CN107013289A - 一种用于车辆进排气系统的声能回收装置及其回收方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于车辆进排气系统的声能回收装置，涉及能量回收方法和回收装置领域，用于收集排气噪声的声能并将所述声能转化为电能，所述进排气系统包括主管道和设置在所述主管道侧面且与所述主管道相连通的波长管，所述声能回收装置包括：设置在所述波长管内壁的多个压电悬臂梁，所述多个压电悬臂梁构造成能够在所述声能经过所述波长管的放大作用下，激励所述多个压电悬臂梁产生位移，以输出一电功率。本发明可以解决回收车辆进排气系统的噪声并将噪声转化为电能的问题。
Description
技术领域
本发明涉及能量回收方法和回收装置领域，特别是涉及一种用于车辆进排气系统的声能回收装置及其回收方法。
背景技术
随着我国汽车保有量的不断增长，在一定程度上催化着新能源产业的发展。可以预见的是，新能源、能量回收、低能耗等将会成为未来汽车的标签。其中，能量回收技术在车辆中已经有较为广泛的应用，比如太阳能电池、制动能量回收系统、排气能量回收系统等。但是，车辆中还存在很多处于浪费状态的能量，比如声能。车辆噪声源非常复杂，车外主要噪声源有发动机噪声、进排气噪声、轮胎噪声、风噪声等。与其他能量相比，声能回收的相关工作尚处于发展阶段。由于声能是一种清洁、普遍、可再生的能源，因此发明一种声能回收装置具有较大的意义。
对于声能的回收，现有的研究现状主要有以下几方面：一、研究人员将压电圆环附在赫姆霍兹(Helmholtz)共振声腔的内表面上，当入射声压级足够高时，比如声压级为150dB、频率为13.6kHz时，微型的声能收集器可以输出大约0.1nW的功率；二、研究人员设计了一种机电Helmholtz谐振腔，通过入射声压使得腔内的压电挡风板发生弯曲，从而产生电能。当声压级为160dB、频率为2.6kHz时，设备可以输出30mW的电能。三、研究人员还在Helmholtz谐振腔内布置了永磁线圈。当线圈被声压驱动时，该设备可以实现气流和气动噪声的能量回收。研究发现，当入射声压级为140dB、频率为1.4kHz时，设备可以输出4mV的电压。除了Helmholtz谐振腔之外，研究人员还利用声学晶体内部的无规则结构形式来捕获声波并将声压放大。研究发现，把聚偏二氟乙烯(PVDF，Polyvinylidene Fluoride)曲面压电梁置于无规则结构形式中，当入射声压为90dB、频率为4.2kHz时，声压在晶体中被放大并激励梁后，可以输出35nW的声能。最后，研究人员还采用氧化锌纳米管回收超声波，从而为纳米器件提供能量。
从研究现状可以看出，声能回收装置基本上集中在高频段，数量级从kHz到MHz。然而，在车辆领域或在日常生活环境中，中低频段的声能占主导地位。比如，车辆的进排气系统产生的噪音呈低频段特性，而对于低频段的声波，由于其波长较大，在空间上的衰减率较低，现有技术中没有一种相应的声能回收装置以对该低频段的声能进行回收，从而未能将车辆的进排气系统产生的噪音进行能量回收利用，使其处于能量浪费的状态。
发明内容
本发明的一个目的是要提供一种用于车辆进排气系统的声能回收装置，以解决现有技术中没有相应的回收装置对进排气系统的噪声进行回收的问题。
本发明一个进一步的目的是要降低车辆的进排气系统的噪声。
特别地，本发明提供了一种用于车辆进排气系统的声能回收装置，一种用于车辆进排气系统的声能回收装置，用于收集排气噪声的声能并将所述声能转化为电能，所述进排气系统包括主管道和设置在所述主管道侧面且与所述主管道相连通的波长管，所述声能回收装置包括：
设置在所述波长管内壁的多个压电悬臂梁，所述多个压电悬臂梁构造成能够在所述声能经过所述波长管的放大作用下，激励所述多个压电悬臂梁产生位移，以输出一电功率。
进一步地，所述波长管为四分之一波长管。
进一步地，所述多个压电悬臂梁在所述波长管内壁交错设置；
其中，每一压电悬臂梁的长度小于所述波长管的直径，在所述压电悬臂梁两侧形成压力差，以激励所述压电悬臂梁发生位移而产生电压。
进一步地，所述压电悬臂梁设置成与所述波长管的管壁相垂直。
进一步地，所述波长管包括开口端和与所述开口端相反的封闭端，所述开口端与所述主管道侧面相连通；
其中，所述压电悬臂梁设置在所述开口端，以输出最大的电压。
本发明还提供一种用于车辆进排气系统的声能回收方法，其利用所述的声能回收装置对声能进行收集，并将所述声能转化为电能，包括如下步骤：
收集从主管道传播至波长管的声波并将所述声波放大；
放大后的声波激励多个压电悬臂梁产生位移，以输出一电功率。
进一步地，所述放大后的声波激励多个压电悬臂梁产生位移，以输出一电功率，包括如下步骤：
放大后的声波在所述压电悬臂梁两侧形成压力差，以激励所述压电悬臂梁发生位移而产生电压，获得所述压电悬臂梁的电压幅值；
根据所述电压幅值计算得到所述电功率。
进一步地，所述压电悬臂梁的所述电压幅值V按照如下公式计算：
其中，ωn表示圆频率，Cp表示压电电容，D表示压电常数，tp表示压电材料的厚度，R表示加载电阻，ε表示介电常数，k表示压电耦合系数，l表示惯性矩，tc表示所述四分之一波长管中心轴线到压电层的距离，b表示所述压电悬臂梁的宽度，Δp表示声压差，ξ表示阻尼系数。
进一步地，所述电功率按照如下公式进行计算：
其中，P表示所述电功率。
进一步地，所述波长管的第n阶模态频率下，纵向的质点速度u和声压p分别按照如下公式计算：
其中，L表示四分之一波长管的管长，Z表示到所述四分之一波长管开口端的距离，fn表示第n阶特征频率。
本发明的有益效果为：
首先，所述声能回收装置包括设置在所述波长管内壁的多个压电悬臂梁，主管道的声波进入与其侧面相连通的波长管，并传播至波长管的封闭端口时反射回主管道，此时，一方面，声波在反射回主管道的过程中，与其传播路径相反且频率相同的声波能够相互抵消，从而可以降低车辆的进排气系统的噪声；另一方面，声能在波长管中得到放大，并且传播至多个压电悬臂梁的两侧时形成声压差，该声压差能够激励压电悬臂梁震动，使该压电悬臂梁产生位移，从而可以将声能进行回收并将其转化为电能，以解决回收车辆进排气系统的噪声并将噪声转化为电能的问题。
其次，多个压电悬臂梁在所述波长管内壁交错设置，且每一压电悬臂梁的长度小于所述波长管的直径，同时，该多个压电悬臂梁与所述波长管的管壁垂直设置，如此，可以使波长管中的声波在每一压电悬臂梁的两侧形成声压差，从而使得各个压电悬臂梁两侧的声压差激发对应的压电悬臂梁以使其产生位移，从而各个压电悬臂梁两侧的声压差可以转化为电压，以提高能量的回收率。
最后，所述声能回收装置不仅可以解决回收处于高频段声波的噪音，而且可以回收车辆中甚至日常生活环境中的处于中低频段声波的噪音。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的用于车辆的声能回收装置的示意性结构图；
图2是图1所示声能回收装置中压电悬臂梁的示意性结构图；
图3是图2所示压电悬臂梁与声压差相互作用的示意图。
具体实施方式
车辆的进排气系统是指发动机在工作时需要进气系统和排气系统的辅助，而这两系统组成了进排气系统，在进排气系统中设置一声能回收装置可以降低进排气系统的噪声并可以对所述系统的噪声能量进行回收。所述进排气系统可以包括主管道1和设置在主管道1侧面且与主管道1相连通的波长管2，如图1所示。其中，波长管2可以包括两个端部，分别为与主管道1侧面相连通的开口端和与开口端相反的封闭端，该封闭端可以封闭进入所述波长管2中声波的传播路径，通过开口端使得所述主管道1的声波可以通过开口端进入所述波长管2，所述波长管2可以构造成从所述主管道1进入波长管2传播的声波通过所述封闭端口可以反射回主管道1中。图1是根据本发明一个实施例的用于车辆的声能回收装置的示意性结构图，以解决回收车辆进排气系统的噪声并将噪声转化为电能的问题，其中，A示出了声波在该装置中的传播路径。该声能回收装置一般性地可包括设置在波长管2内壁的多个压电悬臂梁3，在声能经过所述波长管2的放大作用下，可以激励多个压电悬臂梁3产生位移以输出电功率，达到收集排气噪声的声能并将所述声能转化为电能的目的。其中，多个压电悬臂梁3在所述波长管2内壁可以交错设置。
主管道1中的声波通过所述开口端进入波长管2，并传播至波长管2的封闭端口时反射回主管道1，此时，一方面，由于声波在反射回主管道1的过程中，可以与其传播路径相反且频率相同的声波可以相互抵消，因此，可以降低车辆的进排气系统的噪声；另一方面，波长管2收集声能并将声能进行放大，同时，声波传播至设置在波长管2内壁的多个压电悬臂梁3的两侧时形成声压差，该声压差可以激励压电悬臂梁3震动，使该压电悬臂梁3产生位移以输出一电功率，从而可以将声能进行回收并将其转化为电能。如此，可以解决回收车辆进排气系统中的噪声并将噪声转化为电能的问题。
进一步地，每一压电悬臂梁3的长度可以小于所述波长管2的直径，该压电悬臂梁3与波长管2的管壁可以垂直设置。
其中，所述波长管2可以为四分之一波长管，四分之一波长管是指管子的长度L等于波长λ的四分之一。
在四分之一波长管的第n阶模态频率下，纵向的质点速度u(z，t)和声压p(z，t)可以表示为正弦函数：
其中，表示管长，z表示到四分之一波长管开口端的距离，fn表示第n阶特征频率，当n＝1时，管长正好等于四分之一波长。由公式1和公式2可知，质点速度最大值u0出现在四分之一波长管的开口端，即z＝0；而声压最大值p0出现在四分之一波长管的闭口端，即z刚好为四分之一波长管的长度。
由于多个压电悬臂梁3可以由基层31和压电片32构成，将该多个压电悬臂梁3布置在四分之一波长管内壁后，在压电悬臂梁3的基层31侧形成声压p1，在压电悬臂梁3的压电片32侧形成声压p2，从而使得悬臂梁3的两侧形成声压差Δp，该声压差Δp可以激励该压电悬臂梁3结构振动，从而产生电压，如图2所示。当压电悬臂梁3置于四分之一波长管的开口端时，由于该处压力梯度最大，因此相应的电压也最高。
其中，所述压电片32可以由压电单晶片、压电双晶片或PVDF压电薄膜等材料制成。优选地，压电片32可以由PVDF压电薄膜材料制成。
其中，声压差Δp可以基于Kirchoff电压定律转化为电压。
σin＝σi+σd+σs+σp (3)
式3中，σin表示输入应力，σi、σd、σs和σp分别表示惯量、阻尼、刚度和压电单元的等效应力。其中，输入应力σin可以认为是弯曲力矩Mp(x)作用下的平均法向应力。
式4中，l表示惯性矩，tc表示四分之一波长管中心轴线到压电片32的距离，Mp(x)表示声压差Δp引起的弯曲力矩。
在实际过程中，声压差Δp是以均布载荷的行驶作用在压电悬臂梁3上，并引起压电悬臂梁3的运动，如图3(a)所示。为了简化该问题，可以将声压差Δp和压电悬臂梁3的质量m分别等效为集中载荷F和集中质量meq，如图3(b)所示。
在图3(a)中，悬臂梁3的位移可以由公式5表示：
其中，E表示杨氏模量，b表示压电悬臂梁的宽度。
压电悬臂梁3的动能可以由公式6表示：
因此，等效集中质量可以表示为meq＝0.257m，从而得到：
σs＝Eδ (9)
其中，δ表示应变，tp表示压电材料的厚度，η表示阻尼系数，和表示几何常数。
综合公式4、7至10，可以得到压电悬臂梁3输出的电压幅值为：
其中，ωn表示圆频率，k表示压电耦合系数，D表示压电常数，Cp表示压电电容，R表示加载电阻，ε表示介电常数，ξ表示阻尼系数。
最后，输出的电功率为：
在图1的实施例中，所述波长管2的截面可以为矩形、三角形、多边形或圆形，在图1至图3任一项实施例中，所述压电悬臂梁3的截面可以为矩形、三角形、多边形或圆形。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (10)
1.一种用于车辆进排气系统的声能回收装置，用于收集排气噪声的声能并将所述声能转化为电能，所述进排气系统包括主管道和设置在所述主管道侧面且与所述主管道相连通的波长管，所述声能回收装置包括：
设置在所述波长管内壁的多个压电悬臂梁，所述多个压电悬臂梁构造成能够在所述声能经过所述波长管的放大作用下，激励所述多个压电悬臂梁产生位移，以输出一电功率。
2.根据权利要求1所述的声能回收装置，其中，所述波长管为四分之一波长管。
3.根据权利要求1或2所述的声能回收装置，其中，所述多个压电悬臂梁在所述波长管内壁交错设置；
其中，每一压电悬臂梁的长度小于所述波长管的直径，在所述压电悬臂梁两侧形成压力差，以激励所述压电悬臂梁发生位移而产生电压。
4.根据权利要求3所述的声能回收装置，其中，所述压电悬臂梁设置成与所述波长管的管壁相垂直。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的声能回收装置，其中，所述波长管包括开口端和与所述开口端相反的封闭端，所述开口端与所述主管道侧面相连通；
其中，所述压电悬臂梁设置在所述开口端，以输出最大的电压。
6.一种用于车辆进排气系统的声能回收方法，其利用权利要求1-6中任一项所述的声能回收装置对声能进行收集，并将所述声能转化为电能，包括如下步骤：
收集从主管道传播至波长管的声波并将所述声波放大；
放大后的声波激励多个压电悬臂梁产生位移，以输出一电功率。
7.根据权利要求6所述的声能回收方法，其中，所述放大后的声波激励多个压电悬臂梁产生位移，以输出一电功率，包括如下步骤：
放大后的声波在所述压电悬臂梁两侧形成压力差，以激励所述压电悬臂梁发生位移而产生电压，获得所述压电悬臂梁的电压幅值；
根据所述电压幅值计算得到所述电功率。
8.根据权利要求6所述的声能回收方法，其中，所述压电悬臂梁的所述电压幅值V按照如下公式计算：
其中，ωn表示圆频率，Cp表示压电电容，D表示压电常数，tp表示压电材料的厚度，R表示加载电阻，ε表示介电常数，k表示压电耦合系数，l表示惯性矩，tc表示所述四分之一波长管中心轴线到压电层的距离，b表示所述压电悬臂梁的宽度，Δp表示声压差，ξ表示阻尼系数。
9.根据权利要求8所述的声能回收方法，其中，所述电功率按照如下公式进行计算：
其中，P表示所述电功率。
10.根据权利要求9所述的声能回收方法，其中，所述波长管的第n阶模态频率下，纵向的质点速度u和声压p分别按照如下公式计算：
其中，L表示四分之一波长管的管长，Z表示到所述四分之一波长管开口端的距离，fn表示第n阶特征频率。
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