一种基于亥姆霍兹共振腔阵列的吸声与压电俘能装置

本发明属于声学超材料与压电能量采集领域，涉及一种基于亥姆霍兹共振腔阵列的吸声与压电俘能装置。

背景技术：

1、随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，噪声污染不容忽视。声学超材料能够实现不同波长尺度噪声的有效吸收。压电元件的广泛使用，使得采集噪声并转化为有用的电能成为可能。通过亥姆霍兹共振腔的共振使得压电薄膜振动，实现声能到电能的转换。

2、金梦在2020年提出一种基于超表面的超薄声能收集单元，在腔体内交叉放置隔板，构成类迷宫式的流体通道，迷宫尽头贴有压电片。声波沿着紧凑的流体通道传播，局域声压得到放大。另外，为了保证声压尽可能多的进入超表面，在折叠空间结构的基础上加了微穿孔板来调节阻抗匹配，以确保超表面对声波的吸收。迷宫式通道较为狭窄，产生较大的热黏滞效应，导致声能损耗较大。吕海峰等人在2022年提出的一种将helmholtz共振效应结合的声电换能超材料结构，将压电片安装至helmholtz共振器底部，波导管侧壁均布多个超材料单元。该结构主要针对400~420hz频率范围吸收噪音，频带范围较窄。另外每个共振腔之间间隔较长，体积较大，不利于实际应用中的布置。2019年叶旭提出一种高幅值低频宽声带声能采集器，两个亥姆霍兹共振腔串联，非线性能量采集装置置于多腔亥姆霍兹共振腔的尾腔中，由压电悬臂梁、两块末端永磁体和两块固定磁铁构成。振动过程中悬臂梁系统同时存在多个谐振频率，实现宽频声波的有效采集。此结构的入射波经过亥姆霍兹共振腔的写真方法作用后激励压电悬臂梁结构，但放大效果较小，当多个谐振频率相同时，输出电压最大，但难以实现谐振频率相同。

技术实现思路

1、为了对中低频噪声进行有效吸收和能量再利用，实现装置设备轻量化，本发明提供一种基于亥姆霍兹共振腔阵列的吸声与压电俘能装置。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于亥姆霍兹共振腔阵列的吸声与压电俘能装置，包括由镜像放置的底部通过压电薄膜连接的两个亥姆霍兹共振腔组成的结构单元、管形波导、迷宫形波导，若干结构单元在管形波导上一维阵列排列。

4、进一步的，管形波导通过迷宫形波导连接。

5、进一步的，迷宫形波导内部设有支板，构成迷宫结构。迷宫结构使输入同一结构单元镜像放置的两短管的声波相位反向。

6、进一步的，压电元件材料为pvdf。

7、进一步的，压电元件厚度为0.2mm。

8、进一步的，若干压电薄膜串联作为电压源，通过整流电路与负载连接，为小功率用电设备供电。

9、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

10、（1）本发明提出一种嵌入压电薄膜的新型声学超材料结构，在对应的中低频范围内有良好的吸声减噪效果。

11、（2）本发明将声-压电进行耦合，在镜像放置的亥姆霍兹共振腔的底部放置压电薄膜，利用压电薄膜的正压电效应，两共振腔内的压力共同作用在压电薄膜上使其变形，产生电能，实现能量转化和回收。

12、（3）本发明将结构单元并联，通过迷宫形波导将两管形波导连接，迷宫形波导内的迷宫结构使输入结构单元中两短管的声波相位相差180°，两共振腔内声压一正一负，增大压电薄膜形变量。

13、（4）本发明可在实际生产应用中根据实际噪声频段调整具体结构的尺寸大小和数量。

技术特征：

1.一种基于亥姆霍兹共振腔阵列的吸声与压电俘能装置，其特征在于，通过压电薄膜（6）将镜像放置的两个亥姆霍兹共振腔的底部连接，构成一个结构单元（1）。利用管形波导（2）连接所述结构单元（1）的短管，通过迷宫形波导（3）连接两个管形波导（2）。

2.根据权利要求1所述的一种基于亥姆霍兹共振腔阵列的吸声与压电俘能装置，其特征在于，压电能量采集装置由若干个结构单元（1）一维周期排列组成。

3.根据权利要求1所述的一种基于亥姆霍兹共振腔阵列的吸声与压电俘能装置，其特征在于，管形波导（2）、迷宫形波导（3）、短管（4）和共振腔（5）由同一材料制成，可由3d打印制备。

4.根据权利要求1所述的一种基于亥姆霍兹共振腔阵列的吸声与压电俘能装置，其特征在于，压电薄膜（6）选用pvdf薄膜。

5.根据权利要求1所述的一种基于亥姆霍兹共振腔阵列的吸声与压电俘能装置，其特征在于，迷宫形波导（3）内设有支板，支板起始安装位置位于迷宫形波导（3）与上方管形波导（2）连接口最低水平线以下，截止安装位置在迷宫形波导（3）与下方管形波导连接口最高水平线以上。

6.根据权利要求1所述的一种基于亥姆霍兹共振腔阵列的吸声与压电俘能装置，其特征在于，迷宫形波导（3）中的支板为方形薄板，与迷宫形波导（3）为一个整体，通过3d打印制备。

7.根据权利要求1所述的一种基于亥姆霍兹共振腔阵列的吸声与压电俘能装置，其特征在于，迷宫形波导（3）内的支板尺寸大小和间隔可以不同，装置中的所有尺寸都可以根据频率要求进行设计。

8.根据权利要求1所述的一种基于亥姆霍兹共振腔阵列的吸声与压电俘能装置，其特征在于，通过对迷宫形波导（3）的尺寸设计，使得输入到一个单元结构中两侧的亥姆霍兹共振腔的声波相位相差180°。

技术总结本发明公开了一种基于亥姆霍兹共振腔阵列的吸声与压电俘能装置，该装置将两个亥姆霍兹共振腔镜像放置，通过压电薄膜将两个亥姆霍兹共振腔的底部连接，构成一个结构单元。通过管形波导并联若干个所述结构单元的短管。声波从管形波导一端进入时，一部分声波沿管形波导直接进入一侧的亥姆霍兹共振腔的短管中，另一部分沿迷宫形波导输入到另一侧的亥姆霍兹共振腔的短管中，路径的差距使输入到两侧短管的声波相位相差180°，实现一侧亥姆霍兹共振腔内声压为正时，另一侧的共振腔内声压为负，两亥姆霍兹共振腔内部声压始终相反，以此增大压电薄膜的形变量，提高输出电压。所有压电片串联作为电压源，通过整流电路为小功率用电设备供电。1.本发明通过亥姆霍兹共振腔型声学超材料有效解决中低频吸声问题，显著降低噪声；2.通过共振腔结构单元中的压电薄膜在声压作用下的变形，实现声能到电能的转换，完成能量回收和自供电；3.通过迷宫形波导实现输入到两侧共振腔的声波相位相差180°，增大压电薄膜变形量，进一步增大输出电压。技术研发人员：吕佳,李丽君,司传豪,张帆受保护的技术使用者：山东理工大学技术研发日：技术公布日：2024/4/17