基于压电效应的声波发电机实验研究.docx

基于压电效应的声波发电机实验研究赤丰华高国柱杜康( 西北工业大学 教育实验学院，西安710129)摘 要:噪声在人类的生产生活中随处可见，而至今还没有有效的手段对声音能量来进行收集与利用。本实验通过亥姆霍兹共鸣器对声音能量进行收集，并利用压电陶瓷进行声电转换，得到的微小电流利用 LTC3588 1 进行收集并加以利用。得 出结论:虽然通过亥姆霍兹共鸣器可以有效收集声波能量，但压电陶瓷的低效阻碍了声波发电的进一步推广。关键词:压电陶瓷;亥姆霍兹共鸣器;声电转换;微小能量收集EXPEIMENT AND STUDY ON SONIC GENEATO BASED ON THE PIEZOELECTIC EFFECTChi Fenghua Gao Guozhu Du Kang( Honor College，Northwestern Polytechnical University，Xian 710129，China)Abstract: Noise can be heard everywhere in human life，and so far there is no effective means of sound energy to becollected and utilized In this experiment Helmholtz resonator was used to collect energy，and piezoelectric ceramics were also used to accomplish acoustic electric conversion，LTC3588 1 was used to collect and utilize the obtained slight energy Get a conclusion: Although by Helmholtz resonator，acoustic energy can be effectively collected，but inefficient piezoelectric ceramics hindered the further promotion of sonic generator.Keywords:piezoelectric ceramic; Helmholtz resonator; acoustic electric conversion; slight energy collection0引言在当今传统石化能源面临枯竭，新型清洁能源不 断发展的背景下，压电发电技术的研究已成为目前国 际上的一个热点。与传统的石化能源相比，压电发电 技术有无污染、成本低、来源极其广泛的优点。但由于 压电陶瓷的机电能量转换效率较低 ，压电发电装置收 集环境能量时的发电能力及功率依然有限 ，严重阻碍 了这一技术的广泛应用。本文试图利用亥姆霍兹共鸣器的声波加强特性来 加强压电陶瓷上的声音能量，来使压电陶瓷的振动幅 度增加;选择合适的声电转换装置;利用 Linear 公司的 完整的能量采集方案 LTC3588 1 来进行电能收集。图 1 亥姆霍兹共呜器示意声音就会大大加强，甚至可以在一般噪声，如交通声、 喧哗声中选听个别频率。选择性非常尖锐。普通容器 都能共鸣，一个普通酒瓶的共鸣频率大约是 100 Hz 左 右，一斤的茅台酒瓶在 200 Hz 左右共鸣。亥姆霍兹共鸣器的固有频率为式(1)亥姆霍兹共鸣器作为声波收集装置的原理与实验11. 1亥姆霍兹共鸣器的原理一个空心的玻璃球或金属球，前面加一短管( 颈) 通到外边，后面做成漏斗形可放在耳壳内并加以密封， 这就是亥姆霍兹共鸣器了( 图 1 ). 形状也不限于圆球，任何形状、有颈无颈都可以。亥姆霍兹共鸣器可受外 声场的激发并消耗其能量成为吸声体。空腔内的振动 又可以通过短管发出声波加强外面的声场。声源在共鸣器前发声时，如果频率合适 ，听到的 c s (1)f =2 槡1Vr式中: c 是声速(340m/ s);s 是颈的截面积，m;V 是容器的容积，m;l 是颈长，m;r 是圆颈的半径，m1。1. 2对亥姆霍兹共鸣器性能的测试 为了测试亥姆霍兹共鸣器对外界声场的加强作用，我环 境 工 程2014 年第 32 卷增刊1038根据公式(1) 可以得出该亥姆霍兹共鸣器的固有们选用图 2 的瓶子来作为亥姆霍兹共鸣器来进行测试。频率为 fr = 61 187Hz。为此，选取此频率附近 56 70 Hz 的固定声强级的正弦声波来分别测试瓶口处和瓶颈处的声强级，以 此来算出该亥姆霍兹共鸣器在固有频率附近的声波放 大能力( 表 1表 2)。由图 3 可得，亥姆霍兹共鸣器在其固有频率附近 确实对声波有加强作用，且在瓶颈处效果好于在瓶口 处。最大声强即声波的平均能流密度放大倍数可达接 近 30 倍，可见亥姆霍兹共鸣器在其固有频率附近对声 波的收集放大作用是显著的，可以利用其这一特性来作为声波收集放大装置。图 2测试瓶表 1亥姆霍兹共鸣器对 80 dB 正弦波的收集数据80 dB 正弦声波频率 / Hz口 / dB 颈 / dB5680. 483. 55780. 286. 95880. 689. 15980. 693. 66080. 894. 76182. 887. 56285. 688. 96387. 785. 9649184. 66586. 483. 56682. 884. 66782. 386. 16881. 284. 96979. 382. 1708183. 7表 2亥姆霍兹共鸣器对 85dB 正弦波的收集数据85 dB 正弦声波频率 / Hz口 / dB 颈 / dB5682. 789. 15782. 589. 85883. 192. 75984. 397. 6608698. 36186. 695. 76288. 593. 26391916491. 790. 26593. 190. 26688. 590. 86786. 390. 6688690. 66985. 691. 47085. 892. 3压电材料，如偏聚氟乙烯( PVDF) ( 薄膜) 及其他为代表的其他有机压电( 薄膜) 材料，钛酸钡 BT、锆钛酸铅 PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂 PBLN、改 性钛酸铅 PT 等。声电材料的选取试验本文选取 PVDF 压电薄膜和钛酸铅 PZT 压电陶瓷 来进行试验，选取较为合适的声电转化材料。选取直径 20 mm，厚 1 mm，压电常数为 450pC / N2. 2的 PZT 压电陶瓷和 23mm 10 mm 0. 1mm 压电常图 3 亥姆霍兹共鸣器对 80 dB 及 85 dB 正弦波收集效果折线图2声电转化材料的选取数为 23pC / N 的 PVDF 压电薄膜在 90 dB 的声强级条件下进行测试( 表 3)。声电材料的分类随着对压电效应的不断研究，人们发明了许多的2. 1表 3压电材料声电转化的效果PZT 压电陶瓷频率 / Hz开路电压 / mV 频率 / Hz 开路电压 / mV 频率 / Hz开路电压 / mV100183503. 66004. 8150104005. 66506. 42008450127006. 425065001675011. 230012. 8 550 5. 6 8002. 4环 境 工 程2014 年第 32 卷增刊1039续表PZT 压电陶瓷频率 / Hz开路电压 / mV8502. 49003. 69501. 410003. 5PVDF 压电薄膜频率 / Hz开路电压 / mV 频率 / Hz 开路电压 / mV 频率 / Hz 开路电压 / mV 频率 / Hz 开路电压 / mV1003. 23505. 660018501. 215044003. 26501. 69001. 22004. 24502. 47002. 89501. 62503. 65002. 47503100013004. 85501. 28001. 4由此我们可以绘制出 PVDF 压电薄膜和钛酸铅PZT 压电陶瓷的压电转化效果折线图，来分析哪个材 料更符合我们的要求( 图 4)。图 5 SSHI 能量收集电路所以，我们采取的方案是 Linear 的完整的能量采 集方案 LTC3588 1。3. 2LTC3588 1 电路的工作原理示意LTC3588 1 集成了低损失全波桥式整流器和一 个高效率降压转换器。把压电陶瓷产生的电流，输入 到 LTC3588 1 的内部整流器。该器件将压电波形进 行校正并把收集的能量存储在一个外部电容器上，通 过内部并联稳压器释放多余的功率，并借助一个毫微 功率高效降压型稳压器来保持一个以输出电 压( 图 6)。图 4 压电材料声电转化的效果折线图由图 4 可以看出，PZT 压电陶瓷相较于 PVDF 压 电薄膜具有更大的压电常数，声电转换的效率更高。电压峰值可达到 18mV。故选用 PZT 压电陶瓷作为声电转化材料。3 电能收集装置3. 1电能收集装置的选取 多数情况下，由于电信号的输出过小，声电转化装置不能为电子元件直接供电。因此，能量收集和存储 是声波发电的关键。能量收集模块是从光、振动、热或 生物来源中捕获毫瓦级能量，然后，电能经过调节并存 储在电池、高效快速充电电容器或新开发的薄膜电池 内的装置。由于压电式电压电流具有微小、交流的特 性，普通的能量收集器无法正常工作。为提高能量转换效率，Guyumar 等人于 2005 年设 计了适合微小能量采集电路1。该电路技术基于压 电电压的非线性性 质，称 为“电 感 同步开关采集电 路”。电路图如图 5 所示。经与标准电路相比较，SSHI 的效率提高了几倍。 因此，在做 AC / DC 转换时，采用 SSHI 能量采集电路。 但是 SSHI 在微电流电压工作环境下效率低下。图 6 基于 LTC3588 1 的能量收集电路声波的能量虽不小，但是压电陶瓷声电转化效率 低下，压电陶瓷电压的峰值仅达到几十毫 伏，与 LTC3588 1 要求的输入至少为 2. 7 V 相距甚远。采 用将几十个放置紧密的压电陶瓷片输出端并联以提升 输出端的电压，这样虽然电流电压有一定的损耗，但是 很好地达到了提升电压的目的。在系统的输出端可以 根据需求设置输出电压，例如设置 1. 8V，则在输出端 可以放置一个 1. 8 V 能够驱动的电子元器件。( 下转第 1047 页)环 境 工 程2014 年第 32 卷增刊1047播的强度。4. 2主变室的吸声措施该变电站主变室的 4 侧墙面上均安装了一定高度 的吸声结构，根据理论计算和实际工程经验，主变室吸 声处理可取得 3 5 dB 的降噪量3，同时可以降低向 公共走 道 及通过公共走道传至进风竖井内的噪声 强度。主变室内安装的吸声结构是 XDX 型复合吸声结降噪效果分析该 220 kV 变电站于 2008 年建成投入运行，经上 海市环境监测站监测，变电站噪声对站界处的影响符 合工业企业厂界环境噪声排放标准中 2 类功能区 的要求，即昼间 Leq60 dB，夜间 Leq50 dB，顺利通 过了环保噪声验收，运行至今，周围居民未对变电站的 噪声传播影响提出过质疑。4. 5构，专门用于变电站的吸声降噪，在 100，200，300Hz频率处也有较高的吸声系数。该型吸声结构的面板为绝缘结构，且不使用玻璃棉等纤维类材料，不会产生蓄 热效应。4. 3进风、排风竖井的消声、吸声措施 进风、排风竖井地面部分的四周百叶窗是该变电站地下噪声( 主变压器噪声、进风排风噪声及混响噪 声) 向外传播的途径，噪声将随着空气的流通透过百 叶窗向外传播。该变电站的进风、排风竖井四周安装 了具有一定消声量的通风消声窗，同时在竖井内进行 适当的吸声处理，有效地降低了噪声向外传播的强度。 实测进风、排风竖井通风消声窗外 1 m 处的噪声级在小结本文以一个具体的城市 220 kV 地下变电站为分 析对象，该变电站的主要特点是主变压器采用强迫油 循环自冷型，主变压器安装在地下，散热器露天布置在 地上。通过分析可知，这种类型的地下变电站既节能 又环保，在设计中如果采取合适的噪声控制措施，可使 变电站的噪声传播影响符合或优于相关的环境噪声标 准，可以建设成为一座低噪声型地下变电站，具有较大 的推广意义。5参考文献dB 左右，低于所在处环境噪声的本底值，在通风消1 袁聪波，黄 家彬 变电站噪声分析及治 理J 上海电力，2002，(4):59 612 黄青青 220 kV 变压器噪声及其传播特性浅 析J 环境工程，2011，29:330 3333 关宏，王庭佛 10 kV 和 35 kV 变配电站的噪声影响和治理J 噪 声与振动控制，2002，22(5) : 38 4350声窗外已听不到从竖井内传出的电磁噪声。4. 4电抗器室的噪声控制措施由于电抗器室是布置在地面上，所以采取了综合 性隔声、吸声等噪声控制措施。电抗器室设计为全封 闭的隔声间，电抗器室土建围护结构的隔声量设计为 大于 40dB，门设为防火隔声门，隔声量大于 25dB，这 样可有效降低噪声向外传播。电抗器室的 4 侧墙面安装了 4 m 高的 XDX 型吸 声结构，可降低电抗器室内的混响噪声和噪声向外传作者通信处 黄青青 200063 上海市武宁路 303 号中船第九设计研究院工程有限公司电话(021)62549700 7782013 10 13 收稿( 上接第 1039 页)4总结声波能量在环境中大量存在，但并没有一个有效参考文献1 马大猷 亥姆霍