[发明专利]一种内嵌对数螺线管的亚波长低频声波发电器

说明书

本发明设计了一种内嵌对数螺线管的亚波长低频声波发电器，入射声波从入射端面的中心开口进入，通过内嵌在腔体内的对数螺线管进入声腔，在特定频率实现较大的声压放大。此时，较大的压力脉动将作用在金属基板上，对基板和压电片产生激励并产生结构应变，进一步通过压电效应将声能作为一种新型绿色能源进行转换，给低功耗器件供电。本发明提出的是一种亚波长声能量收集结构，对数螺旋管内嵌在腔体内，提高了空间利用率，且不占用外部空间，易于安装。这种对数螺线管截面是由小到大渐变的，类似声号角，可以较好的实现声传输过程中的阻抗匹配，并减少边界层造成的热粘性损失，提高声能利用的效率。

技术领域

本发明属于声波发电设备的技术领域，具体涉及一种内嵌对数螺线管的亚波长低频声波发电器。

背景技术

环境中的声能无处不在，特别是在交通运输和工业生产中，较大的噪声对人类生产生活都产生了不利的影响。从物理上看，声波其实是一种机械能，通过特定的装置对其收集并转换为电能，这些环境能量可以用于低功耗分布式的物联网节点供电，使其免除更换电池，对目前正在蓬勃发展的物联网技术具有极大推动作用。随着低功耗电子器件和物联网技术的发展，该技术在军事、航空等领域也具有越来越广泛而迫切的需求。

在声能量回收中，对低频声能量的收集一直是研究的热点。这是因为低频噪声占环境中声音的主要成分。特别是对于泵体、风机叶片、发电机、飞机涡桨发动机等旋转结构，其噪声成分主要为低频桨叶通过频率及其倍频分量，频谱特性单一。低频噪声由于声波较长，以150Hz的空气声为例，其波长高达2m以上。这种具有较大声压级的低频声波在环境中很难被吸声和阻隔，传播距离长，指向性不明显。

为了对低频声波进行声电转换，并产生较大的输出功率，需要设计声音放大结构，实现入射声压的放大。如专利【1】中所述，传统的声波放大装置体积较大，不易于小型化。为此，我们需要发展适用于低频声波的亚波长声波发电器。即这种发电器的厚度远小于对应发电频率工况下入射声波的波长，且能够便于阵列化处理，以提高其发电输出功率。

近年来，螺旋结构在工程领域受到了越来越多的重视。螺旋结构是一种仿生结构，构成其轮廓的螺旋线具有简单数学描述的结构。在耳蜗、建筑设计和微波天线中可以找到自然和人为的涉及螺旋几何的例子。

【专利1.】一种用于低频宽带的紧凑式声波发电装置、发明专利申请号201710863574.5、已授权，授权日：2019.04.09

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种内嵌对数螺线管的亚波长低频声波发电器，实现了利用低频声波进行发电。为了实现该发电器，使其能够对低频入射声波实现有效的放大，并完成声电转换，实现利用声波进行发电，本发明将具体采用以下技术方案解决上述技术问题。

一种内嵌对数螺线管的亚波长低频声波发电器，包括：含声波入射口的入射端面，对数螺线管、环形壁面、金属基板和压电片；

所述含声波入射口的入射端面、环形壁面、金属基板构成一圆柱形封闭腔体，所述对数螺线管设置在该封闭腔体内，设置于入射端面的内侧面上；

所述对数螺线管由对数嵌套式声学管路壁面和嵌套式声学管路的封闭顶面组成，留有嵌套式声学管路和共振腔体的连通口；

所述入射端面上的声波入射口，通过对数螺线管的连通口实现腔体内空气和端面外空气的连通；

压电片粘贴在金属基板的外表面，通过压电效应实现声电能量转换，压电片配有正负电极。

进一步地，所述压电片配套有负载电路，该负载电路连接到压电片的正负极。

进一步地，所述负载电路可采用可调电阻箱。

进一步地，所述含声波入射口的入射端面可以采用硬质塑料或金属材料制成。

进一步地，所述入射端面、环形壁面截面、金属基板采用圆形。