CN113014142B - 一种用于大排量发动机进气口的降噪发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于大排量发动机进气口的降噪发电装置，包括亥姆霍兹共鸣腔、压电陶瓷换能器和整流稳压电路；亥姆霍兹共鸣腔连接至发动机空滤器的进气管道上，收集进气口噪声，使腔体发生共振，消耗噪声污染的能量；压电陶瓷换能器由支架和双晶复合压电陶瓷组成，置于上述共鸣腔薄板上，通过振动传导驱动压电陶瓷发电，实现机械能‑电能转换；整流稳压电路将上述压电陶瓷的输出电能整流为稳压直流电并为负载供能。本发明能在降低进气口噪声的同时，利用噪声发电给发动机传感器供能，达到节能减排的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种降噪发电装置领域，特别涉及一种用于大排量发动机进气口的新型降噪发电装置。
背景技术
城市噪声主要来源于道路交通噪声和建筑施工噪声，伴随着城市化建设、交通的快速发展和人们环保节能意识的加强，大型器械以及大型商用车辆运行产生的噪声污染问题和节能问题越来越引起人们的关注。
此外，目前发动机上配备的传感器，如空气流量传感器(MAF)、节气门位置传感器(TPS)、进气温度传感器(MAT)、氧传感器等都是依靠电瓶供电或者ECU供电，存在着线路老化导致反应延迟等问题，存在一定的安全隐患，无法达到实时监控发动机参数变化，进而利用车载ECU进一步控制发动机工作状态的目的。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种用于大排量发动机进气口的新型降噪发电装置，可以解决商用车或大型器械进气口的噪声污染问题和满足环保节能的需求。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于大排量发动机进气口的新型降噪发电装置，该装置主要包括亥姆霍兹共鸣腔、压电陶瓷换能器和整流稳压电路；所述亥姆霍兹共鸣腔包括入口管道、弹性薄板和共鸣腔体；所述入口管道与共鸣腔体连接；弹性薄板固定于共鸣腔体的顶部；所述入口管道用于将噪声引入腔体；所述共鸣腔体会在声波的作用下产生共振现象，共振现象能够显著地增加系统的振动幅度；所述弹性薄板用于带动压电陶瓷换能器的振动。所述亥姆霍兹共鸣腔用于实现共振，所述压电陶瓷换能器包括马蹄形支架、压电陶瓷、悬臂梁和质量块；所述马蹄形支架连接悬臂梁和弹性薄板；所述悬臂梁与压电陶瓷固定连接；所述质量块固定于悬臂梁的末端，用于控制振动频率；所述压电陶瓷换能器用于将振动能量转化为电能。所述整流稳压电路包括桥式整流电路、稳压电容和电源管理电路；所述桥式整流电路与稳压电容、电源管理电路并联。所述桥式整流电路用于将正弦交流信号转化为直流信号；所述稳压电容用于抑制纹波；所述电源管理电路用于保持稳压输出。所述整流稳压电路，用于整流和稳压，
进一步地，所述亥姆霍兹共鸣腔中的入口管道优选为圆柱形管道，用于传导声音。
进一步地，所述亥姆霍兹共鸣腔中的共鸣腔体形状优选为圆角立方体。
进一步地，所述马蹄形支架为专用弹性支架，在不消耗振动能量的前提下，尽可能提高支架的弹性，能更好的利用振动能量；所述马蹄形支架的弯曲部分优选为镂空结构；所述悬臂梁扇形分布于马蹄形支架的上部。
进一步地，所述压电陶瓷换能器中的压电陶瓷优选锆钛酸铅压电陶瓷PZT-5H，用于振动发电，采用双晶结构固定在悬臂梁的两面。
进一步地，所述压电陶瓷换能器选用二阶振型搭建，改变所述压电陶瓷换能器末端的质量块的尺寸与位置，将其二阶谐振频率调整为与亥姆霍兹共鸣腔的固有频率一致，发生共振。
进一步地，所述桥式整流电路使用硅-金属交界处多数载流子传导的肖特基二极管1N5819。
进一步地，所述稳压电容优选电解电容作为稳压电容，抑制纹波的出现，同时存储少量能量，用于临时电能供给。
进一步地，所述电源管理电路优选LTC3588-1电源管理芯片为核心。
本发明的有益效果如下：
1)本发明应用场景广泛，适用于一切以大排量传统能源发动机为动力源的大型机械上；由于共鸣腔被设计为一个固定的频率共振，因此通过共振对于特定频率的噪声声波有较强的吸收作用，而其他频率的噪声声波虽然无法共振，但是也有明显的削弱作用，集噪声能量利用和降噪功能于一体。
2)针对发电后储存电能方式存在的问题。本发明选择将电能经过稳压后直接用于为负载传感器供能，一方面避免了储能电压过高导致压电陶瓷的逆压电性；另一方面满足了现实中发动机传感器随发动机共同开关机，且不需要额外电池供电的需求。
附图说明
图1为本发明的装置工作路线图；
图2为亥姆霍兹共鸣腔和压电陶瓷换能器的俯视图；
图3为亥姆霍兹共鸣腔和压电陶瓷换能器的主视图；
图4为亥姆霍兹共鸣腔和压电陶瓷换能器的左视图；
图5为压电陶瓷换能器的立体图；
图6为本发明的整流稳压电路图；
图7为本发明装置在系统中工作时的流程图；
图中，1.入口管道；2.弹性薄板；3.共鸣腔体；4.马蹄形支架；5.压电陶瓷；6.悬臂梁；7.质量块；8.桥式整流电路；9.稳压电容；10.电源管理电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施结构与实施方式做进一步详细的说明。
亥姆霍兹共鸣腔是一种声学共振系统，由于其特殊的构型，在振动消声领域有非常广泛的应用。这种共鸣器能够捕捉特定频率的声音，其原始形状是一种有着细颈或者小开口的容器，当管口处受到声波作用时，颈内的空气振动，而容器内的空气对其产生一定的恢复力，因此，这个共鸣器就是又颈内空气有效质量以及容器内的空气弹性组成的一维共振系统。
压电陶瓷在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应，具有敏感的特性；在各种换能器上有广泛的应用。因此，将亥姆霍兹共鸣腔和压电陶瓷结合，在降噪的同时将噪声污染中包含的能量转化为电能，用以给发动机传感器供能，具有重要的现实意义。
综上所述，本发明设计了一种用于大排量发动机进气口的新型降噪发电装置。
如图1所示，本发明提出的一种用于大排量发动机进气口的新型降噪发电装置，包括亥姆霍兹共鸣腔、压电陶瓷换能器和整流稳压电路模块；
如图2、图3和图4所示，所述亥姆霍兹共鸣腔和所述压电陶瓷换能器为一体化设计，首先利用声学原理，将所述压电陶瓷换能器看作是一个集中质量，分析带弹性壁的长方体共鸣器的等效集中参数理论模型，利用系统声阻抗，使得声阻抗虚部为零，便可得到系统的共振频率；由上述量，导出腔内声压和输入声压的传递函数：
式中，Pin是输入共鸣腔体的声压，Pout是共鸣腔体作用在弹性壁的声压。Zf为薄板力阻抗，Ziv为输入声阻抗，Cpv为腔体声顺。
利用上述方式获得对应频率的所述入口管道1和共鸣腔体3的尺寸：
利用上述的传递函数画出幅频特性曲线并得到峰值，峰值对应的频率就是共鸣腔体的固有频率。而上述的薄板力阻抗，输入声阻抗和腔体声顺都是由入口管道，弹性薄板，共鸣腔体的尺寸参数以及弹性薄板上方的质量所决定的。
首先分析腔体的声顺：
令腔体的体积为Vp，空气在20摄氏度时的密度为ρ1，以及一个标准大气压下声音在空气中传播的速度为Cv。则腔体声顺可以表示为：
其次分析薄板力阻抗的推导过程：
令方形弹性薄板的密度为ρ2，厚度为Th，边长为La。可得板振动的等效质量为：
进一步地，需要考虑弹性薄板上方支架，压电陶瓷片的质量对振动的影响，并将其集中为作用在弹性薄板中心的等效质量M0，则弹性薄板等效质量可以修正为：
进一步地，考虑弹性薄板振动产生的声辐射与共鸣腔体振动的耦合关系，令其归一化的辐射抗为Xr，并且令输入声波的角频率为ω，得到弹性薄板的声辐射质量：
令弹性薄板地弹性模量为E，泊松比为ε，可得弹性薄板的等效力顺：
弹性薄板是一个机械系统，考虑板振动的机械阻尼比为ξ，则其机械阻尼可以表示为：
进一步的，还需要考虑弹性薄板的辐射阻尼，令其归一化的辐射阻为Rr，则弹性薄板的辐射阻尼为：
R2＝2*La2*ρ1*Cv*Rr
经过上述的推导，可以得到薄板的力阻抗Zf：
最后分析输入声阻抗的推导过程：
令入口管道的长度为L，管口的半径为r，空气在20摄氏度以及一标准大气压下的粘滞系数为γ，可以得到短管的声阻和声质量：
弹性薄板的边长可以导出声-力转化的有效面积：
经过上述的推导，可以得到输入声阻抗：
因此，在确定了目标共振频率之后，便可以通过上述公式设计出共鸣腔体，入口管道以及弹性薄板的具体设计尺寸。
则共鸣腔体3能够捕捉特定频率的声音，当入口管道1处受到声波作用时，入口管道1内的空气振动，而共鸣腔体3内的空气对其产生一定的恢复力，共鸣腔体3与入口管道1内空气有效质量以及共鸣腔体3内的空气弹性组成的一维共振系统。上述频率的声波，与所述亥姆霍兹共鸣器本身的固有频率相同，所述亥姆霍兹共鸣器便会在声波的作用下产生共振现象，共振现象能够显著地增加所述弹性薄板2的振动幅度，弹性薄板2的振动会带动所述压电陶瓷换能器的振动。同时，亥姆霍兹共鸣器在振动时会消耗大量能量，使得声波的能量在传递的过程当中得到有效的减弱，起到一定的降噪作用，集噪声能量利用和降噪功能于一体。
所述压电陶瓷换能器的设计使用铁木辛柯梁理论，对原有的欧拉-伯努利梁进行了优化，选用振动最剧烈、汇聚电荷的效果最佳的二阶振型，搭建压电陶瓷换能器，通过改变所述压电陶瓷换能器末端的质量块的尺寸与位置，将其二阶谐振频率调整为与亥姆霍兹共鸣腔的固有频率一致，发生共振。
所述悬臂梁6与所述压电陶瓷5的设计采用双晶压电式结构，结构为上下两片锆钛酸铅压电陶瓷PZT-5H夹着一层黄铜片。末端放置一个黄铜质量块7，用于调节悬臂梁6的固有频率以及增加悬臂梁6振动的幅度，所使用材料参数如下表1所示：
表1材料参数表
| 材料 | 密度(kg/m^3) | 泊松比 | 弹性模量(Gpa) |
| 黄铜 | 8900 | 0.34 | 110 |
| 锆钛酸铅压电陶瓷PZT-5H | 7500 | 0.36 | 90 |
如图5所示，所述压电陶瓷换能器中的压电陶瓷5优选为锆钛酸铅压电陶瓷PZT-5H，上述陶瓷在工作状态下，应力与电场方向相互垂直，在陶瓷的上下两面聚集电荷，电荷量及电压由以下两个公式决定：
式中，Q为压电陶瓷5上下极面激发的电荷量，F为作用力，L为压电陶瓷5的长度，d31为压电常数，hp为压电陶瓷5单片厚度，V为压电陶瓷5上下极面形成的电压，
为压电陶瓷工作在d33-模式时常应力下的相对介电常数，ε0为真空介电常数，W为压电陶瓷5上下级面的宽度。
所述压电陶瓷换能器的共振频率能够通过改变所述质量块7的尺寸和位置实现按需调整，结合所述亥姆霍兹共振腔共振频率，使系统达到最大振幅。悬臂梁6扇形分布于马蹄形支架4的上部。一方面，对称的支架结构使得振动波能够同时到达对称放置的悬臂梁，并使悬臂梁按照相同的振动状态进行振动。当两个悬臂梁上的压电陶瓷同上同下弯曲时，所产生的电流也是同相位的，连接负载时能够使用并联来增大电流、串联增大电压或者串并联结合同时增大电流电压。另一方面，若设置3组悬臂梁，则可拥有三个不同的共振频率，根据大排量发动机的噪声频率调节质量块7的尺寸和位置，压电陶瓷换能器能够很好地降低噪音并回收能量。所述马蹄形支架4的下半部分采用镂空设计，一方面减轻所述压电陶瓷换能器质量，提高振动幅值。此外，不同悬臂梁6采用独立固定的方式，减少电荷逸散和多电源供电时的相位冲突。
如图6所示，所述整流稳压电路包括桥式整流电路8、稳压电容9、电源管理电路10；所述桥式整流电路8中的整流二极管选用1N5819型肖特基二极管，使用硅-金属交界处多数载流子导电，正向导通电压小，当所述压电陶瓷换能器输出正弦电压正半周时，D1导通D2、D3、D4均关闭，当所述压电陶瓷换能器输出正弦电压负半周时，D3导通D1、D2、D4均关闭，经过全波整流之后输出脉动直流电流；使用电容值为100uF，耐压50V的电解电容作为稳压电容9，抑制纹波的出现，同时存储一部分能量，用于发动机转速变化导致发电不稳定时的临时电能供给；
如图6所示，所述电源管理电路10的核心为LTC3588-1芯片，最大输入电压为18V，最大输入电流为±50mA，输出电压有4档，通过控制D0、D1端的高低电平实现控制；在本实施例中，D0、D1端均接地，输出3.3V电压。上述稳压电容的正极连接至LTC3588-1芯片的PZ1端口，将所述稳压电容9的负极连接至上述芯片的PZ2端口，Vin端连接1000uF电容后接地，CAP端连接10uF电容后接Vin端，SW端连接1mH的电感后接输出端，Vout端接输出端，Pgood端悬空，D1端接输出端，D0端接地，将输出设置为3.3V输出模式，输出端接负载，并联47uF滤波电容接地。
如图7所示，本发明的应用场景为放置于大排量发动机进气口的管道上，实现降噪和发电后为无线发动机传感器供能，上述传感器用于检测发动机进气参数变化，并将数据传回车载ECU，达到控制进气量与高压共轨电控喷油系统的目的。
Claims (9)
1.一种用于大排量发动机进气口的降噪发电装置，其特征在于，所述降噪发电装置包括亥姆霍兹共鸣腔、压电陶瓷换能器和整流稳压电路；所述亥姆霍兹共鸣腔包括入口管道（1）、弹性薄板（2）和共鸣腔体（3）；所述入口管道（1）与共鸣腔体（3）连接；共鸣腔体（3）中的一个面由弹性薄板（2）制成；所述压电陶瓷换能器包括马蹄形支架（4）、压电陶瓷（5）、悬臂梁（6）和质量块（7）；所述马蹄形支架（4）的一端与弹性薄板（2）固定连接，另一端与悬臂梁（6）的固定端连接；所述压电陶瓷（5）固定在悬臂梁（6）的两面；悬臂梁（6）的末端为自由端；所述质量块（7）固定于悬臂梁（6）的自由端；所述整流稳压电路包括桥式整流电路（8）、稳压电容（9）和电源管理电路（10）；所述桥式整流电路（8）与稳压电容（9）、电源管理电路（10）并联。
2.根据权利要求1所述的用于大排量发动机进气口的降噪发电装置，其特征在于，所述亥姆霍兹共鸣腔中的入口管道（1）为圆柱形管道。
3.根据权利要求1所述的用于大排量发动机进气口的降噪发电装置，其特征在于，所述亥姆霍兹共鸣腔中的共鸣腔体（3）形状为圆角立方体。
4.根据权利要求1所述的用于大排量发动机进气口的降噪发电装置，其特征在于，所述压电陶瓷换能器中的马蹄形支架（4）的弯曲部分为镂空结构；所述悬臂梁（6）扇形分布于马蹄形支架（4）的上部。
5.根据权利要求1所述的用于大排量发动机进气口的降噪发电装置，其特征在于，所述压电陶瓷换能器中的压电陶瓷（5）锆钛酸铅压电陶瓷PZT-5H，采用双晶结构固定在悬臂梁（6）的两面。
6.根据权利要求1所述的用于大排量发动机进气口的降噪发电装置，其特征在于，所述压电陶瓷换能器选用二阶振型搭建，改变所述压电陶瓷换能器末端的质量块的尺寸与位置，将其二阶谐振频率调整为与亥姆霍兹共鸣腔的固有频率一致，发生共振。
7.根据权利要求1所述的用于大排量发动机进气口的降噪发电装置，其特征在于，所述整流稳压电路中的桥式整流电路（8）为硅-金属交界处多数载流子传导的肖特基二极管1N5819。
8.根据权利要求1所述的用于大排量发动机进气口的降噪发电装置，其特征在于，所述稳压电容为电解电容。
9.根据权利要求1所述的用于大排量发动机进气口的降噪发电装置，其特征在于，所述整流稳压电路中的电源管理电路（10）以LTC3588-1电源管理芯片为核心。
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