CN104022617B - 噪音发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种噪音发电装置，包括依次连接的声音收集喇叭、声音放大装置、声电转化装置以及调理电路板，其中，声音放大装置设有腔室，在腔室上设有入口和出口，腔室内安装有弹性膜将声音放大装置分为亥姆霍兹共振器以及振幅放大器，入口位于亥姆霍兹共振器上，出口位于振幅放大器上，入口设置有与声音收集喇叭的缩口处连接的细颈，声电转化装置的振膜安装于出口处将振幅放大器密封，弹性膜在接收到噪音时相对于声音放大装置振动、进而带动振膜振动，弹性膜的面积大于振膜的面积。本噪音发电装置使声压大大增强，增强的声压使振膜更容易振动，从而大大提高了本噪音发电装置的灵敏度和声电转化效率。

Description

噪音发电装置

技术领域

本发明涉及发电设备技术领域，尤其涉及一种噪音发电装置。

背景技术

能源是现代经济社会发展的基础，随着能源的大量应用，人们不断通过提高资源使用效率，开发新能源来满足日益增长的能源需求。噪声作为一种公众环境污染源，影响了人们的正常工作与生活。

噪声的来源非常广泛，比较常见的噪声源有机器噪声、交通噪声、风扇噪声和排气噪声等。噪声也具有一定的能量，例如噪声达到160dB的喷气式飞机，其声功率约为10kW；噪声达到140dB的大型鼓风机，其声功率为100W。其他各种情况，如汽车、音响等声源产生的噪声也具有很大的能量值。声电转化装置能将环境中的声能转化为电能，不仅可以有效地降低环境中的噪声，保护环境。

噪声能源因其密度小，具有不易收集的特点，现有的声电转化装置体积灵敏度低同时声电转化效率低，这使得噪声发电技术的应用受到约束。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种噪音发电装置，旨在提高噪音发电装置的灵敏度和声电转化效率。

为实现上述目的，本发明提供一种噪音发电装置，包括依次连接的声音收集喇叭、声音放大装置、声电转化装置以及调理电路板，其中，所述声音放大装置设有腔室，在所述腔室上设有入口和出口，所述腔室内安装有弹性膜将所述声音放大装置分为亥姆霍兹共振器以及振幅放大器，所述入口位于所述亥姆霍兹共振器上，所述出口位于所述振幅放大器上，所述入口设置有与所述声音收集喇叭的缩口处连接的细颈，所述声电转化装置的振膜安装于所述出口处将所述振幅放大器密封，所述弹性膜在接收到噪音时相对于所述声音放大装置振动、进而带动所述振膜振动，所述弹性膜的面积大于所述振膜的面积。

优选地，所述声音收集喇叭、声音放大装置、声电转化装置以及调理电路板均设置有多个，每一声音收集喇叭、声音放大装置、声电转化装置以及调理电路板组成一独立的发电单元，所有所述发电单元的电能输出端通过连接总线连接。

优选地，所述声音收集喇叭为抛物面型喇叭。

优选地，所述声音收集喇叭截面抛物线方程为y2P＝x²时，P满足以下关系：

$P\≤\frac{\sqrt{A\×B}}{2};$

其中，A为所述声音收集喇叭的大端直径，B为所述声音收集喇叭的小端直径。

优选地，所述声电转化装置为电磁式声电转化器，所述电磁式声电转化器的线圈的匝数为850～950匝之间。

优选地，所述弹性膜的面积和所述振膜的面积的比值小于10。

优选地，所述弹性膜安装于所述声音放大装置内的位置可调整。

优选地，所述调理电路板包括依次连接的整流稳压电路、升压储能模块以及储能装置，所述整流稳压电路为全桥整流电路。

优选地，所述整流稳压电路中二极管型号为1N5817肖特基二极管。

优选地，所述声音收集喇叭的材质为钢。

本发明提出的噪音发电装置，通过设置声音放大装置，在声音放大装置内安装有弹性膜将所述声音放大装置分为亥姆霍兹共振器以及振幅放大器，从而使本噪音发电装置实现了对噪音的三次放大，从而使声压大大增强，增强的声压使振膜更容易振动，从而大大提高了本噪音发电装置的灵敏度和声电转化效率。另外，本实施例提出的噪音发电装置，将亥姆霍兹共振器以及振幅放大器集成于一声音放大装置内，并设置弹性膜就完成了三次放大，创造性地将亥姆霍兹共振器放大振动的原理和活塞缸放大的原理利用到噪音发电领域，放大效率高。同时，本噪音发电装置还具有结构简单容易实现的优点。

附图说明

图1为本发明噪音发电装置优选实施例的结构示意图；

图2为本发明噪音发电装置中声音收集喇叭的结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参照图1，图1为本发明噪音发电装置优选实施例的结构示意图。需要说明的是，图1以示出一个发电单元为例进行示意说明，当然，发电单元也可以为其它数量。

本优选实施例中，噪音发电装置包括依次连接的声音收集喇叭10、声音放大装置20、声电转化装置30以及调理电路板40，其中，声音放大装置20设有腔室，在腔室上设有入口21和出口22，腔室内安装有弹性膜23将声音放大装置20分为亥姆霍兹共振器201以及振幅放大器202，入口21位于亥姆霍兹共振器201上，出口22位于振幅放大器202上，入口21设置有与声音收集喇叭10的缩口处连接的细颈，声电转化装置30的振膜301安装于出口22处将振幅放大器202密封，弹性膜23在接收到噪音时相对于声音放大装置20振动、进而带动振膜301振动，弹性膜23的面积大于振膜301的面积。本实施例中，声音放大装置20的腔室为球形，当然，在其它变形实施例中，声音放大装置20的腔室也可为其它形状，本发明对此不作限定。

具体地，声电转化装置30可以为电磁式声电转换器、压电式声电转换器或电容式声电转换器等，本发明对此不作限定。当噪声频带较宽的应用场合时，采用压电式或电容式以保证较大的噪声吸收频宽；当噪声频带较为集中时采用电磁式。在本实施例中，以声电转化装置30为电磁式声电转换器为例具体说明，此时，声电转化装置30包括与声音收集喇叭10连接的振膜301、与振膜301固定连接的线圈302、以及与线圈302配套设置的磁铁303，振膜301振动带动线圈302切割磁铁303产生的磁力线，振膜301与声音收集喇叭10的缩口处连接，线圈302与调理电路板40电连接。此时，振膜301即为声电转化装置30的振动系统，线圈302即为声电转化装置30的电系统。

亥姆霍兹共振器201由一个空腔和一个细颈组成，它有一个共振频率，当声音的频率与其共振频率相近时，将引起它的共振，从而放大声音的振幅。亥姆霍兹共振器201的共振频率的计算公式如下：

$f_1=\frac{c}{2}\sqrt{\frac{S}{(L+0.85d)V}}.$

其中，f₁为亥姆霍兹共振器201的共振频率，c为声速，这里取空气中声速c＝340m/s，S为小孔的面积(m2)，L为细颈的长度，d为小孔直径，V为空腔的体积。

具体地，本实施例中，L＝0.03m，d＝0.02m，亥姆霍兹共振器201的空腔为半球体积形，半球的球径R＝0.07m。

经计算可知，本实施例中亥姆霍兹共振器201的共振频率为f1＝518.6Hz，该共振频率可通过改变亥姆霍兹共振器201的上述尺寸来调整。

弹性膜23的生活实例是鼓膜，就是一张有弹性的圆形膜，周围固定，中间可以自由振动，根据声学原理，它有一个固有共振频率，当外界驱动力的频率与其接近时，将引起它的共振。该固有共振频率的计算公式如下式：

$f_2=\frac{2.405}{2\mathrm{\π}R}\sqrt{\frac{T}{\mathrm{\σ}}}=\frac{2.405}{2\mathrm{\π}R}\sqrt{\frac{p}{\mathrm{\ρ}}}.$

其中，f₂为弹性膜23的固有共振频率；R为弹性膜23的半径；T为弹性膜23的最大张力，σ为弹性膜23的面密度，p为弹性膜23的抗拉强度，ρ为弹性膜23的密度。

本实施例中，弹性膜23选用PE保鲜膜，其密度ρ＝0.925×10-3kg/m3，R＝0.07m，理论抗拉强度为25MPa，实际上弹性膜23不可能完全绷紧，计算时假设抗拉强度p只达到其理论抗拉强度的三分之一。弹性膜23的尺寸以及材质等参数的选用原则是：保证其固有共振频率接近于声音的平均频率。

经计算可得，本实施例中弹性膜23的共振频率为f₂＝519.3Hz，该频率可通过改变弹性膜23的材料、大小以及弹性膜23的松紧程度来调整。

声音放大装置20对噪音的放大是通过位移放大原理，即当一个密闭的腔体的某一个面积较大的面产生位移时，由于腔室的体积不变，在腔室的另一个较小的面将产生放大的位移，位移放大倍数近似为两个位移面的面积比。可以通过液压缸来解释它，当截面大的活塞杆移动一个距离时，截面小的活塞杆将移动一个更大的距离。

理论上而言，弹性膜23的面积S1和振膜301的面积S2的面积比越大越好，但弹性膜23的面积太大时，可能会导致弹性膜23的强度不足，且面积太大了弹性膜23不容易发生振动。经过多次实验表明，弹性膜23的面积和振膜301的面积的比值小于10。此时，声音放大装置20的放大倍数与弹性膜23振动与结构强度能较好的平衡。

本噪音发电装置的工作原理如下：声音收集喇叭10均收集来自各个方向的噪音，从而带动亥姆霍兹共振器201共振，将该频率声音一次放大；接着，亥姆霍兹共振器201的共振引起弹性膜23的共振，将声音二次放大；由于振幅放大器202的腔室是密闭的，相当于一个活塞缸，弹性膜23和振膜301分别是两个大小活塞，振幅放大器202对声音的振幅进行了第三次放大，声电转化装置30的振膜301振动后，声电转化装置30将噪音的能量转化为交流电，并通过其电系统将交流电发送至调理电路板40，调理电路板40将交流电转化为直流电，最后通过连接总线将所有的调理电路板40转化的直流电叠加输出。

本实施例提出的噪音发电装置，通过设置声音放大装置20，在声音放大装置20内安装有弹性膜23将声音放大装置20分为亥姆霍兹共振器201以及振幅放大器202，从而使本噪音发电装置实现了对噪音的三次放大，从而使声压大大增强，增强的声压使振膜301更容易振动，从而大大提高了本噪音发电装置的灵敏度和声电转化效率。另外，本实施例提出的噪音发电装置，将亥姆霍兹共振器201以及振幅放大器202集成于一声音放大装置20内，并设置弹性膜23就完成了三次放大，结构巧妙，创造性地将亥姆霍兹共振器201放大振动的原理和活塞缸放大的原理利用到噪音发电领域，放大效率高。同时，本噪音发电装置还具有结构简单、容易实现的优点。

进一步地，本实施例中，声音收集喇叭10、声音放大装置20、声电转化装置30以及调理电路板40均设置有多个，每一声音收集喇叭10、声音放大装置20、声电转化装置30以及调理电路板40组成一独立的发电单元，所有发电单元的电能输出端通过连接总线连接。

具体地，可将多个声音收集喇叭10、声音放大装置20、声电转化装置30以及调理电路板40集成于一个面壳上，从而提高单位面积的声电转化效率。

进一步地，本实施例中，声音收集喇叭10为抛物面型喇叭。因亥姆霍兹共振器201的开口太小，所能收集的能量过少，利用抛物面的汇聚作用，使用抛物面型喇叭可以增大声音的收集面积，从而获得更多的能量，可提高声音收集喇叭10的声音收集效率。

经过试验得知，喇叭的结构和材料是影响声音收集的主要因素。本实施例中，将喇叭壁设计成抛物面状。当声音收集喇叭10截面的抛物线方程为y×2P＝x²时，P满足以下关系：

$P\≤\frac{\sqrt{A\×B}}{2};$

其中，A为声音收集喇叭10的大端直径，B为声音收集喇叭10的小端直径。

此时，声音收集喇叭10可使被反射的声音全部进入亥姆霍兹共振器201的共振腔中。

参照图2，声音收集喇叭10的结构满足以上公式是通过以下方法得出：通过最大端的边缘(图2中C点)射入的声音刚好进入到最小端的边缘(图2中D点)，其与Y轴的交点为E点，E点的纵坐标须大于抛物线的焦点的纵坐标(焦点的纵坐标为)。

经过实验对比，抛物面状喇叭的声音收集效率要优于一般锥形喇叭，效率相对于锥形喇叭大约可提高20％。

因钢的声音反射特性较好，所以我们选择钢作为喇叭的材料。经实验验证，钢质喇叭的吸声效率确实比其他材质喇叭更好，吸声效率可提高5％左右。

本实施例中，声电转化装置30为电磁式声电转化器，电磁式声电转化器的线圈302的匝数为850～950匝之间。

当噪声声波的波动声压作用于振膜301而带动线圈302切割磁力线时，便会在线圈302中产生感应电动势。理论分析得知，声电转化装置30的输出电压值主要与以下几个因素有关：线圈匝数、线圈内阻、磁场强度以及振膜301刚度。通过控制变量法，我们得到了各个因素对输出电压值U的影响规律。在这三个参数里面线圈匝数非常关键。实验证明，不能一味地去增大线圈匝数，虽然理论上当线圈匝数时会增大输出电压，但是线圈匝数增加同时也会降低整个声电转化装置30的灵敏度，会对声音的响应能力有所减弱，多次实验表明，当线圈302的匝数为850～950匝之间时，发电效率较高，同时还可保证一定的灵敏度。

本实施例中，弹性膜23安装于声音放大装置20内的位置可调整。弹性膜23可粘贴于声音放大装置20的腔室内。

因将噪音发电装置安装于不同地方，其收集的噪音的平均频率也不同，本实施例中，弹性膜23安装于声音放大装置20内的位置可调整，从而调整亥姆霍兹共振器201的共振频率，使其共振频率接近于收集的噪音的平均频率，从而提高本噪音发电装置的灵敏度和声电转化效率。

具体地，本实施例中，调理电路板40包括依次连接的整流稳压电路401、升压储能模块402以及储能装置403，整流稳压电路为全桥整流电路。

本实施例中，储能装置403为蓄电池。整流稳压电路401用于将交流电转化为直流电并使电压稳定，升压储能模块402用于将直流电进行升压，并将升压后的直流电储存在蓄电池。

经声电转换装置30得到的电能功率较小，需要叠加才能给负载供电，考虑到这些电能是一种波形不规则的交流电，为了叠加的方便，需要将其转化为直流。为此，需使用整流稳压电路，整流稳压电路为全波整流桥与电容串联形成，其中，全波整流桥中二极管型号为1N5817肖特基二极管，该二极管的管压降为0.45V左右，电能损耗小。本实施例中选用47μF的电解电容。

当然，也可使用负载模块替换储能装置403，负载模块可以为LED广告牌等。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种噪音发电装置，其特征在于，包括依次连接的声音收集喇叭、声音放大装置、声电转化装置以及调理电路板，其中，所述声音放大装置设有腔室，在所述腔室上设有入口和出口，所述腔室内安装有弹性膜将所述声音放大装置分为亥姆霍兹共振器以及振幅放大器，所述入口位于所述亥姆霍兹共振器上，所述出口位于所述振幅放大器上，所述入口设置有与所述声音收集喇叭的缩口处连接的细颈，所述声电转化装置的振膜安装于所述出口处将所述振幅放大器密封，所述弹性膜在接收到噪音时相对于所述声音放大装置振动、进而带动所述振膜振动，所述弹性膜的面积大于所述振膜的面积。

2.如权利要求1所述的噪音发电装置，其特征在于，所述声音收集喇叭、声音放大装置、声电转化装置以及调理电路板均设置有多个，每一声音收集喇叭、声音放大装置、声电转化装置以及调理电路板组成一独立的发电单元，所有所述发电单元的电能输出端通过连接总线连接。

3.如权利要求1所述的噪音发电装置，其特征在于，所述声音收集喇叭为抛物面型喇叭。

4.如权利要求3所述的噪音发电装置，其特征在于，所述声音收集喇叭截面抛物线方程为y2P＝x²时，P满足以下关系：

$P\≤\frac{\sqrt{A\×B}}{2};$

其中，A为所述声音收集喇叭的大端直径，B为所述声音收集喇叭的小端直径。

5.如权利要求1所述的噪音发电装置，其特征在于，所述声电转化装置为电磁式声电转化器，所述电磁式声电转化器的线圈的匝数为850～950匝之间。

6.如权利要求1所述的噪音发电装置，其特征在于，所述弹性膜的面积和所述振膜的面积的比值小于10。

7.如权利要求1所述的噪音发电装置，其特征在于，所述弹性膜安装于所述声音放大装置内的位置可调整。

8.如权利要求1所述的噪音发电装置，其特征在于，所述调理电路板包括依次连接的整流稳压电路、升压储能模块以及储能装置，所述整流稳压电路为全桥整流电路。

9.如权利要求8所述的噪音发电装置，其特征在于，所述整流稳压电路中二极管型号为1N5817肖特基二极管。

10.如权利要求1至9中任意一项所述的噪音发电装置，其特征在于，所述声音收集喇叭的材质为钢。