CN112910313B - 一种亥姆霍兹共振效应与文丘里效应复合的降噪换能装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种亥姆霍兹共振效应与文丘里效应复合的降噪换能装置及方法，属于噪声控制以及新型能源发电的技术领域，降噪换能装置包括声能发电降噪板和压电片，声能发电降噪板内设置有由亥姆霍兹共振器和文丘里通道构成的工作单元；亥姆霍兹共振器竖向设置，包括连通的亥姆霍兹共振腔和颈部，亥姆霍兹共振腔的顶部由设置在声能发电降噪板顶面开口上的压电片封闭；文丘里通道横向贯穿声能发电降噪板的正面和背面，包括连通的入口段、喉口和出口段，喉口与亥姆霍兹共振器的颈部连通。将亥姆霍兹共振效应和文丘里效应结合在一个器件中，能够同时收集环境中的噪声和气流，提高能量转换效率，在降噪的同时，将噪音变废为宝，利用噪音发电。

Description

一种亥姆霍兹共振效应与文丘里效应复合的降噪换能装置及 方法

技术领域

本发明属于噪声控制以及新型能源发电的技术领域，具体公开了一种亥姆霍兹共振效应与文丘里效应复合的降噪换能装置及方法。

背景技术

人类利用地球上的能量为自身提供便利已有数千年的历史，风能、热能以及光能的使用极大程度上便利了人类的生活发展。然而进入21世纪，随着人类科技不断发展以及世界人口的不断增长，人类对于能源的需求日益加大，一味的使用不可再生能源已不是长久之计。尽管人类对可再生能源收集技术已经进行了广泛的研究，但我们周围仍然存在着被忽视和浪费的能源，而声能就是其中的一种，声能的产生随处可见，却很少被利用。并且目前人们将噪声视为一种危害而加以抑制，对于噪声的处理只专注于对于噪声的抑制方面，忽略了噪声作为一种广泛存在的能量可以被人类利用的可能性。这种方法虽能有效的隔绝或降低了噪声，但是噪声能量却转化为热能，造成了资源的浪费。

随着微电子设备、无线传感网络技术的飞速发展，它们的使用规模呈几何级数增长，但是对于这些设备的能量供应问题一直限制着它们的应用，目前大部分小型便携电子设备以及无线传感器的能量供应一直以电池供电为主，虽然电池技术成产工艺成熟，使用方便简单，但电池的寿命对于这些电子设备来说是很短的，并且在某些场合下更换电池的成本昂贵，甚至难以实现，而且大量废弃的电池还会对周围的环境产生长时间的污染，电池的缺陷阻碍了小型便携电子以及无线传感器的发展，因此，研究新的能量供应技术，有着十分重要的意义。

中国专利CN201911395052.2，此专利公开了一种双腔耦合型噪声发电机及发电方法，其中包括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，利用双腔顶壁的开孔孔径不同，相邻的两个亥姆霍兹共振腔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，实现了声波发电机的电压输出。但是其声音收集模块只利用亥姆霍兹谐振器的颈部，其进颈部直径分别为1.2mm、1.9mm，收集效率较低，同时其压电片不易固定，安装困难，不易生产。

中国专利CN200920316562.1，此专利公开了一种声能发电装置，包含一储电单元，一基座，基座上设有单个或多个声电转换器，声电转换器包含导音管，导音管内部分为前腔和后腔，前腔接收外界声波产生共振推动后腔的声电转换器产生感应电流。此装置利用感应线圈、感应磁铁，进行切割磁感线运动发电，其装置较为复杂，成本较高，同时声能收集模块效率较低。

中国专利CN201620788162.0，此专利公开了一种声能发电装置，包含亥姆霍兹共鸣器、压电陶瓷片、整流桥、无极性电容和电解电容；亥姆霍兹共鸣器收集扬声器发出的声音，压电陶瓷片设置于亥姆霍兹共鸣器上，通过亥姆霍兹共鸣器驱动其换能，所述压电陶瓷片输出端连接滤波储能模块的输入端。该发明只利用亥姆霍兹共鸣器收集声能，收集效率较低，同时压电陶瓷片使用胶粘方式固定在亥姆霍兹共鸣器上，这种固定方式不稳定，容易脱落，且不易更换压电陶瓷片。

现有的声能发电装置，基本都是利用单一的物理效应进行能量的转换，未将多种物理效应集成在一个器件上进行能量的转换和噪声的抑制。而且现有技术中，压电片、压电悬臂梁大都采用胶粘的方式，这种固定方式受人为因素影响较大，导致个体之间的性能差异较大。

发明内容

为了克服上述现有技术所存在的不足，本发明提出一种亥姆霍兹（Helmholtz）共振效应与文丘里（Venturi）效应复合的降噪换能装置及方法。

本发明提供一种亥姆霍兹共振效应与文丘里效应复合的降噪换能装置，包括声能发电降噪板和压电片，声能发电降噪板内设置有由亥姆霍兹共振器和文丘里通道构成的工作单元；亥姆霍兹共振器竖向设置，包括连通的亥姆霍兹共振腔和颈部，亥姆霍兹共振腔的顶部由设置在声能发电降噪板顶面开口上的压电片封闭；文丘里通道横向贯穿声能发电降噪板的正面和背面，包括连通的入口段、喉口和出口段，喉口与亥姆霍兹共振器的颈部连通。

进一步地，亥姆霍兹共振器依据以下公式设计：

式中，f为亥姆霍兹共振频率，c为声速，s为颈部截面积，l为颈部高度，d为颈部截面直径，v为亥姆霍兹共振腔体积；

文丘里通道设计遵循以下原则：

入口段为锥形管，锥角为21°±2°；喉口为直管；出口段为锥形管，锥角为8°～15°。

进一步地，声能发电降噪板内依次设置有多个工作单元，底面设置有线槽，线槽上设置有贯穿顶面和底面的穿线孔；每个工作单元对应的压电片由导线连接，导线穿过线槽和穿线孔与外部电路相接。

进一步地，上述亥姆霍兹共振效应与文丘里效应复合的降噪换能装置，包括多层声能发电降噪板；每层声能发电降噪板的顶面上设置有连接槽，底面设置有连接块，连接槽和连接块均位于声能发电降噪板的侧面端部且均设置有螺栓孔Ⅰ，上一声能发电降噪板的连接块插入下一声能发电降噪板的连接槽中通过螺栓连接。

进一步地，每层声能发电降噪板的正面和背面设置有定位槽和定位板，定位槽自声能发电降噪板的顶面向下开设，定位板自声能发电降噪板的底面向下延伸，上一声能发电降噪板的定位板插入下一声能发电降噪板的定位槽中。

进一步地，定位板的侧面设置有定位销，定位槽上设置有与定位销对应的销槽。

进一步地，定位板和定位槽上设置有螺栓孔Ⅱ，定位板和定位槽通过螺栓连接。

进一步地，声能发电降噪板顶面的开口上设置凹台，压电片放置在凹台中，压电片上放置有密封圈，上一声能发电降噪板压紧下一声能发电降噪板的密封圈。

进一步地，上述亥姆霍兹共振效应与文丘里效应复合的降噪换能装置，还包括设置在最上方声能发电降噪板上方的顶盖以及设置在最下方声能发电降噪板下方的底板；顶盖上设置有与连接槽对应的顶盖连接块以及与定位槽对应的顶盖定位板，顶盖连接块插入最上方声能发电降噪板的连接槽中通过螺栓连接，顶盖定位板插入最上方声能发电降噪板的定位槽中通过螺栓连接；底板为底面平整的声能发电降噪板。

本发明还提供一种亥姆霍兹共振效应与文丘里效应复合的降噪换能方法，将上述亥姆霍兹共振效应与文丘里效应复合的降噪换能装置中的压电片与外部电路相接；

根据亥姆霍兹共振效应，当入射噪声与亥姆霍兹共振器的固有频率一致时，声波通过颈部压迫亥姆霍兹共振腔内气体发生压缩膨胀往复变形，从而引起压电片发生拉伸压缩往复运动，由于压电效应，会在压电片表面产生交变电荷，将压电片经过串联、并联，并对电流信号进行整流变换后，形成直流电，实现噪声的声能到电能的转换，同时实现了噪声抑制；

根据文丘里效应，受限流动在通过缩小的过流断面时，流体出现流速增大现象，并且由伯努力定律可知流速的增大伴随着流体压力的降低，气流由文丘里通道的入口段进入喉口，会产生高速流动，在高速流动的流体附近会产生低压，从而产生吸附作用，由于喉口与亥姆霍兹共振器相连接，亥姆霍兹共振器压力低于环境压强，导致压电片发生变形，由于压电效应会在压电片表面产生电荷，将压电片经过串联、并联，并对电流信号进行整流变换后，形成直流电，实现流体的动能到电能的转换；

当环境中同时具有噪声和气流时，上述两种效应同时起作用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、在降噪的同时，将噪音变废为宝，利用噪音发电，解决商场，街道，马路等环境下小型用电设备的能量供应问题，同时减少报废电池的产生量，减少对环境的污染；

2、将亥姆霍兹共振效应和文丘里效应结合在一个器件中，能够同时收集环境中的噪声和气流，提高能量转换效率；

3、降噪换能装置设置为层与层之间的组合结构，有足够的工作空间安装压电片以及线路，使压电片的安装以及线路的连接更加方便省时，且每层之间的安装也非常简便；

4、压电片通过凹台结构与密封圈固定，该固定方式更加方便可靠，且压电片拆装方便，拆装同时不会破坏任何。

附图说明

图1为声能发电降噪板的主视图；

图2为图1中A-A方向的剖视图；

图3为声能发电降噪板的底部视图；

图4为降噪换能装置的整体装配图；

图5为相邻两组声能发电降噪板的装配关系图；

图6为实施例3中工作单元的亥姆霍兹共振器传递损失仿真二维图。

图中：1-声能发电降噪板；2-压电片；3-亥姆霍兹共振器；3.1-亥姆霍兹共振腔；3.2-颈部；4-文丘里通道；4.1-入口段；4.2-喉口；4.3-出口段；5-线槽；6-穿线孔；7-连接槽；8-连接块；9-螺栓孔Ⅰ；10-定位槽；11-定位板；12-定位销；13-螺栓孔Ⅱ；14-密封圈；15-顶盖；16-底板。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖向”、“横向”、“顶”、“底”、“正”、“背”等指示的方位或位置关系，仅是为了描述本发明和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或零件必须具有的特定方位，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

本实施例提供一种亥姆霍兹共振效应与文丘里效应复合的降噪换能装置，包括声能发电降噪板1和压电片2，声能发电降噪板1内设置有由亥姆霍兹共振器3和文丘里通道4构成的工作单元；亥姆霍兹共振器3竖向设置，包括连通的亥姆霍兹共振腔3.1和颈部3.2，亥姆霍兹共振腔3.1的顶部由设置在声能发电降噪板1顶面开口上的压电片2封闭；文丘里通道4横向贯穿声能发电降噪板1的正面和背面，包括连通的入口段4.1、喉口4.2和出口段4.3，喉口4.2与亥姆霍兹共振器3的颈部3.2连通。

进一步地，亥姆霍兹共振器3依据以下公式设计：

式中，f为亥姆霍兹共振频率，c为声速，s为颈部截面积，l为颈部高度，d为颈部截面直径，v为亥姆霍兹共振腔体积；

文丘里通道设计遵循以下原则：

入口段4.1为锥形管，锥角为21°±2°；喉口4.2为直管；出口段4.3为锥形管，锥角为8°～15°。

进一步地，声能发电降噪板1内依次设置有多个工作单元，底面设置有线槽5，线槽5上设置有贯穿顶面和底面的穿线孔6；每个工作单元对应的压电片2由导线连接，导线穿过线槽5和穿线孔6与外部电路相接。

单独一个工作单元的噪声控制效果以及能量转换有限，因而将上述结构组成多层阵列结构。上述亥姆霍兹共振效应与文丘里效应复合的降噪换能装置，包括多层声能发电降噪板1；每层声能发电降噪板1的顶面上设置有连接槽7，底面设置有连接块8，连接槽7和连接块8均位于声能发电降噪板的侧面端部且均设置有螺栓孔Ⅰ9，上一声能发电降噪板1的连接块8插入下一声能发电降噪板1的连接槽7中通过螺栓连接。

进一步地，每层声能发电降噪板1的正面和背面设置有定位槽10和定位板11，定位槽10自声能发电降噪板1的顶面向下开设，定位板11自声能发电降噪板1的底面向下延伸，上一声能发电降噪板1的定位板11插入下一声能发电降噪板1的定位槽10中，以便在安装时进行定位。

进一步地，定位板11的侧面设置有定位销12，定位槽10上设置有与定位销12对应的销槽。

进一步地，定位板11和定位槽10上设置有螺栓孔Ⅱ13，定位板11和定位槽10通过螺栓连接。

进一步地，声能发电降噪板1顶面的开口上设置凹台，压电片2放置在凹台中，压电片2上放置有密封圈14，上一声能发电降噪板1压紧下一声能发电降噪板1的密封圈14，达到密封和固定压电片2的作用，这种固定方式简易可靠且方便压电片2的拆装，且拆装的同时不会破坏任何结构。

进一步地，上述亥姆霍兹共振效应与文丘里效应复合的降噪换能装置，还包括设置在最上方声能发电降噪板1上方的顶盖15以及设置在最下方声能发电降噪板1下方的底板16，形成封闭结构；顶盖15上设置有与连接槽7对应的顶盖连接块以及与定位槽10对应的顶盖定位板，顶盖连接块插入最上方声能发电降噪板1的连接槽中通过螺栓连接，顶盖定位板插入最上方声能发电降噪板1的定位槽中通过螺栓连接；底板16为底面平整的声能发电降噪板。

实施例2

本实施例提供一种亥姆霍兹共振效应与文丘里效应复合的降噪换能方法，将上述亥姆霍兹共振效应与文丘里效应复合的降噪换能装置中的压电片2与外部电路相接；

根据亥姆霍兹共振效应，当入射噪声与亥姆霍兹共振器3的固有频率一致时，声波通过颈部3.2压迫亥姆霍兹共振腔3.1内气体发生压缩膨胀往复变形，从而引起压电片2发生拉伸压缩往复运动，由于压电效应，会在压电片2表面产生交变电荷，将压电片2经过串联、并联，并对电流信号进行整流变换后，形成直流电，实现噪声的声能到电能的转换，同时实现了噪声抑制；

根据文丘里效应，受限流动在通过缩小的过流断面时，流体出现流速增大现象，并且由伯努力定律可知流速的增大伴随着流体压力的降低，气流由文丘里通道4的入口段4.1进入喉口4.2，会产生高速流动，在高速流动的流体附近会产生低压，从而产生吸附作用，由于喉口4.2与亥姆霍兹共振器3相连接，亥姆霍兹共振器3压力低于环境压强，导致压电片2发生变形，由于压电效应会在压电片2表面产生电荷，将压电片2经过串联、并联，并对电流信号进行整流变换后，形成直流电，实现流体的动能到电能的转换；

当环境中同时具有噪声和气流时，上述两种效应同时起作用，在降低噪声的同时，从环境中获取能量。

实施例3

本实施例中，声能发电降噪板1整体设计为长600mm，宽600mm，厚度40mm。

文丘里通道4的尺寸为入口段4.1直径30mm，喉口4.2直径15mm，喉口4.2长度20mm，出口段4.3直径25mm。

亥姆霍兹共振器3依据以下公式设计：

式中，f为亥姆霍兹共振频率，c为声速，s为颈部截面积，l为颈部高度，d为颈部截面直径，v为亥姆霍兹共振腔体积。

设计亥姆霍兹共振器3尺寸为：颈部3.2高度15mm，颈部3.2截面直径4mm，亥姆霍兹共振腔3.1高度45mm，亥姆霍兹共振腔3.1截面直径31mm，由于亥姆霍兹共振腔3.1顶部设有1.2mm深的凹台，所以此处亥姆霍兹共振腔3.1高度取43.8mm。计算得共振频率为246.7Hz，如图6所示，仿真后所得亥姆霍兹共振频率为245Hz，仿真与计算结构误差在允许范围内。

颈部3.2与入口段4.1和喉口4.2连接处相接。

压电片2采用直径为35mm，厚度为0.2mm的圆形压电陶瓷片。

在每一声能发电降噪板1的底面设有深度为10mm、宽度为10mm的线槽5，供压电片2接线使用。

线槽5内设有直径8mm的穿线孔6，供层与层之间的压电片2连线使用。

当环境中仅有噪声时，噪声通过文丘里通道4，当入射噪声频率为245Hz与亥姆霍兹共振器3的共振频率一致时，声波压迫亥姆霍兹共振腔3.1内的空气产生压缩膨胀的往复运动速度最快，进而带动压电片2发生变形，由于压电效应，产生交变电荷，将压电片2经过串联、并联，并对交变电流信号进行整流变换后，形成直流电，实现声能到电能的转换。

当环境中仅有气流时，气流通过文丘里通道4，从入口段4.1向出口段4.3流动过程中，由于文丘里效应，会在喉口4.2处形成负压，由于喉口4.2通过颈部3.2与亥姆霍兹共振腔3.1连接，因而在亥姆霍兹共振腔3.1内压低于环境气压，导致压电片2变形，从而产生电荷。将压电片2经过串联、并联，并对交变电流信号进行整流变换后，形成直流电，实现流体的动能到电能的转换。

当环境中既有噪声又有气流存在时，上述两种效应复合存在，在降低噪声的同时，从环境中获取能量。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种亥姆霍兹共振效应与文丘里效应复合的降噪换能装置，其特征在于，包括声能发电降噪板和压电片，所述声能发电降噪板内设置有由亥姆霍兹共振器和文丘里通道构成的工作单元；

所述亥姆霍兹共振器竖向设置，包括连通的亥姆霍兹共振腔和颈部，亥姆霍兹共振腔的顶部由设置在声能发电降噪板顶面开口上的压电片封闭；

所述文丘里通道横向贯穿声能发电降噪板的正面和背面，包括连通的入口段、喉口和出口段，喉口与亥姆霍兹共振器的颈部连通。

2.根据权利要求1所述的亥姆霍兹共振效应与文丘里效应复合的降噪换能装置，其特征在于，亥姆霍兹共振器依据以下公式设计：

式中，f为亥姆霍兹共振频率，c为声速，s为颈部截面积，l为颈部高度，d为颈部截面直径，v为亥姆霍兹共振腔体积；

文丘里通道设计遵循以下原则：

入口段为锥形管，锥角为21°±2°；喉口为直管；出口段为锥形管，锥角为8°～15°。

3.根据权利要求2所述的亥姆霍兹共振效应与文丘里效应复合的降噪换能装置，其特征在于，所述声能发电降噪板内依次设置有多个工作单元，底面设置有线槽，线槽上设置有贯穿顶面和底面的穿线孔；

每个工作单元对应的压电片由导线连接，导线穿过线槽和穿线孔与外部电路相接。

4.根据权利要求3所述的亥姆霍兹共振效应与文丘里效应复合的降噪换能装置，其特征在于，包括多层声能发电降噪板；

每层声能发电降噪板的顶面上设置有连接槽，底面设置有连接块，连接槽和连接块均位于声能发电降噪板的侧面端部且均设置有螺栓孔Ⅰ，上一声能发电降噪板的连接块插入下一声能发电降噪板的连接槽中通过螺栓连接。

5.根据权利要求4所述的亥姆霍兹共振效应与文丘里效应复合的降噪换能装置，其特征在于，每层声能发电降噪板的正面和背面设置有定位槽和定位板，定位槽自声能发电降噪板的顶面向下开设，定位板自声能发电降噪板的底面向下延伸，上一声能发电降噪板的定位板插入下一声能发电降噪板的定位槽中。

6.根据权利要求5所述的亥姆霍兹共振效应与文丘里效应复合的降噪换能装置，其特征在于，定位板的侧面设置有定位销，定位槽上设置有与定位销对应的销槽。

7.根据权利要求6所述的亥姆霍兹共振效应与文丘里效应复合的降噪换能装置，其特征在于，定位板和定位槽上设置有螺栓孔Ⅱ，定位板和定位槽通过螺栓连接。

8.根据权利要求7所述的亥姆霍兹共振效应与文丘里效应复合的降噪换能装置，其特征在于，声能发电降噪板顶面的开口上设置凹台，压电片放置在凹台中，压电片上放置有密封圈，上一声能发电降噪板压紧下一声能发电降噪板的密封圈。

9.根据权利要求8所述的亥姆霍兹共振效应与文丘里效应复合的降噪换能装置，其特征在于，还包括设置在最上方声能发电降噪板上方的顶盖以及设置在最下方声能发电降噪板下方的底板；

所述顶盖上设置有与连接槽对应的顶盖连接块以及与定位槽对应的顶盖定位板，顶盖连接块插入最上方声能发电降噪板的连接槽中通过螺栓连接，顶盖定位板插入最上方声能发电降噪板的定位槽中通过螺栓连接；

所述底板为底面平整的声能发电降噪板。

10.一种亥姆霍兹共振效应与文丘里效应复合的降噪换能方法，其特征在于，将权利要求1-9任一项所述亥姆霍兹共振效应与文丘里效应复合的降噪换能装置中的压电片与外部电路相接；

根据亥姆霍兹共振效应，当入射噪声与亥姆霍兹共振器的固有频率一致时，声波通过颈部压迫亥姆霍兹共振腔内气体发生压缩膨胀往复变形，从而引起压电片发生拉伸压缩往复运动，由于压电效应，会在压电片表面产生交变电荷，将压电片经过串联和并联，并对电流信号进行整流变换后，形成直流电，实现噪声的声能到电能的转换，同时实现了噪声抑制；

根据文丘里效应，受限流动在通过缩小的过流断面时，流体出现流速增大现象，并且由伯努力定律可知流速的增大伴随着流体压力的降低，气流由文丘里通道的入口段进入喉口，会产生高速流动，在高速流动的流体附近会产生低压，从而产生吸附作用，由于喉口与亥姆霍兹共振器相连接，亥姆霍兹共振器压力低于环境压强，导致压电片发生变形，由于压电效应会在压电片表面产生电荷，将压电片经过串联和/或并联，并对电流信号进行整流变换后，形成直流电，实现流体的动能到电能的转换；

当环境中同时具有噪声和气流时，上述两种效应同时起作用。

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