[发明专利]一种宽带空气噪声能量收集表面材料

说明书

本发明公开了一种宽带空气噪声能量收集表面材料，包括至少两个周期性排列的单元体，所述单元体包含两个并列排布的具有不同喉管半径、相同尺寸腔体的赫姆霍兹共鸣器，两个腔体通过铜片分隔开，在两个腔体中的一个腔体内设有两个压电陶瓷，压电陶瓷安装在铜片上。本发明的宽带空气噪声能量收集表面材料，通过控制共振频率处发生的相移，在结构内构造了具有反相的耦合共振，实现了宽带高效的声电能收集。由于利用了共振等声学效应，该结构的厚度仅为最高工作声波频率所对应波长的1/27，具有超薄的特点；且由于结构引入的对称性，结构中每一个声电换能装置所输出的电压具有高度同相位的特征，相比于传统方法，在级联过程中可以简化电路的复杂度，提高稳定性。

技术领域

本发明涉及一种宽带空气噪声能量收集表面材料，属于声学领域。

背景技术

数十年来，由于化石能源的使用，日趋严峻的环境问题使得人们思考如何发掘自然界中的可再生能量并加以利用，水能，风能，太阳能以及核能均得到了大规模的应用。与之相比，声能通常具有很低的能量密度，从而大多数情况下这种清洁可再生的新能源常常被忽略，但是在一些特殊的应用场景下，例如取代小型设备的供电电池，无线充电，为微电子器件供给能量等，同样具有较高的应用价值。如前说述，声能通常具有较低的能量密度，这一特点在空气中的声波上表现的尤为突出，且由于声阻抗失配等原因，收集空气中的声能量通常非常困难。基于这些问题，传统的方法是利用声学共振效应局域声能量提高能量密度再利用换能装置进行声电转化，基于这种原理的方法多种多样，但是由于其基本原理是基于单个结构的共振或缺陷实现对声能量的局域，其单频特性导致了诸如此类的方法只能在很窄的频带范围内或是单一频点上高效地进行声电能转化。然而空气中的噪声具有宽带的特点，例如机场上空轰鸣的飞机引擎噪声频率通常随着涡扇发动机转子转速的变化时刻发生着变化；道路边建筑群所受到的汽车噪声污染，其频率同样具有宽带的性质。类似的声学现象在自然界中随处可见，这提示着我们能量收集装置需要具有宽带频率响应的特性才可能具有实用性。

为了解决共振现象单频的短板，多数科研工作者提出的方法是利用多个具有相近共振频率的单频共振单元组合在一起进行带宽的拓展。然而，与吸声不同，由于共振强度和振动相位通常耦合在一起，当此种方法用于声电能收集时，多个具有不同本征频率的共振单元所输出的电压必然具有频率依赖性的相位差，这个特点导致了每个共振单元所输出的电压必须先要进行整流之后才能级联，收集装置后部复杂且大量的电路则成为拖累经济性和实用性包袱。

撇开收集空气中声能而言，消除空气中噪声本身就具有研究的价值。通常被动吸声(区别于有源降噪方式)的方式是采用共振吸声结构例如穿孔板或是微穿孔材料例如玻璃棉，其物理原理是利用空气在狭窄区域所受到的粘滞阻尼作用将声能量转化为热能进行耗散从而实现吸声。同样的，声能量如果高效地转化为电能被储存或是利用，也可以减少声波的反射实现吸声的效果。

用于收集空气中声能量的装置同样需要具有较小的尺寸以提高实用性。空气中声波的波阵面通常以平面，球面或是柱面为主，故而厚度远小于波长的表面是理想的结构，可以针对不同形状的波阵面进行卷曲或者铺展。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种宽带空气噪声能量收集表面材料，通过控制共振频率处发生的相移，在结构内构造了具有反相的耦合共振，实现了宽带高效的声电能收集。由于利用了共振等声学效应，该结构的厚度仅为最高工作声波频率所对应波长的1/27，具有超薄的特点。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的宽带空气噪声能量收集表面材料，包括至少两个周期性排列的单元体，所述单元体包含两个并列排布的具有不同喉管半径、相同尺寸腔体的赫姆霍兹共鸣器，两个腔体通过铜片分隔开，在两个腔体中的一个腔体内设有两个压电陶瓷，压电陶瓷安装在铜片上。

作为优选，所述压电陶瓷为薄片状压电陶瓷PZT-5H。

作为优选，该表面材料的厚度为其工作频率对应波长的/27～1/18。