署时免于更换电池，实现长时间的运行。声能是环境中普遍存在的一种机械能，不受环境中的温度、光照等的影响。特别是500Hz以下低频声波，由于其波长较长，难于抑制，传播距离较长。产生这种低频声波的噪声源很多，包括发电机、泵体、发动机、气流等噪声源，在工业界和人类生活中普遍存在。如能将这部分声能实现有效声电转换，可充分挖掘声能的潜力，并使整套声能收集装置具备安装灵活的特点，只要放置在声音较大的地方即可。这里的低频声主要是指500Hz以下的低频声波。这类噪声的声波波长较长，由于声能量密度较低，在声电转换中为了获得较大的回收功率，通常需要设计声音放大结构，对入射声波进行放大。基于赫姆霍兹声共鸣腔和1/4波长管技术可以对声波进行放大，1/4波长管装置对声压放大的效果更好。利用上述装置进行声波能量收集国内外已有相关的研究。目前存在的问题是在低频带声波进行能量收集时，这类装置体积较大，结构笨重，在很多应用场合受到了限制。以100Hz声波为例，其空气中传播时声波波长为3.43m，如果采用1/4波长管对其进行入射声压放大，1/4波长管的长度将达到0.85m。上述缺陷导致利用赫姆霍兹声共鸣腔和1/4波长管进行低频声能量收集的装置难以小型化。此外，采用上述传统结构的最大回收功率发生在声共振结构的谐振频率点上，一旦声波激励频率偏离了声共振腔体自身的谐振频率，那么由于声压放大倍数的下降，导致回收功率值将大幅下降。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种用于低频宽带的紧凑式声波发电装置，解决传统结构在低频带声波进行能量收集时，这类装置体积较大，结构笨重，一旦声波激励频率偏离了声共振腔体自身的谐振频率，导致回收功率值将大幅下降的问题。将低频声波能量进行高效声电转换，拓展能量收集器的有效工作频段，为低功耗电子器件实现供能。本专利技术具体采用以下技术方案解决上述技术问题：一种用于低频宽带的紧凑式声波发电装置，包括：底座、阿基米德螺旋共振腔、金属基板、压电片，其中阿基米德螺旋共振腔采用一端开口及另一端封闭的螺旋管体结构；所述阿基米德螺旋共振腔的下表面固定设置于底座上，且阿基米德螺旋共振腔的上表面固定连接金属基板以形成仅在开口处开放的封闭结构；所述压电片设置于金属基板的表面，且压电片上设置有正负电极。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：还包括用于机械共振频率调节的质量块，所述质量块设置于压电片的表面。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：还包括负载电路，所述负载电路连接压电片的正负电极。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：所述负载电路采用可调电阻箱。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：所述底座采用树脂、ABS或金属材料制成。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：所述底座、金属基板均采用圆形。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：所述金属基板的半径大于阿基米德螺旋共振腔的外周半径且小于底座的半径。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：所述阿基米德螺旋共振腔的上表面通过粘连方式与金属基板固定。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：所述粘连方式采用环氧胶。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：所述压电片采用压电陶瓷材料。本专利技术采用上述技术方案，能产生如下技术效果：本专利技术设计了用于低频宽带的紧凑式声波发电装置，通过压电效应在压电片的上下表面产生电势差，通过封闭结构中共振腔、金属基板、压电片配合，可以将声能回收并转换为电能，将声能作为一种新型绿色能源进行转换，给低功耗装置进行供电。通过新型的声波能量收集结构，使其既能够以一个较小的体积实现对低频声压进行放大，还具有较宽的有效能量收集频带，由于其占用空间较小，易于安装，可方便对其进行阵列化处理，进一步增大发电功率输出。因此，本专利技术能够有效实现低频声波能量进行高效声电转换，拓展能量收集器的有效工作频段，为低功耗电子器件实现供能。附图说明图1为本专利技术的用于低频宽带的紧凑式声波发电装置的结构示意图。图2为本专利技术中底座与阿基米德螺旋共振腔连接的结构示意图。图3为本专利技术中金属基板与压电片连接的结构示意图。图4为本专利技术中阿基米德螺旋共振腔内声压级分布示意图。图5为本专利技术在测试中麦克风传感信号的功率谱。图6为本专利技术在测试中采用的发电性能测试结构示意图。图7为本专利技术中压电片产生的电压功率谱。图8为本专利技术中不同频率下测试得到的电压峰峰值。图9为本专利技术中在不同频率下得到的回收功率。图中标号解释：1-金属基板，2-压电片，3-质量块，4.-阿基米德螺旋共振腔，5-底座。具体实施方式下面结合说明书附图对本专利技术的实施方式进行描述。如图1所示，本专利技术设计了一种用于低频宽带的紧凑式声波发电装置，该装置包括：底座5、阿基米德螺旋共振腔4、金属基板1、压电片2，其中阿基米德螺旋共振腔4采用一端开口及另一端封闭的螺旋管体结构；所述阿基米德螺旋共振腔4的下表面固定设置于底座5上，且阿基米德螺旋共振腔4的上表面固定连接金属基板1以形成仅在开口处开放的封闭结构；所述压电片2设置于金属基板1的表面，且压电片2上设置有正负电极。本实施例中，所述底座5、金属基板1均采用圆形。所述阿基米德螺旋共振腔4由阿基米德螺旋线经过拉伸展为三维结构，包括内壁、外壁和壁高。由于管道长度和螺旋腔的共振频率有关，长度不同，对应的谐振频率将会发生变化。作为螺旋管，如果管道厚度太薄，那么管壁两侧的声波会产生较强烈的耦合作用，所以要有一定的厚度来降低干扰。本实施例中，优选地，阿基米德螺旋式声学共振腔的管道平均长度为管壁外侧长度和内侧长度的平均值；三维阿基米德螺旋结构的壁厚应小于阿基米德螺旋线的管道平均长度和高度；三维阿基米德螺旋结构的壁厚应小于三维阿基米德螺结构的管道平均长度和高度；三维阿基米德螺旋结构的高度应小于三维阿基米德螺旋结构的管道平均长度；优选的，螺旋结构的管道平均长度的4倍长度为三维阿基米德螺旋结构发生声学共振时对应的声波波长。由于是三维结构，所述管道的高度是指从上表面到底座的距离，由于螺旋管存在一定的管道宽度，这样导致从管子外侧测量的长度尺寸和管内侧测量的长度相差较大，需要做一下平均，并用于谐振频率的计算。并且，所述阿基米德螺旋共振腔4的下表面安装在底座5上，其结构如图2所示，底座材料应有一定的硬度，材料优选为树脂、ABS或金属材料；底座应有一定的厚度，推荐其厚度在2mm以上。装置中，所述阿基米德螺旋共振腔4的上表面固定连接金属基板1，优选地，所述阿基米德螺旋共振腔4的上表面通过粘连方式与金属基板1固定。如金属基板1与阿基米德螺旋共振腔4的上表面通过强力环氧胶相连，实现对声腔上表面的封闭，使其仅在开口处开放。以及，所述金属基板为圆形，其材料为弹簧钢，其半径应大于阿基米德螺旋共振腔的外周半径且小于底座的半径。如果基板半径太小，无法对上表面实现全覆盖，会有气隙；如果半径过大，超过底盘半径，一方面会降低结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于低频宽带的紧凑式声波发电装置，其特征在于，包括：底座、阿基米德螺旋共振腔、金属基板、压电片，其中阿基米德螺旋共振腔采用一端开口且另一端封闭的螺旋管体结构；所述阿基米德螺旋共振腔的下表面固定设置于底座上，且阿基米德螺旋共振腔的上表面固定连接金属基板以形成仅在开口处开放的封闭结构；所述压电片设置于金属基板的表面，且压电片上设置有正负电极。

【技术特征摘要】
1.一种用于低频宽带的紧凑式声波发电装置，其特征在于，包括：底座、阿基米德螺旋共振腔、金属基板、压电片，其中阿基米德螺旋共振腔采用一端开口且另一端封闭的螺旋管体结构；所述阿基米德螺旋共振腔的下表面固定设置于底座上，且阿基米德螺旋共振腔的上表面固定连接金属基板以形成仅在开口处开放的封闭结构；所述压电片设置于金属基板的表面，且压电片上设置有正负电极。2.根据权利要求1所述用于低频宽带的紧凑式声波发电装置，其特征在于：还包括用于机械共振频率调节的质量块，所述质量块设置于压电片的表面。3.根据权利要求1所述用于低频宽带的紧凑式声波发电装置，其特征在于：还包括负载电路，所述负载电路连接压电片的正负电极。4.根据权利要求3所述用于低频宽带的紧凑式声波发电装置，其特征在于：所述负...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁明，曹自平，罗俊，王强，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32