Συλλογή και μετατροπή ακουστικής ενέργειας με έμφαση σε χαμηλές συχνότητες

Abstract

This work presents novel findings and results in the field of acoustic energy harvesting with emphasis on low frequencies. At the beginning of this work, ambient acoustic power density is estimated and a comparison between the potential of sound and that of other ambient energy sources exploited for energy harvesting is performed. The interest in AEH is justified and the corresponding state of the art is presented. Prior the analysis, the motivation of this work is described in detail and the main objectives are set. The analysis considers the piezoelectric transducer to be the transduction element for this study. Initially, it provides a lumped element model (LEM) for evaluating the AEH potential of such transducers directly coupled to the sound field and utilizing such a framework, it demonstrates the inefficiency of such approach for AEH of practical interest. Subsequently, a novel method and device is proposed for improving the coupling of such transducers and the sound field and enhancing the potential of AEH. For this case of indirect coupling, the analysis provides a modified LEM compared to the direct coupling case. At a next level, a novel biomimetic device that mimics the function and the structure of the human middle ear is proposed for implementing such indirect coupling of piezoelectric transducers and the sound filed for AEH. Such device can potentially ensure sufficient electric power for driving low power applications in the range nW - mW. Next, in order to provide an AEH proof - of - concept case, this study focuses on loudspeaker enclosures since the sound pressure level (SPL) therein can be significantly high during operation, as it is shown via tests performed for realistic 3D virtual prototype models, which are validated also via measurements performed inside real - life loudspeaker systems. Specific examples of 3D virtual prototype models of loudspeaker enclosures are combined with the proposed biomimetic device and a piezoelectric transducer and are tested for evaluating the in - Box AEH potential. The test results indicate that the proposed biomimetic device may operate as a harvester and the same time as a passive absorber. These test results further show that the output voltage of the proposed AEH can be adequate for charging a rechargeable battery or for driving an electronic load, while the electric power delivered to a load resistance may be up to units of mW. These results presented in this work are discussed in detail and the framework for future work and applications is presented.

Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή παρουσιάζονται νέα ευρήματα και αποτελέσματα στον τομέα της συλλογής ακουστικής ενέργειας με έμφαση στις χαμηλές συχνότητες. Στην αρχή αυτής της εργασίας εκτιμάται η πυκνότητα ακουστικής ισχύος στο περιβάλλον και συγκρίνεται η δυναμική του ήχου με εκείνη άλλων πηγών ενέργειας στο περιβάλλον που αξιοποιούνται για την παραγωγή ενέργειας. Το ενδιαφέρον για την AEH είναι δικαιολογημένο και παρουσιάζεται η αντίστοιχη κατάσταση της τέχνης. Πριν την ανάλυση, περιγράφονται λεπτομερώς τα κίνητρα αυτής της εργασίας και καθορίζονται οι κύριοι στόχοι.Η ανάλυση θεωρεί ότι ο πιεζοηλεκτρικός μετατροπέας είναι το στοιχείο μετατροπής ενέργειας γι’ αυτή τη μελέτη. Αρχικά, παρέχει ένα μοντέλο συγκεντρωμένων στοιχείων (LEM) για την αξιολόγηση της δυναμικής τέτοιων μετατροπέων που συζευγνύονται άμεσα με το ακουστικό πεδίο να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια και χρησιμοποιώντας ένα τέτοιο πλαίσιο, αποδεικνύει την αναποτελεσματικότητα μιας τέτοιας προσέγγισης για εφαρμογές συλλογής και μετατροπής ακουστικής ενέργειας πρακτικού ενδιαφέροντος. Στη συνέχεια, προτείνεται μια νέα μέθοδος και συσκευή για τη βελτίωση της σύζευξης τέτοιων μετατροπέων και του ακουστικού πεδίου για την ενίσχυση της δυναμικής για συλλογή και μετατροπή ακουστικής ενέργειας. Γι’ αυτή την περίπτωση έμμεσης σύζευξης, η ανάλυση παρέχει ένα τροποποιημένο LEM σε σύγκριση με την περίπτωση άμεσης σύζευξης. Σ’ ένα επόμενο επίπεδο προτείνεται ένας νέος βιομιμητικός μηχανισμός που μιμείται τη λειτουργία και τη δομή του ανθρώπινου μεσαίου ωτός για την υλοποίηση μιας τέτοιας έμμεσης σύζευξης πιεζοηλεκτρικών μετατροπέων και ακουστικού πεδίου για συλλογή και μετατροπή της ακουστικής ενέργειας. Μια τέτοια συσκευή μπορεί να εξασφαλίσει επαρκή ηλεκτρική ισχύ για την οδήγηση εφαρμογών χαμηλής ισχύος στην περιοχή nW-mW. Στη συνέχεια, προκειμένου να παρασχεθεί μια ένδειξη εφαρμοσιμότητας του προτεινόμενου βιομιμητικού μηχανισμού, η μελέτη αυτή επικεντρώνεται στα ηχεία δεδομένου ότι η στάθμη ηχητικής πίεσης στο εσωτερικό τους μπορεί να είναι σημαντικά υψηλή κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους, όπως φαίνεται μέσω δοκιμών που πραγματοποιούνται για ρεαλιστικά μοντέλα τρισδιάστατων εικονικών πρωτοτύπων, τα οποία επικυρώνονται επίσης μέσω μετρήσεων που πραγματοποιούνται σε πραγματικά ηχεία. Συγκεκριμένα παραδείγματα μοντέλων τρισδιάστατων εικονικών πρωτοτύπων των ηχείων συνδυάζονται με τον προτεινόμενο βιομιμητικό μηχανισμό και έναν πιεζοηλεκτρικό μετατροπέα και ελέγχονται για την αξιολόγηση της δυναμικής για συλλογή και μετατροπή της ακουστικής ενέργειας εντός του ηχείου. Τα αποτελέσματα των δοκιμών δείχνουν ότι ο προτεινόμενος βιομιμητικός μηχανισμός μπορεί να λειτουργήσει ως συλλέκτης και ταυτόχρονα ως παθητικός απορροφητής ακουστικής ενέργειας. Τα εν λόγω αποτελέσματα δείχνουν περαιτέρω ότι η τάση εξόδου του πιεζοηλεκτρικού μετατροπέα συνδυασμένου με τον προτεινόμενο βιομιμητικό μηχανισμό μπορεί να είναι επαρκής για τη φόρτιση μιας επαναφορτιζόμενης μπαταρίας, ή για την οδήγηση ενός ηλεκτρονικού φορτίου, ενώ η ηλεκτρική ισχύς που παράγεται σε μία αντίσταση φορτίου μπορεί να ανέρχεται σε μονάδες mW. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται σε αυτή την εργασία εξετάζονται λεπτομερώς και παρουσιάζεται το πλαίσιο για τη μελλοντική εργασία και τις σχετικές εφαρμογές.