CN111030507A - 一种双腔耦合型噪声发电机及发电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双腔耦合型噪声发电机及发电方法，其包括至少1个赫姆霍兹谐振腔以及压电单元、延长颈和交直流转换电路；压电单元，设置在赫姆霍兹谐振腔的内腔侧壁上；赫姆霍兹谐振腔，包括至少2个并列的闭合谐振空腔，延长颈，设置在谐振空腔内部，且一端延伸至谐振空腔的顶壁；交直流转换电路，其正负极通过导线与压电单元的正负极连接，将压电单元所产生的电压输出，本发明利用双腔顶壁的开孔孔径不同，相邻的两个腔体中声压相位可以达到完全相反，从而处在两腔之间侧壁上与电极片相连的的压电陶瓷片受到推拉力的作用，振动幅度大大增加，实现了声波发电机的高电压输出。
Description
技术领域
本发明属于降噪环保新能源技术领域，特别涉及一种双腔耦合型噪声发电机及发电方法。
背景技术
随着传统石化资源面临枯竭，新型清洁能源不断发展，如何收集环境中的声能量使其转化成人们可以加以利用的清洁能源，这成为了国内外众多学者研究的一个热点，如果将环境中的噪声收集起来转换成电能，不仅能有效降低环境噪声，而且能为电学器件，如路灯等供电，减轻电能匮乏的压力。噪音对人的危害：80-85分贝时，表现为头痛、睡眠不好；90-100分贝时，情绪激动，感到疲劳；100-120分贝时，头晕、失眠、记忆力明显下降；120-140分贝时，耳痛、引起恐惧症。飞机起飞时发出的噪声约是140分贝，比雷声高六分之一，可导致心动过速、心律不齐、心肌受损，血压升高。因此在飞机场、高速公路、高铁站等噪声较大的地方，利用噪声发电存在着巨大的应用潜能。
近年来，关于利用噪声发电这一热点技术，许多学者都作出了相关的研究和努力。吉晓乐等人发明了一种具有弹性位置校正功能的声波发电机，利用的是装置内部的发电线圈随着声音振动切割磁感线产生电能；王士元发明了一种声波发电机，利用集音器收集声波，振动膜片的振动引起封闭线圈切割磁场中的磁力线从而产生电能；袁明等人发明了一种内嵌对数螺线管的亚波长低频声波发电器。但目前已知的一些利用声波发电的设备大多都是利用传统的电磁感应来实现声能发电，产生了电磁污染问题以及电磁场负效应对人体产生危害，并且大多声波发电设备的体积较大，给实际应用带来了困难。因此需要一种新型的噪声发电机来解决上述问题。
发明内容
为了克服上述现有技术所存在的不足，本发明提供了一种能有效收集环境中的噪声并将噪声中的声能高效转化为电能的双腔耦合型噪声发电机。
同时，本发明还提供了利用上述双腔耦合型噪声发电机实现的发电方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种双腔耦合型噪声发电机，其包括至少1个赫姆霍兹谐振腔1以及压电单元2、延长颈4和交直流转换电路3；
压电单元2，设置在赫姆霍兹谐振腔1的内腔侧壁上；
赫姆霍兹谐振腔1，包括至少2个并列的闭合谐振空腔11，利用2个谐振空腔11内储存的噪声声波而使压电单元2发生振动，产生压电效应；
延长颈4，设置在谐振空腔11内部，且一端延伸至谐振空腔11的顶壁，通过调节延长颈4的直径和/或长度而改变共振频率，进而改变输出电压；
交直流转换电路3，其正负极通过导线与压电单元2的正负极连接，将压电单元2所产生的电压输出。
进一步限定，相邻的谐振空腔11对应的延长颈4的直径和/或长度不同，使2个谐振空腔11所产生的声压相位差，推动压电侧壁振动，增大振幅。
进一步限定，相邻的谐振空腔11对应的延长颈4相同，使2个谐振空腔11所产生的声压相位相同。
进一步限定，所述赫姆霍兹谐振腔1通过串联或者并联的方式呈阵列式排布。
进一步限定，所述压电单元2是由压电陶瓷片21和电极片22压合而成，压电陶瓷片21通过电极片22与赫姆霍兹谐振腔1的内侧壁连接为一体；且通过电极片22连接与交直流转换电路3连接，利用交直流转换电路3将产生的电压输出。
进一步限定，所述延长颈4是厚度不超过1mm的圆管，且延长颈4的长度小于闭合谐振空腔11的高度。
进一步限定，所述延长颈4是厚度不超过1mm、直径为1.2～2.0mm的圆管，其下端距离闭合谐振空腔11的底部不小10mm。
一种利用上述的双腔耦合型噪声发电机的发电方法，其包括以下步骤：
(1)利用赫姆霍兹谐振腔1的顶壁吸收噪声声波并存储在2个谐振空腔11；
(2)利用设置在谐振空腔11内部的延长颈4调节2个耦合谐振空腔11内腔内的声能密度，利用2个谐振空腔11内储存的噪声声波而使压电单元2发生振动，产生压电效应，通过调节延长颈4的直径和/或长度而改变共振频率；
(3)将赫姆霍兹谐振腔1的压电侧壁所产生的电压利用交直流转换电路3转换后输出。
进一步限定，所述步骤(2)具体是：存储在2个耦合的谐振空腔11内的噪声压差达到180°时使处在两腔之间侧壁上与电极片22相连的压电陶瓷片21受到推拉力作用而发生振动产生压电效应，利用设置在谐振空腔11内部的延长颈4调节2个谐振空腔11内腔内的声能密度，通过调节延长颈4的直径和/或长度而改变共振频率；当延长颈4长度一定时，直径越大，共振频率越高；当延长颈4直径一定时，长度越小，共振频率越低。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明利用耦合赫姆霍兹谐振腔1双腔顶壁的开孔孔径不同，相邻的两个腔体中声压相位可以达到完全相反，从而处在两腔之间侧壁上与电极片22相连的压电陶瓷片21受到推拉力的作用，振动幅度大大增加。进一步地，通过在腔内加延长颈4，不仅可以起到增大电压的目的而且还可以在不增大赫姆霍兹谐振腔1体积的前提下，对其谐振频率进行调控，使两个腔的谐振频率耦合，从而大幅增大发电机的输出电压，实现了声波发电机的高电压输出。
(2)本发明能有效收集环境中的噪声，将噪声中的声能高效转化为电能的噪声发电机，实现了降低噪声环境中的噪声污染并达到高电压输出，通过该发明吸收机场的噪声可以产生高达220mV的电压，可满足电压要求为3.4-4.0V的大功率LED灯，因此，通过对本发明所述的耦合赫姆霍兹谐振腔1结构单元进行简单的串并联，即可轻松满足LED灯正常点亮的电压需求，可安装在飞机场、高速公路、高铁站等噪声较大的地方，收集到的噪声发电通过本装置中的交直流转换电路3可直接为周围的路灯供电，有极大的应用价值。
(3)本发明通过改变延长颈4的直径大小以及腔内延长颈4的长度，可实现各种频段的噪声吸收发电，克服了现有技术中声波发电机声电转换效率低、电磁污染的问题。此外该噪声发电机还具有整体尺寸小，结构简单，易于陈列化处理的特点。
(4)本发明结构简单，易于集成，并且考虑到结构的对称性，声压相位相同的压电片之间无需整流电路可以多个直接并联，从而达到提高功率容量的目的。
附图说明
图1为本发明的发电机立体结构示意图；
图2为本发明组成发电机的耦合赫姆霍兹谐振腔1结构单元立体图；
图3为本发明组成发电机的耦合赫姆霍兹谐振腔1结构单元剖视图；
图4为本发明实施例1的双腔内部声压相位表面图，可以明显看出双腔内声压相位可以达到完全相反；
图5为本发明实施例1的输出电压峰值随频率变化的曲线图；
图6为本发明实施例2的双腔声压相位差随频率变化曲线图；
图7为本发明实施例2的输出电压峰值随频率变化的曲线图；
图8为本发明实施例3的输出电压峰值随频率变化的曲线图。
图中，1-赫姆霍兹谐振腔，11-谐振空腔，2-压电单元，21-压电陶瓷片，22-电极片，3-交直流转换电路，4-延长颈。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
参见图1至图3，本实施例的双腔型噪声发电机，包括至少1个赫姆霍兹谐振腔1以及压电单元2、延长颈4和交直流转换电路3；其中：
赫姆霍兹谐振腔1，包括至少2个并列耦合的闭合谐振空腔11，利用2个耦合的谐振空腔11内储存的噪声声波而使压电单元2发生振动，产生压电效应；闭合谐振空腔11包括开孔的顶壁、不开孔的底壁、两腔之间的侧壁、用于构成闭合腔体的前面板和后面板。
压电单元2，设置在赫姆霍兹谐振腔1的内腔侧壁上；采用压电陶瓷片21和电极片22压合而成，电极片22是贴附在赫姆霍兹谐振腔1的内腔侧壁上的铝质薄片，其尺寸与闭合谐振空腔11的侧壁尺寸相同或者略小，其厚度为0.05-0.1mm；压电陶瓷片21的一端通过电极片22连接至腔体侧壁上，另一端与腔内空气直接接触，压电陶瓷片21可采用半径为7.5mm的圆形PZT-5H压电陶瓷片21，为了保证较佳的压电效果，压电陶瓷片21的直径r1不小于1/3电极片22的长度或者宽度，同时，不大于电极片22的长度或者宽度。由于耦合的闭合谐振空腔11顶壁的开孔孔径不同，相邻的两个腔体中声压相位可以达到完全相反，从而处在两腔之间侧壁上与电极片22相连的的压电陶瓷片21受到推拉力的作用，产生压电效应，进而实现声能与电能的转换。
延长颈4，设置在谐振空腔11内部，且一端延伸至谐振空腔11的顶壁，通过调节延长颈4的直径和/或长度而改变共振频率，进而改变输出电压；延长颈4是厚度不超过1mm、直径为1.2～2.0mm的薄圆管，其下端距离闭合谐振空腔11的底部不小10mm。两个耦合的闭合谐振空腔11内对应的延长颈4的直径分别为R1、R2，长度对应为L1，L2。
交直流转换电路3，其正负极通过导线与压电单元2的电极片22连接，将赫姆霍兹谐振腔1的压电侧壁所产生的电压输出。
本发明实现噪声发电的原理是：利用设置在谐振空腔11内部的延长颈4调节2个耦合谐振空腔11内腔内的声能密度，利用2个谐振空腔11内储存的噪声声波而使压电单元2发生振动，产生压电效应，存储在2个耦合的谐振空腔11内的噪声压差达到180°时使处在两腔之间侧壁上与电极片22相连的压电陶瓷片21受到推拉力作用而发生振动产生压电效应，腔内的延长颈4不仅可以增大腔内的声能密度，而且可以有效的调节共振频率，利用设置在谐振空腔11内部的延长颈4调节2个谐振空腔11内腔内的声能密度，通过调节延长颈4的直径和/或长度而改变共振频率；当延长颈4长度一定时，直径越大，共振频率越高；当延长颈4直径一定时，长度越小，共振频率越低。
由此，通过调节腔内延长颈4的长度，可以使相邻的腔共振频率发生耦合，进一步增大输出电压，最终达到噪声发电的目的。
进一步说明，上述对壁厚、大小尺寸的说明并非对赫姆霍兹谐振腔1的限定，仅仅为实验过程中较佳的实施情形，还可以在基本结构保持的基础上对根据实际使用环境和要求进行调整。
实施例1
本实施例中，赫姆霍兹谐振腔1相互串联成4＊4的阵列式排布，赫姆霍兹谐振腔1的闭合谐振空腔11开孔顶壁，壁厚h1＝6mm，其中一个闭合谐振空腔11的顶壁开设有半径为R1的小孔，另一个闭合谐振空腔11的顶壁开设有半径为R2的大孔。对于不开孔的底壁，壁厚h2＝4mm。两腔之间的侧壁，壁厚hm＝0.1mm，采用铝材质。用于构成闭合腔体的前面板和后面板厚度均为1mm。两个耦合的闭合谐振空腔11的腔内体积相同，均可为长a1＝20mm，宽a2＝22mm，高a3＝20mm。
本实施例的电极片22也是长20mm、宽22mm，高20mm、厚度为0.1mm的铝质矩形片。压电陶瓷片21是半径为9mm，厚度为0.1mm的圆形压电陶瓷片21。
本实施例的延长颈4的厚度为0.1mm的薄圆管，直径分别为R1＝1.2mm，R2＝1.9mm，长度分别为L1＝0mm，L2＝9mm。
用有限元软件建模并计算当1Pa，即94分贝的平面波垂直于开孔的顶壁入射时，双腔内的声压相位以及通过交直流转换电路3产生的电压值，参见附图4和附图5，从图中可以明显看出耦合的闭合谐振空腔11的声压相位达到了完全相反。
实施例2
本实施例中，赫姆霍兹谐振腔1开孔的顶壁，壁厚h1＝6mm，其中一个闭合谐振空腔11的顶壁开设有半径为R1的小孔，另一个闭合谐振空腔11的顶壁开设有半径为R2的大孔。对于不开孔的底壁，壁厚h2＝4mm。两腔之间的侧壁，壁厚hm＝0.1mm，采用铝材质。用于构成闭合腔体的前面板和后面板厚度均为1mm。两个耦合的闭合谐振空腔11的腔内体积相同，均可为长a1＝20mm，宽a2＝22mm，高a3＝20mm。
本实施例的电极片22也是长20mm、宽22mm，高20mm、厚度为0.1mm的铜质矩形片。压电陶瓷片21是半径为9mm，厚度为0.1mm的圆形压电陶瓷片21。
本实施例的延长颈4的厚度为0.1mm的薄圆管，直径分别为R1＝1.2mm，R2＝2.0mm，腔内延长颈4的长度分别为L1＝10mm，L2＝0mm。
用有限元软件建模并计算当1Pa，即94分贝的平面波垂直于开孔的顶壁入射时，耦合的闭合谐振空腔11内的声压相位差是否为180°，以及通过交直流转换电路3输出的电压值，参见附图6和附图7。
从图中可以看出耦合的闭合谐振空腔11内的声压相位差在290Hz-610Hz范围内达到了180°，并在此范围内实现了噪声发电。
实施例3
本实施例中，延长颈4的厚度为0.1mm的薄圆管，直径分别为R1＝1.2mm，R2＝1.9mm，腔内延长颈4的长度分别为L1＝0mm，L2＝9mm。
其他均与实施例1相同。
实施例4
本实施例中，赫姆霍兹谐振腔1相互串联成4＊6的阵列式排布。赫姆霍兹谐振腔1的闭合谐振空腔11开孔顶壁，壁厚h1＝5mm，其中一个闭合谐振空腔11的顶壁开设有半径为R1的小孔，另一个闭合谐振空腔11的顶壁开设有半径为R2的大孔。对于不开孔的底壁，壁厚h2＝4mm。两腔之间的侧壁，壁厚hm＝0.1mm，采用铝材质。用于构成闭合腔体的前面板和后面板厚度均为0.5mm。两个耦合的闭合谐振空腔11的腔内体积相同，均可为长a1＝25mm，宽a2＝25mm，高a3＝25mm。
本实施例的电极片22也是长25mm、宽25mm，高25mm、厚度为0.08mm的铜质矩形片。压电陶瓷片21是半径为9mm，厚度为0.08mm的圆形压电陶瓷片21。
本实施例的延长颈4的厚度为0.2mm的薄圆管，直径分别为R1＝1.5mm，R2＝1.5mm，腔内延长颈4的长度分别为L1＝10mm，L2＝10mm。
实施例5
本实施例中，赫姆霍兹谐振腔1相互串联成2＊6的阵列式排布。赫姆霍兹谐振腔1的闭合谐振空腔11开孔顶壁，壁厚h1＝5mm，其中一个闭合谐振空腔11的顶壁开设有半径为R1的小孔，另一个闭合谐振空腔11的顶壁开设有半径为R2的大孔。对于不开孔的底壁，壁厚h2＝4mm。两腔之间的侧壁，壁厚hm＝0.1mm，采用铝材质。用于构成闭合腔体的前面板和后面板厚度均为0.5mm。两个耦合的闭合谐振空腔11的腔内体积相同，均可为长a1＝25mm，宽a2＝25mm，高a3＝25mm。
本实施例的电极片22也是长20mm、宽22mm，高20mm、厚度为0.05mm的铜质矩形片。压电陶瓷片21是半径为7.5mm，厚度为0.05mm的圆形压电陶瓷片21。
本实施例的延长颈4的厚度为0.2mm的薄圆管，直径分别为R1＝1.5mm，R2＝1.5mm，腔内延长颈4的长度分别为L1＝10mm，L2＝10mm。
为了验证本发明的双腔型噪声发电机能够有效将噪声回收并转换为电能，特列举以下实施例对本发明的双腔型噪声发电机进行测试，具体如下：
飞机起飞时发出的噪声约是140分贝，比雷声高六分之一，噪音达到120-140分贝时，会引起人耳痛、恐惧症、可导致人心动过速、心律不齐等症状。
用有限元软件模拟了机场飞机起飞时产生的噪音通过该发明垂直于开孔的顶壁入射时，通过交直流转换电路3收集到的电压值，参见附图8，从图中可以看到通过该发明吸收机场的噪声的同时还可以产生高达220mV的电压，大功率的LED灯电压要求为3.4-4.0V，因此通过对本发明所述的耦合赫姆霍兹谐振腔1结构单元进行简单的串并联，即可轻松满足LED灯正常点亮的电压需求，此发明可安装在飞机场、高速公路、高铁站等噪声较大的地方，收集到的噪声发电通过本装置中的交直流转换电路3可直接为周围的路灯供电，有极大的应用价值。
由于本装置体积较小，结构简单，可以对其进行阵列化处理，如附图1所示，以提高其发电输出功率，也可以根据需要对其进行串并联处理，使其发电量以及输出电压更高。本发明能有效降低环境噪声，减轻噪声对人们日常生活及身心健康造成的危害，通过吸收机场的噪声可以产生高达220mV的电压，大功率的LED灯电压要求为3.4-4.0V，通过对本发明所述的耦合赫姆霍兹谐振腔1结构单元进行简单的串并联，即可轻松满足LED灯正常点亮的电压需求，通过改变孔径的大小以及腔内延长颈4的长度，可实现对各种频段的噪声吸收，通过本装置中的交直流转换电路3可直接为周围的路灯供电，尤其是在飞机场、高速公路、高铁站等噪声较大的地方，存在着巨大的应用价值。
Claims (9)
1.一种双腔耦合型噪声发电机，其特征在于：包括至少1个赫姆霍兹谐振腔(1)以及压电单元(2)、延长颈(4)和交直流转换电路(3)；
压电单元(2)，设置在赫姆霍兹谐振腔(1)的内腔侧壁上；
赫姆霍兹谐振腔(1)，包括至少2个并列的闭合谐振空腔(11)，利用2个谐振空腔(11)内储存的噪声声波而使压电单元(2)发生振动，产生压电效应；
延长颈(4)，设置在谐振空腔(11)内部，且一端延伸至谐振空腔(11)的顶壁，通过调节延长颈(4)的直径和/或长度而改变共振频率，进而改变输出电压；
交直流转换电路(3)，其正负极通过导线与压电单元(2)的正负极连接，将压电单元(2)所产生的电压输出。
2.根据权利要求1所述的双腔耦合型噪声发电机，其特征在于：相邻的谐振空腔(11)对应的延长颈(4)的直径和/或长度不同，使2个谐振空腔(11)所产生的声压相位差，推动压电侧壁振动，增大振幅。
3.根据权利要求1所述的双腔耦合型噪声发电机，其特征在于：相邻的谐振空腔(11)对应的延长颈(4)相同，使2个谐振空腔(11)所产生的声压相位相同。
4.根据权利要求1或2所述的双腔耦合型噪声发电机，其特征在于：所述赫姆霍兹谐振腔(1)通过串联或者并联的方式呈阵列式排布。
5.根据权利要求4所述的双腔耦合型噪声发电机，其特征在于：所述压电单元(2)是由压电陶瓷片(21)和电极片(22)压合而成，压电陶瓷片(21)通过电极片(22)与赫姆霍兹谐振腔(1)的内侧壁连接为一体；且通过电极片(22)连接与交直流转换电路(3)连接，利用交直流转换电路(3)将产生的电压输出。
6.根据权利要求1～5任一项所述的双腔耦合型噪声发电机，其特征在于：所述延长颈(4)是厚度不超过1mm的圆管，且延长颈(4)的长度小于闭合谐振空腔(11)的高度。
7.根据权利要求6所述的双腔耦合型噪声发电机，其特征在于：所述延长颈(4)是厚度不超过1mm、直径为1.2～2.0mm的圆管，其下端距离闭合谐振空腔(11)的底部不小10mm。
8.一种利用权利要求1所述的双腔耦合型噪声发电机的发电方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用赫姆霍兹谐振腔(1)的顶壁吸收噪声声波并存储在2个谐振空腔(11)；
(2)利用设置在谐振空腔(11)内部的延长颈(4)调节2个耦合谐振空腔(11)内腔内的声能密度，利用2个谐振空腔(11)内储存的噪声声波而使压电单元(2)发生振动，产生压电效应，通过调节延长颈(4)的直径和/或长度而改变共振频率；
(3)将赫姆霍兹谐振腔(1)的压电侧壁所产生的电压利用交直流转换电路(3)转换后输出。
9.根据权利要求8所述的发电方法，其特征在于，所述步骤(2)具体是：存储在2个耦合的谐振空腔(11)内的噪声压差达到180°时使处在两腔之间侧壁上与电极片(22)相连的压电陶瓷片(21)受到推拉力作用而发生振动产生压电效应，利用设置在谐振空腔(11)内部的延长颈(4)调节2个谐振空腔(11)内腔内的声能密度，通过调节延长颈(4)的直径和/或长度而改变共振频率；当延长颈(4)长度一定时，直径越大，共振频率越高；当延长颈(4)直径一定时，长度越小，共振频率越低。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112728275A (zh) * | 2020-12-19 | 2021-04-30 | 重庆大学 | 非单一低频超开放通风可调节吸声单元 |
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2019
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