CN108548601B - 高速列车噪声自驱动发电测噪和数据传输方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高速列车噪声自驱动发电测噪和数据传输方法及装置，该方法及装置利用声电转换单元将高铁沿线噪声所包含的能量转化为电能，为声级计供电并驱动声级计完成噪声的数据测量，联合采用物联网传输技术实现噪声数据的收集，完成高铁线路附近自驱动噪声测量及远程数据传输，通过对数据的汇集、整理与分析，生成高铁线路附近实时噪声地图，为我国交通发展规划、噪声污染控制措施提供指导依据。该发明不仅可以有效地降低环境中的噪声，而且可以变噪声污染为资源有效地加以利用，符合当下节能减排的发展理念。
Description
技术领域
本发明涉及噪声发电系统、高铁线路附近噪声测量及基于物联网的远程信号传输技术领域，具体涉及高速列车噪声自驱动发电测噪和数据传输方法及装置。
背景技术
中国的高铁事业在过去10年间取得了突飞猛进的发展，“复兴号”高铁动车组已经实现了350公里的时速运行。由于空气动力性噪声随车速(v)大致以60lgv～80lgv的规律增加，车速大于200km/h时，空气动力性噪声将成为重要的噪声源(Kitagawa T，NagakuraK.Aerodynamic noise generated by Shinkansen ears[J].Journal of Sound andVibration，2000，23(3):913－924)；车速进一步提高时，空气动力性噪声在高铁噪声中占主导地位。铁路线穿过城镇，给周边环境带来了严重影响，噪声污染对人们生活和健康有相当大的危害，声屏障作为高速铁路噪声隔离最主要的方法之一，能够有效地屏蔽各种噪声源的传播(周信，肖新标，何宾，等.高速铁路声屏障降噪效果预测及其验证[J].机械工程学报，2013，49(10)：14－19.)。但噪声也是一种具有相当能量值的潜在能源，声能发电技术是一种新型的发电技术，它可以通过换能器实现声能到电能的转换(魏娴,董卫,吴宵军,陈艳.声能发电技术发展概况[J].大众科技,2009,(12):101-103.)。由于高铁噪声是连续谱噪声，噪声在较宽频带内均有分布，限制了换能器的效率，因此声能发电技术至今没有在高铁噪声方面应用的资料。噪声地图是应用现代计算机技术，将噪声源的数据、地理数据、道路状况、公路和铁路交通资料以及相关地理信息综合、分析和计算后生成的反映噪声水平状况的数据地图。从中国目前情况看，噪声地图在中国发展的较晚，至今仅处于初步开始的阶段，且无大多数主要城市噪声地图的相关报道。噪声地图的绘制需要研究合适的方法和大量的基础数据([1]虞涛.城市噪声地图的发展和应用研究[J].环境科学与管理,2014,39(01):129-133.)。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种高速列车噪声自驱动发电测噪和数据传输方法及装置。该方法及装置利用声电转换单元将高铁沿线噪声所包含的能量转化为电能，为声级计供电并驱动声级计完成噪声的数据测量，联合采用物联网传输技术实现噪声数据的收集，完成高铁线路附近自驱动噪声测量及远程数据传输，通过对数据的汇集、整理与分析，生成高铁线路附近实时噪声地图，为我国交通发展规划、噪声污染控制措施提供指导依据。该发明不仅可以有效地降低环境中的噪声，而且可以变噪声污染为资源有效地加以利用，符合当下节能减排的发展理念。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种高速列车噪声自驱动发电测噪和数据传输方法，该方法的步骤是：
第一步、前期对高速列车沿线的重要观测点的噪声频谱进行收集统计，确定各观测点噪声所属的主要频谱范围；将多个共鸣器阵列按照收集统计的结果设置共鸣器腔的大小，获得能够采集相应观测点的主要频谱范围的噪声的共鸣器阵列；然后将共鸣器阵列安装在相应的重要观测点位置上，同时布置在高速列车的两侧，在不影响车辆运行和装置结构稳定性的情况下尽量靠近高铁线路；然后将多个共鸣器阵列连接电能收集单元、充电-工作控制电路、用于切换工作回路和充电回路的反馈控制模块；
第二步、利用多个声电转换单元构成的共鸣器阵列将高铁沿线噪声所包含的能量转化为电能，驱动声级计完成噪声的数据测量，再联合采用物联网传输技术实现噪声数据的收集，经过长期观测，对所收集数据进行统计分析，完成当地实时噪声地图的绘制。
一种高速列车噪声自驱动发电测噪和数据传输装置，其特征在于该装置包括声电转换单元、电能收集单元、充电-工作控制电路和反馈控制模块，
所述声电转换单元为立方体式亥姆霍兹共鸣器，包括压电薄膜、导电镀膜、绝缘刚体外壳、正极导电片、负极导电片和共鸣器孔；所述导电镀膜镀在压电薄膜上，绝缘刚体外壳为立方体式刚性外壳，压电薄膜与绝缘刚体外壳固定连接，正极导电片、负极导电片直接由压电薄膜引出，在绝缘刚体外壳上与压电薄膜相对的平面中心上开设共鸣器孔，声场中的噪声波通过共鸣器孔进入共鸣器腔，经过共鸣器放大声压后作用在压电薄膜上，产生压电效应使声能转化为电能；
多个谐振频率相同的声电转换单元构成一个共鸣器阵列，各种不同的谐振频率组成多个共鸣器阵列，在高速列车两侧均安装多个共鸣器阵列；
所述电能收集单元包括整流电路板和充电电池，所述整流电路板包括全波整流电路、滤波电路、稳压电路，多个共鸣器阵列引出的极性相同的导线各自接到整流电路板同一输入端，通过整流电路板实现整流、滤波、稳压功能，将交流电转变为稳定的直流电；充电电池的数量为两个，一个充电电池供电，另一个充电电池充电；
所述充电-工作控制电路由充电电池、声级计、双联按钮、电压表构成，采用双支路结构，各支路均组成一套完整的充电回路和工作回路，采用一个双联按钮控制其各部分的状态；充电回路由双联按钮的其中一个按钮和充电电池组成，经过整流后的电流通过按钮后为充电电池供电；工作回路由声级计、双联按钮中另一个按钮及充电电池组成，电流从充电电池流出，通过相应按钮后使声级计通电工作；
所述电压表连接反馈控制模块，将所监测的相应充电电池的电压传输到反馈控制模块；反馈控制模块为触发器，充电电池两端电压值作为输入信号，当电压值超过初始设定的截止电压或低于正常工作电压时，触发器动作，控制按动相应双联按钮更换充电回路和工作回路；
所述声级计输出端与用于完成信号转换并与远程终端连接的处理器相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明方法利用噪声发电自驱动噪声测量及物联网传输，将高铁噪声进行自发电，通过相应的电路将电能及噪声进行采集，并将电能用于自身的供电，使高铁线路噪声地图的测绘成为可能。
本发明装置中多个共鸣器阵列的设置实现了声能发电技术在连续谱高铁噪声上的应用，较单一频率的声能转换装置显著提高了转换效率；减少了能量的浪费；产生的电能用于驱动声级计和物联网数据传输，可实现装置的连续工作，避免了一次性电池的使用，从而避免了环境污染；同时能对噪声数据进行收集，为高铁沿线噪声地图的绘制提供了可能。
附图说明
图1为本发明高速列车噪声自驱动发电测噪和数据传输装置一种实施例的声电转换单元的结构示意图。
图2为本发明高速列车噪声自驱动发电测噪和数据传输装置一种实施例的电能收集单元的连接结构示意图。
图3为本发明高速列车噪声自驱动发电测噪和数据传输装置一种实施例的整流电路板的电路构成图。
图4为本发明高速列车噪声自驱动发电测噪和数据传输装置一种实施例的充电-工作控制电路的结构示意图。
图5为本发明中反馈控制模块的连接示意图。
图6为本发明中噪声数据传输的系统结构示意图。
图中，1、压电薄膜，2、导电镀膜，3、绝缘刚体外壳，4、正极导线，5、负极导线，6、共鸣器孔，7、共鸣器阵列，8、整流电路板，9、充电电池，11、双联按钮，91、第一充电电池，92、第二充电电池，10、声级计，101、第一声级计，102、第二声级计，12、电压表，121、第一电压表，122、第二电压表，13、处理器，14、4G模块，15、web远程终端设备，16、反馈控制模块。
具体实施方式
下面将结合实施例及附图进一步叙述本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。
本发明高速列车噪声自驱动发电测噪和数据传输方法，该方法的步骤是：
第一步、前期对高速列车沿线的重要观测点的噪声频谱进行收集统计，确定各观测点噪声所属的主要频谱范围；获得能够采集相应观测点的主要频谱范围的噪声的共鸣器阵列；然后将共鸣器阵列安装在相应的重要观测点位置上，同时布置在高速列车的两侧，在不影响车辆运行和装置结构稳定性的情况下尽量靠近高铁线路，以尽量提高声电转换效率和增大噪声衰减量；然后将多个共鸣器阵列连接电能收集单元、充电-工作控制电路、用于切换工作回路和充电回路的反馈控制模块，构成上述的高速列车噪声自驱动发电测噪和数据传输装置；
第二步、利用多个声电转换单元构成的共鸣器阵列将高铁沿线噪声所包含的能量转化为电能，驱动声级计完成噪声的数据测量，再联合采用物联网传输技术实现噪声数据的收集，经过长期观测，对所收集数据进行统计分析，完成当地实时噪声地图的绘制，作为对当地环境噪声的评价依据。
本发明高速列车噪声自驱动发电测噪和数据传输装置(简称装置，参见图1-5)包括声电转换单元、电能收集单元、充电-工作控制电路和反馈控制模块16，
所述声电转换单元(参见图1)为立方体式亥姆霍兹共鸣器，包括压电薄膜1、导电镀膜2、绝缘刚体外壳3、正极导电片4、负极导电片5、共鸣器孔6；所述导电镀膜2为镀在压电薄膜1上的银膜，绝缘刚体外壳3为立方体式刚性外壳，压电薄膜1与绝缘刚体外壳3采用螺钉固定连接，正极导电片4、负极导电片5直接由压电薄膜1引出(压电薄膜1可直接购买)，在绝缘刚体外壳3上与压电薄膜1相对的平面中心上开设共鸣器孔6。所述声电转换单元能通过改变共鸣器腔(绝缘刚体外壳与压电薄膜所围成的腔体)的尺寸来改变其谐振频率，以适应不同路段中的噪声频谱分布。对于确定位置的压电薄膜，其外壳内部的尺寸是确定的，故需前期对高速列车沿线的重要观测点的噪声频谱进行收集统计，确定各观测点噪声所属的主要频谱范围，而后完成装置的固定安装。所述压电薄膜为柔性的压电复合振膜，在复合振膜正反两面镀上一层很薄的银膜或其他导电性能优异的材料以增强其导电性，将压电薄膜取代亥姆霍兹共鸣器的刚性背板构成声电转换单元，声场中的噪声波通过共鸣器孔6进入共鸣器腔，经过共鸣器放大声压后作用在压电薄膜上，产生压电效应使声能转化为电能。
多个谐振频率相同的声电转换单元构成一个共鸣器阵列7，各种不同的谐振频率组成多个共鸣器阵列，在高速铁路两侧均安装多个共鸣器阵列，多个共鸣器阵列中声电转换单元的具体数量可根据不同路段噪声频谱决定，多个共鸣器阵列的具体安装位置根据实际噪声测量点的需求重要程度进行设置。共鸣器阵列7在通常情况下，每个声电转换单元内噪声产生的能量功率并不大。由于每个共鸣器阵列中各单元的谐振频率相同，所以声电转换后形成的电压波形几乎相同，可以将同一阵列上的声电转换单元串联，相当于将多个交流电池串联组成交流电压供电源。当作用在压电薄膜上的力消失后，压电薄膜产生的电荷立即消失，所以要通过导线及时导出产生的电荷以实现电能的收集。
所述电能收集单元(见图2)包括整流电路板8和充电电池9，所述整流电路板8包括全波整流电路、滤波电路、稳压电路，多个共鸣器阵列引出的极性相同的导线各自接到整流电路板同一输入端，多个共鸣器阵列的输出正极分别连接二极管D2的正极、二极管D4的负极，多个共鸣器阵列的输出负极分别连接二极管D1的正极、二极管D3的负极，二极管D1、二极管D2的负极相连，二极管D3、二极管D4的正极相连，四个二极管组成全波整流电路；滤波电容C1并联在全波整流电路的两端组成滤波电路，滤波电路能减小输出电压的脉动程度；可调三端稳压器LM117H的输入端与连接二极管D2负极的滤波电容C1的一端相连，可调三端稳压器LM117H的接地端分别连接电阻R2、电阻R3的一端，电阻R3的另一端与连接二极管D4正极的滤波电容C1的一端相连；可调三端稳压器LM117H的输出端分别与电阻R2的另一端、电容C2的一端连接，电容C2的另一端与不与电阻R2相连的电阻R3的一端连接；可调三端稳压器LM117H与电阻R2、电阻R3、电容C2组成稳压电路；稳压电路的输出端连接负载V2，负载V2即为充电电池9，充电电池的数量为两个，一个充电电池供电，另一个充电电池充电，保证系统连续工作。各阵列引出的极性相同的导线各自接到整流电路板同一输入端，通过整流电路板实现整流、滤波、稳压等功能，将交流电转变为稳定的直流电。
所述充电-工作控制电路(见图4)由充电电池、声级计10、双联按钮11、电压表构成，采用双支路结构，各支路均组成一套完整的充电回路和工作回路，采用一个双联按钮控制其各部分的状态；充电回路由双联按钮的其中一个按钮和充电电池组成，经过整流后的电流通过按钮后为充电电池供电；工作回路由声级计、双联按钮中另一个按钮及充电电池组成，电流从充电电池流出，通过相应按钮后使声级计通电工作；有两个充电-工作控制电路，第一充电电池91为第一声级计101供电使其工作，第一电压表121与第一充电电池91并联监测其电压变化，构成第一充电-工作控制电路；第二充电电池92为第二声级计102供电使其工作，第二电压表122与第二充电电池92并联监测其电压变化，构成第二充电-工作控制电路；第一充电-工作控制电路上设置第一双联按钮111，第二充电-工作控制电路上设置第二双联按钮112；在每个充电-工作控制电路中双联按钮11串接到两条支路中(接线方式见图4)，当某条支路上充电电池处于充电状态时，充电回路按钮动触点(按钮中可动触点称为动触点)与该支路静触点连通(按钮中固定触点称为静触点)，与另一支路静触点断开；工作回路按钮动触点与该支路静触点断开，与另一支路静触点连通，此时工作回路接通，电池为声级计供电使其工作。
所述电压表连接反馈控制模块，将所监测的相应充电电池的电压传输到反馈控制模块(见图5)；反馈控制模块为触发器，充电电池两端电压值作为输入信号，当电压值超过初始设定的截止电压或低于正常工作电压时，触发器动作，控制按动相应双联按钮更换充电回路和工作回路，保证系统持续工作。
所述声级计10输出端与处理器13相连(见图6)，处理器13可以采用单片机，用于完成信号的转换，输出端信号通过4G模块进行传输。4G模块与web远程终端设备(web终端)15连接，web远程终端设备15为用户数据接收设备，用户可根据自身情况决定。处理器13对接收到的声级计数据信号进行处理后，将信息打包成帧后通过4G模块14向云端服务平台发送信息，web远程终端设备15在通过云端服务平台获取数据信息，完成数据的远程传输。所述云端服务平台可以采用通信运营商服务，完成数据传输工作。
本发明中所述声电转换单元由柔性的压电复合振膜取代亥姆霍兹共鸣器的刚性背板，在复合振膜正反两面镀上一层很薄的银膜或其他导电性能优异的材料，将n个谐振频率相同的共鸣器组装成具有一定曲率的(参照顶部弧形声屏障结构(顶部弧形声屏障是弧形声屏障结构的一种，可使从屏障顶部绕射的衍射声得到有效衰减))共鸣器阵列，可使从顶部绕射的声波得到有效衰减。安装方法可以是独立安装或者附着在高速铁路两侧的声屏障上。共鸣器谐振频率由共鸣器的尺寸决定，当噪声频率在共鸣器谐振频率附近时，声电转换单元的换能效率最高。因此可以通过改变共鸣器的尺寸以改变其谐振频率，不同谐振频率的阵列组合使用，可以提高能量转换效率。以亥姆霍兹共鸣器为声压放大器，精细加工的柔性压电复合振膜为换能元件，在亥姆霍兹共鸣器内产生一个耦合共振系统，再由压电效应将声能转换为电能，产生的电流由与导电银膜连接的导线输出。
本发明中每个观测点均设置有能采集相应观测点的主要频谱范围的噪声的共鸣器阵列、电能收集单元、充电-工作控制电路、用于切换工作回路和充电回路的反馈控制模块，同时在相应观测点设置处理器，用于转换声级计的信号，并将转换信号通过物联网传输装置传递给终端。所有观测点的数据均传递给终端。
声级计通电工作时，可对周围环境进行实时噪声测量。当高速列车通过时，可明显看到所得数据值的跃升。声级计输出端与处理器相连，处理器对接收到的声级计数据信号进行处理，通过无线网络与web终端进行无线连接，完成数据传输。经过长期观测，对所收集数据进行分析，可生成当地实时噪声地图，作为对当地环境噪声的评价依据，分析高速列车对当地环境造成的影响，可对今后我国高速铁路建设提出可行性建议，为高速铁路规划提供科学指导。
整流电路板根据实际安装情况合理布置，声级计位置根据测量需要合理安排，充电-工作控制电路、反馈控制模块布置能够实现本身作用即可，本发明不做限定。
以上结合附图,已经详细说明了本发明的工作原理，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本装置的原理和精神的情况下可以对本装置进行多种变化、修改、替换和变型，本装置的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种高速列车噪声自驱动发电测噪和数据传输方法，该方法的步骤是：
第一步、前期对高速列车沿线的重要观测点的噪声频谱进行收集统计，确定各观测点噪声所属的主要频谱范围；将多个共鸣器阵列按照收集统计的结果设置共鸣器腔的大小，获得能够采集相应观测点的主要频谱范围的噪声的共鸣器阵列；然后将共鸣器阵列安装在相应的重要观测点位置上，同时布置在高速列车的两侧，在不影响车辆运行和装置结构稳定性的情况下尽量靠近高铁线路；然后将多个共鸣器阵列连接电能收集单元、充电-工作控制电路、用于切换工作回路和充电回路的反馈控制模块；
第二步、利用多个声电转换单元构成的共鸣器阵列将高铁沿线噪声所包含的能量转化为电能，驱动声级计完成噪声的数据测量，再联合采用物联网传输技术实现噪声数据的收集，经过长期观测，对所收集数据进行统计分析，完成当地实时噪声地图的绘制；
上述传输方法使用的高速列车噪声自驱动发电测噪和数据传输装置包括声电转换单元、电能收集单元、充电-工作控制电路和反馈控制模块，
所述声电转换单元为立方体式亥姆霍兹共鸣器，包括压电薄膜、导电镀膜、绝缘刚体外壳、正极导电片、负极导电片和共鸣器孔；所述导电镀膜镀在压电薄膜上，绝缘刚体外壳为立方体式刚性外壳，压电薄膜与绝缘刚体外壳固定连接，正极导电片、负极导电片直接由压电薄膜引出，在绝缘刚体外壳上与压电薄膜相对的平面中心上开设共鸣器孔，声场中的噪声波通过共鸣器孔进入共鸣器腔，经过共鸣器放大声压后作用在压电薄膜上，产生压电效应使声能转化为电能；
多个谐振频率相同的声电转换单元构成一个共鸣器阵列，各种不同的谐振频率组成多个共鸣器阵列，在高速列车两侧均安装多个共鸣器阵列；
多个共鸣器阵列中声电转换单元的具体数量可根据不同路段噪声频谱决定，多个共鸣器阵列的具体安装位置根据实际噪声测量点的需求重要程度进行设置；共鸣器阵列在通常情况下，每个声电转换单元内噪声产生的能量功率并不大，由于每个共鸣器阵列中各单元的谐振频率相同，所以声电转换后形成的电压波形几乎相同，可以将同一阵列上的声电转换单元串联，相当于将多个交流电池串联组成交流电压供电源；
所述声电转换单元由柔性的压电复合振膜取代亥姆霍兹共鸣器的刚性背板，将n个谐振频率相同的共鸣器组装成具有一定曲率的共鸣器阵列，使从顶部绕射的声波得到有效衰减；
所述电能收集单元包括整流电路板和充电电池，所述整流电路板包括全波整流电路、滤波电路、稳压电路，多个共鸣器阵列引出的极性相同的导线各自接到整流电路板同一输入端，通过整流电路板实现整流、滤波、稳压功能，将交流电转变为稳定的直流电；充电电池的数量为两个，一个充电电池供电，另一个充电电池充电；
所述充电-工作控制电路由充电电池、声级计、双联按钮、电压表构成，采用双支路结构，各支路均组成一套完整的充电回路和工作回路，采用一个双联按钮控制其各部分的状态；充电回路由双联按钮的其中一个按钮和充电电池组成，经过整流后的电流通过按钮后为充电电池供电；工作回路由声级计、双联按钮中另一个按钮及充电电池组成，电流从充电电池流出，通过相应按钮后使声级计通电工作；
在每个充电-工作控制电路中双联按钮串接到两条支路中，当某条支路上充电电池处于充电状态时，充电回路按钮动触点与该支路静触点连通，与另一支路静触点断开；工作回路按钮动触点与该支路静触点断开，与另一支路静触点连通，此时工作回路接通，电池为声级计供电使其工作；
所述电压表连接反馈控制模块，将所监测的相应充电电池的电压传输到反馈控制模块；反馈控制模块为触发器，充电电池两端电压值作为输入信号，当电压值超过初始设定的截止电压或低于正常工作电压时，触发器动作，控制按动相应双联按钮更换充电回路和工作回路；
所述声级计输出端与用于完成信号转换并与远程终端连接的处理器相连。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述处理器为单片机。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述整流电路板的电路连接是：多个共鸣器阵列的输出正极分别连接二极管D2的正极、二极管D4的负极，多个共鸣器阵列的输出负极分别连接二极管D1的正极、二极管D3的负极，二极管D1、二极管D2的负极相连，二极管D3、二极管D4的正极相连，四个二极管组成全波整流电路；滤波电容C1并联在全波整流电路的两端组成滤波电路；可调三端稳压器LM117H的输入端与连接二极管D2负极的滤波电容C1的一端相连，可调三端稳压器LM117H的接地端分别连接电阻R2、电阻R3的一端，电阻R3的另一端与连接二极管D4正极的滤波电容C1的一端相连；可调三端稳压器LM117H的输出端分别与电阻R2的另一端、电容C2的一端连接，电容C2的另一端与不与电阻R2相连的电阻R3的一端连接；可调三端稳压器LM117H与电阻R2、电阻R3、电容C2组成稳压电路；稳压电路的输出端连接负载V2，负载V2即为充电电池。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述压电薄膜为柔性的压电复合振膜，在复合振膜正反两面镀有银膜。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述处理器的输出端信号通过4G模块进行传输；4G模块通过云端服务平台与web远程终端设备连接。
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