CN113162474A - 一种噪声发电装置及其发电方法 - Google Patents

Abstract

一种噪声发电装置及其发电方法，噪声发电装置包括降噪发电部分和控制部分，降噪发电部分包括依次从前至后设置的防护聚声层、亥姆霍兹共振层、旋转式复合弹性薄膜压电层和宽频吸声降噪层，控制部分包括控制器、步进电机、频谱传感器、能量收集储能元件，控制器分别与步进电机、频谱传感器和能量收集储能元件连接，频谱传感器设置在亥姆霍兹共振层与旋转式复合弹性薄膜压电层之间，旋转式复合弹性薄膜压电层分别与步进电机、能量收集储能元件连接。本发明的噪声发电装置利用声能来产生电能，使得降噪的同时，实现能源的再利用，模块化的设计理念使得所产电能具有实际应用价值，再经过能量的收集及储存系统，可实现对负载的供电。

Description

一种噪声发电装置及其发电方法

技术领域

本发明特别涉及一种噪声发电装置及其发电方法。

背景技术

噪声作为一种常见的环境污染因素，对人们的生产环境及身体健康都有着严重的影响。世界卫生组织研究表明，当噪声污染超过45分贝时，人的正常睡眠就会受到干扰，而持续生活在70分贝以上的噪声环境中，人的听力及身体健康会遭受严重损伤.甚至周围的植物和建筑也会受到噪声冲击受到一定损伤，若在80分贝以上的噪声环境中生活，造成耳聋者的概率可达50％，生态环境遭到严重破坏。而轨道交通、大型工厂附近、城市主干道沿线产生的噪声均超过90分贝！

噪声是一种环境污染，更本质的说是一种能量污染，可同时，噪声也是一种容易被忽视的可再生能源，如果将噪声转换成可利用的能源，那就是一举两得！市面上大多声屏障只能实现降噪功能，少数已具备发电能力，但对于不同的噪声环境，只能人为调节，仍存在许多的不便。

在应对城市当中噪声污染进行控制的过程当中，最早出现的技术是定位监测。早在20世纪80年代，德国部分地区就在企业当中安装了一些噪声定位监测仪，对于各个企业在市场生产活动当中产生的噪声进行监测，一旦超过相关标准将对企业采取相关措施。当今这种技术依然有着很大的使用价值，对于一些拥有大型工业园区的城市，该项技术应用可以为工业园区的噪声污染监测提供很好的帮助。法国研究人员在2011年开发出一种充电T恤衫,它可以在噪声环境下发电,为用户的随身小电器充电。该发明在充电T恤衫的腹部位置安装有一张白色纸片样的压电薄膜，其大小和A4打印纸差不多。

国内对此也迅速展开了研究，在2013年和2015年先后研究出新型的噪音发电机和一种利用噪声发电的路灯，设计新颖度独特，将噪声转化为电能，是噪声得到充分的利用，实现了资源的合理利用，能有效缓解能源危机，低碳环保，实用性强，应用前景广阔。

声能发电系统是由声能收集装置和换能器两部分组成，根据换能器的不同种类将声能发电装置主要分为压电式、电磁式两种形式。目前声能发电装置处于研究阶段，其发电效率较低。影响发电系统性能的因素主要为：换能器声电转换效率限制了声能发电装置发电效率的提高；声能发电装置的集成化水平较低，不利于系统效率的提高；现有的加工工艺在一定程度上也影响发电效率。因此提高加工工艺，对系统单项参数和对系统整体优化，拓宽系统带宽、大概率、低压驱动、微型化、集成化是当前的发展方向。声能发电技术作为一种新的发电技术将为可再生能源发电技术的创新和突破提供理论基础和技术储备。

随着世界人口的迅速增长、经济的发展，人们对能源的需求也日益增加，新能源的挖掘开发成为当前人类迫切需要解决的问题，而与此同时城市化进程的推进，噪声污染已成为4大环境污染(噪声污染、水污染、大气污染、固体废物污染)之一，利用噪声发电，为新能源的挖掘提供新思路，其深具发展前景，具体原因如下：

1、国家政策：随着经济的发展、社会化进程的推进，全球气候问题日益突出，能源的使用日益增加，世界能源供需格局时刻发生着变化，人类对新能源的开发研究迫在眉睫。我国政策导向为鼓励节约能源、使用绿色能源。“噪声”一直存在于我们的各种生活场景中，取之容易，若通过装置加以利用，变废为宝，当之为“绿色能源”不足为过，如此能为有效缓解能源问题提供思路；

2、社会需求：响应国家城市化进程的推进，各地居民区、工业区及商业区的重新规划、完善正如火如荼地进行着，伴随着的是不可忽视的噪声的产生，如何有效地“去噪”或是“利用噪声”成为一大商机；

3、技术优势：利用噪声发电具有无源环保、结构简单、新型实用等许多优点，随着各相关技术的逐渐完善，未来的消费市场将会持续向好发展。

目前，市面上对噪声污染的资源化利用少之又少，或是技术不到位使用户无法明显感知噪声发电的实际效率，或是成本太高造成用户无法承担。

噪声污染的资源化利用尚不普遍，但是噪声污染又存在于绝大多数人的生活中，大多数人对其发展持乐观与支持态度，并希望相关产品早日投入市场。基于此本项目进一步通过调研了解使用者对于“噪声发电”装置使用地点等产品市场应用前景的想法。

在噪声污染资源化利用发展前期成本或许会是一个较大的问题，且由于其相关产品的不确定性可能会与用户的需求产生一定的偏差，但是由于噪声污染的某些不可控性以及人们对生活质量的追求，噪声污染的资源化利用将被大众接受。

以下是关于新型降噪发电装置使用情况与前景分析调查问卷：

市场调查数据解析(100份，学生、企业在职人员、自由职业者、公务员、其他)

1.您的性别：[单选题][必答题]

A.男

B.女

2.您的年龄是：[单选题][必答题]

A.18岁以下

B.19-25岁

C.26-40岁

D.41岁以上

3.您的职业是：[单选题][必答题]

A.学生

B.企业在职人员

C.自由职业者

D.公务员

E.其他

4.您所生活环境中是否有噪声嘈杂所带来的困扰：[单选题][必答题]

A.没有

B.偶尔有

C.经常有但影响较小

D.经常有且难以忍受

5.您是否听说过利用噪声发电的概念：[单选题][必答题]

A.听过

B.没有

6.您觉得在哪里适合安置降噪发电装置？：[多选题][必答题]

A.车站、机场

B.大型菜市场

C.建筑施工地

D.娱乐场所(如：KTV游乐场等)

E.学校

F.其他

7.未来，假如您正装修新家，是否会考虑价格适中的墙面隔声发电材料，以避免受外界噪声干扰？：[单选题][必答题]

A.追求高品质的生活，肯定会的

B.若住房周围较嘈杂，会考虑

C.无论如何，都不会考虑

D.其他

8.未来，假如您正新建一座工厂，是否愿意采用墙面降噪发电材料，来改善重噪声车间的工作环境？：[单选题][必答题]

A.非常愿意，环保又经济

B.有意向，但还需考虑成本问题

C.无论如何，都不愿意

D.其他

9.您心目中对“新型降噪发电装置”功能的期望:[多选题][必答题]

A.对降噪有一定效果即可

B.能产生可观电能即可，对降噪期望不高

C.能明显降噪且产生可观电能

D.产品新颖，纯属图个新鲜

10.您认为“新型降噪发电装置”的优点在于:[多选题][必答题]

A.可缓解噪声过大带来的压力

B.无耗环保，可持续产生电能

C.智能便利，可随环境自动调档

D.产品新颖，比较符合年轻人的口味

E.其他

11.您是否看好“新型降噪发电装置”的发展前景：[单选题][必答题]

A.看好

B.一般

C.不看好

D.不甚了解

12.您对“新型降噪发电装置”还有什么看法？[填空题][选答题]

问卷调查结果：

(1)通过题目(4)、(5)调查得知高达88.31％的调查对象或多或少都有噪声嘈杂所带来的困扰，而仅36.36％的调查对象听说过“噪声发电”的概念；

(2)通过题目(6)调查得知81.82％的调查对象觉得降噪发电装置适合安在车站、机场；74.03％的调查对象觉得降噪发电装置适合安在机场大型菜市场；81.82％的调查对象觉得降噪发电装置适合安在建筑施工地；74.03％的调查对象觉得降噪发电装置适合安在娱乐场所(如KTV游乐场等)；22.08％的调查对象觉得降噪发电装置适合安在学校；11.69％的调查对象觉得降噪发电装置适合安在其他地方；

(3)通过题目(7)调查得知33.77％的调查对象在装修新家，为追求高品质生活会考虑价格适中的墙面隔声发电材料,以避免受外界噪声干扰；63.64％的调查对象在装修新家，若住房周围比较嘈杂会考虑价格适中的墙面隔声发电材料,以避免受外界噪声干扰；2.6％的调查对象在装修新家，无论如何都不会考虑价格适中的墙面隔声发电材料；

(4)通过题目(8)调查得知33.77％的调查对象在新建一座工厂，非常愿意采用墙面降噪发电材料,如此环保又经济以改善重噪声车间的工作环境；64.94％的调查对象在新建一座工厂，有意向，但还需考虑成本问题以采用墙面降噪发电材料,改善重噪声车间的工作环境；1.3％的调查对象在新建一座工厂，无论如何都不愿意采用墙面降噪发电材料；

(5)通过题目(9)调查得知48.05％的调查对象心目中期望“新型降噪发电装置”对降噪有一定效果即可；27.27％的调查对象心目中期望“新型降噪发电装置”能产生可观电能即可，对降噪期望不高；67.53％的调查对象心目中期望“新型降噪发电装置”能明显降噪且产生可观电能；3.9％的调查对象心目中期望“新型降噪发电装置”产品新颖，纯属图个新鲜；

(6)通过题目(10)调查得知79.22％的调查对象认为“新型降噪发电装置”的优点在于可缓解噪声过大带来的压力；72.73％的调查对象认为“新型降噪发电装置”的优点在于无耗环保，可持续产生电能；57.14％的调查对象认为“新型降噪发电装置”的优点在于智能便利，可随环境自动调档；35.06％的调查对象认为“新型降噪发电装置”的优点在于产品新颖，比较符合年轻人的口味；5.19％的调查对象认为“新型降噪发电装置”的优点在于除以上内容的其他；

(7)通过题目(11)调查得知55.84％的调查对象看好“新型降噪发电装置”的发展前景；41.56％的调查对象对“新型降噪发电装置”发展前景觉得一般；1.3％的调查对象不看好“新型降噪发电装置”的发展前景；1.3％的调查对象不甚了解“新型降噪发电装置”的发展前景。

结果分析

(1)由数据解析(1)可知，大多数人在生活中都有受到噪声所带来的困扰，但是大部分都没有听说过“噪声发电”这个概念；

(2)由数据解析(2)可知，车站、机场、大型菜市场、建筑施工地、娱乐场所(如KTV游乐场等)、学校等地方人流量大的地方更需要安装基于噪声发电的装置，可以更好地减少噪声对人们生活的干扰；

(3)由数据解析(3)、(4)可知，大多数人在生活中为追求高品质生活，避免受到外界噪声干扰和自身干扰到外界，愿在装修新家、建造工厂时考虑选择价格适中的墙面隔声发电材料；

(4)由数据解析(5)可知，大多数人期望“新型降噪发电装置”能明显降噪且产生可观电能，故而装置的发展应该在用户体验上下功夫，提高其性价比；

(5)由数据解析(6)可知，基于现阶段人们对于“噪声发电”的理解，期待“新型降噪发电装置”具有可缓解噪声过大带来的压力、无耗环保，可持续产生电能、智能便利，可随环境自动调档、产品新颖，比较符合年轻人的口味等优点；

(6)由数据解析(7)可知，目前我国基于噪声发电的装置需求量大，随着物联网、云计算产业的蓬勃发展，基于噪声发电的装置势必将备受瞩目。

因此，有必要做进一步改进。

发明内容

本发明旨在提供一种结构简单、发电效率高、降噪效果好、节能环保、实用性强的噪声发电装置及其发电方法，以克服现有技术中的不足之处。

按此目的设计的一种噪声发电装置，包括降噪发电部分和控制部分，其特征在于：所述降噪发电部分包括依次从前至后设置的防护聚声层、亥姆霍兹共振层、旋转式复合弹性薄膜压电层和宽频吸声降噪层，控制部分包括控制器、步进电机、频谱传感器、能量收集储能元件，所述控制器分别与步进电机、频谱传感器和能量收集储能元件连接，频谱传感器设置在亥姆霍兹共振层与旋转式复合弹性薄膜压电层之间，旋转式复合弹性薄膜压电层分别与步进电机、能量收集储能元件连接，步进电机的输出轴连接有齿轮；发电装置工作时，噪声依次通过防护聚声层、亥姆霍兹共振层、旋转式复合弹性薄膜压电层和宽频吸声降噪层，步进电机驱动齿轮转动并通过控制器控制转动角度、并配合旋转式复合弹性薄膜压电层将噪声转化成电能，电能通过能量收集储能元件输出。

所述防护聚声层上设有若干锥形管，锥形管的截面沿轴向从前至后逐渐变小，且锥形管呈喇叭状。

所述亥姆霍兹共振层上设置有若干通孔，通孔呈矩阵排列，通孔为亥姆霍兹共鸣器的颈部。

所述旋转式复合弹性薄膜压电层与通孔及二者之间的腔体空间共同构成了共鸣腔，旋转式复合弹性薄膜压电层位于共鸣腔的尾部。

所述宽频吸声降噪层主要由矿棉半硬板和超细玻璃棉组成，宽频吸声降噪层呈纤维状或海绵状。

所述防护聚声层、亥姆霍兹共振层、旋转式复合弹性薄膜压电层和宽频吸声降噪层的整体结构板材为FR-4玻璃纤维绝缘板材。

所述控制器为单片机，频谱传感器为JHM-NF-18音频频谱传感器，步进电机为28BYJ-48-5V型步进电机。

所述复合弹性薄膜由三片PZT-5A压电薄膜连接而成，复合弹性薄膜呈Y形。

所述能量收集储能元件至少包括用于储能收集的超级电容。

按此目的设计的一种噪声发电装置的发电方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)、通过频谱传感器采集环境音频信号并计算出频谱幅值，由单片机处理数据，筛选出最大幅值所对应的频率，设定两个标准值，根据所筛频率所在的区间来控制小齿轮的转动角度，以调节共鸣腔内的复合弹性薄膜的转动角度；

2)、复合弹性薄膜受迫振动使得发生弹性形变产生电流，经能量收集储能元件收集及存储处理后连续输出电能；

3)、剩余的噪声通过旋转式复合弹性薄膜压电层后，由宽频吸声降噪层吸收。

本发明的噪声发电装置利用声能来产生电能，使得降噪的同时，实现能源的再利用，装置的核心元件为频谱传感器、压电振子模块、单片机等，实现自动适应环境中不同频段噪声的目的，更加智能化，模块化的设计理念使得所产电能具有实际应用价值，再经过能量的收集及储存系统，可实现对负载的供电，同时装置的特殊构造会使噪声完成三次衰减过程，既保障了降噪效果，也提高了声电转换效率；该装置符合节能减排的思想，其环境的可适性，亲民的价格，必将拥有广阔的使用前景。

附图说明

图1为本发明一实施例中噪声发电装置的结构原理简图。

图2为本发明一实施例中降噪发电部分的分解结构示意图。

图3为本发明一实施例中共鸣腔的整体结构示意图。

图4为本发明一实施例中锥形管的整体结构示意图。

图5为本发明一实施例中复合弹性薄膜的整体结构示意图。

图6为本发明一实施例中步进电机的整体结构示意图。

图7为本发明一实施例中频谱传感器的整体结构示意图。

图8和图9为本发明一实施例中不同种类的PZT-5A压电薄膜的整体结构示意图。

图10为本发明一实施例中腔体空间的整体结构示意图。

图11为本发明一实施例中超级电容的整体结构示意图。

图12为本发明一实施例中超级电容的内部结构示意图。

图13和图14为本发明一实施例中FR-4玻璃纤维绝缘板材不同方位的整体结构示意图。

图15为本发明一实施例中单片机的结构示意图。

图16为本发明一实施例中LTC4071芯片的结构示意图。

图17为本发明一实施例中LTC3588芯片的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

参见图1-图16，本噪声发电装置，包括降噪发电部分和控制部分，降噪发电部分包括依次从前至后设置的防护聚声层1、亥姆霍兹共振层2、旋转式复合弹性薄膜压电层3和宽频吸声降噪层4，控制部分包括控制器、步进电机5、频谱传感器6、能量收集储能元件7，控制器分别与步进电机5、频谱传感器6和能量收集储能元件7连接，频谱传感器6设置在亥姆霍兹共振层2与旋转式复合弹性薄膜压电层3之间，旋转式复合弹性薄膜压电层3分别与步进电机5、能量收集储能元件7连接，步进电机5的输出轴连接有齿轮；发电装置工作时，噪声依次通过防护聚声层1、亥姆霍兹共振层2、旋转式复合弹性薄膜压电层3和宽频吸声降噪层4，步进电机5驱动齿轮转动并通过控制器控制转动角度、并配合旋转式复合弹性薄膜压电层3将噪声转化成电能，电能通过能量收集储能元件7输出，实现发电。噪声发电的声电转化机理：声音作用于压电材料而产生电流，如果再用亥姆霍兹共鸣器收集并集中声音，产生的能量量级便具备了实用价值，例如将产生的电能为低功耗设备供能。本噪声发电装置的新型设计，不仅符合当今社会所倡导的节能减排的理念，而且节省了用户的其他用电器的耗电用费，既满足了人们对高质量生活的追求，也对今后为降低噪声的技术努力方向有益，且本噪声发电装置致力于同时实现降噪与发电，且可根据声环境的不同，自动调节压电薄膜，以提高对声能的利用率，大大扩大了装置的应用范围。

防护聚声层1上设有若干锥形管1.1，锥形管1.1的截面沿轴向从前至后逐渐变小，且锥形管1.1呈喇叭状。防护聚声层1的主要作用为：防止户外使用时灰尘及雨水进入内部装置及集中噪声，若用户需求为室内使用，可自行选择是否配备，装置首次使用圆锥状防护聚声块，其前大后小的喇叭状结构可以最大限度地集中噪声，锥形结构的截面沿轴向逐渐变化，声波在传播过程中会产生高阶非平面波声模态，使得锥形管1.1内的声音以更接近球面波的形式传播，相比于平面波，球面波的形式传播时反射波的声功率更大，故提高了声能利用率。

亥姆霍兹共振层2上设置有若干通孔2.1，通孔2.1呈矩阵排列，通孔2.1为亥姆霍兹共鸣器的颈部。因共振器的原始颈部变成了多个较小的声导管，故能显著解决传统材料在低中频声音吸收方面的效率差和带宽窄的问题，提高吸声性能。采用的矩阵排列的通孔2.1构成的穿孔板，实现多个亥姆霍兹共鸣器的并联，起到放大电压的效果，噪声通过声导管时部分噪声被损耗，完成第一次降噪过程，选择圆柱形腔体(腔体空间19)作为共鸣腔，特定噪声通过导管在亥姆霍兹共鸣腔内发生共振,非特定频段噪声在共鸣腔内声压被放大。

旋转式复合弹性薄膜压电层3与通孔2.1及二者之间的腔体空间19(腔体空间19外部为矩形体，内部有空心圆柱腔，矩形体推荐采用正方体，这样更节省材料，噪声从通孔2.1出来后，通过空心圆柱腔，然后进入旋转式复合弹性薄膜压电层3的三片PZT-5A压电薄膜，噪声进入PZT-5A压电薄膜后，每次由两片薄膜参与作用，三片PZT-5A压电薄膜分别对应标准、低频、高频，所以三种情况分别对应低频环境、高频环境和起伏较大的环境，且三片PZT-5A压电薄膜夹角为120度，每次保证两片薄膜呈V形接收声波，另一片所产生的压电效应相比之下偏低，压电薄膜垂直声波会使压电效应更明显，而平行声波入射方向会使得压电效应不明显，用步进电机5控制旋转，完成旋转这个过程之后最终的情况也只有三种，即三片PZT-5A压电薄膜中的两片呈V形正对前方。)共同构成了共鸣腔3.1，旋转式复合弹性薄膜压电层3位于共鸣腔3.1的尾部。在亥姆霍兹共鸣器的基础上，将共鸣腔的刚性背板，用可旋转的Y形复合弹性薄膜8替代，三类针对不同频率段的薄膜能提高对声能的利用率，适应于高频、低频、频率起伏大的噪声环境，由步进电机5控制微型齿轮的转动角度，共振和声压振动引起旋转式复合弹性薄膜压电层3上的悬臂梁及振子18往复振动，完成第二次降噪过程的同时，PZT-5A压电薄膜发生弹性形变产生电流(振子18具有一定质量，受到声波作用会振动，使得压电薄膜形变更大，且振子18可以降低谐振频率，以适应低频工作环境。)，汇入整流芯片并向外输出稳定电流给超级电容10充电，同时用电器和超级电容10保持并联浮充状态，以保证供电稳定性，发电单元采用矩阵排列，使各个单元原本无法使用的微小电流聚集放大从而使其具有使用价值。

宽频吸声降噪层4主要由矿棉半硬板和超细玻璃棉组成，宽频吸声降噪层4呈纤维状或海绵状。结合本装置的工作特点，到达尾部的主要为声波具有宽频带特性，因此结合矿棉半硬板及超细玻璃棉，两种材料一同构成吸声降噪层，实现宽频带的吸声效能，最大限度地减少噪声的排放。

防护聚声层1、亥姆霍兹共振层2、旋转式复合弹性薄膜压电层3和宽频吸声降噪层4的整体结构板材为FR-4玻璃纤维绝缘板材。FR-4玻璃纤维绝缘板材由玻璃纤维材料和高耐热性的复合材料合成,不含对人体有害石棉成份，具有较高的机械性能和介电性能，较好的耐热性和耐潮性,有良好的加工性，应用非常广泛，具有吸音，隔声，隔热，环保，阻燃等特点。本噪声发电装置分为硬件设计部分和软件调试部分，硬件部分主要是降噪发电部分和芯片，圆锥状防护聚声层1及整体结构板材都采用FR-4玻璃纤维绝缘板材，具有较好隔音性，较高的机械性能，较好的耐热性和耐潮性，有良好的加工性且价格低廉，装置内部每一层包含许多结构与功能都相同小模块，组合在一起使装置的声电转换效率更高，同时扩大了与噪声的接触面，使得隔声吸声效果也更好，软件部分是基于单片机9的控制系统，利用keil开发环境c语言编程实现，用以筛选频率及控制小齿轮的旋转角度。另外，本噪声发电装置还包括保障装置正常工作的检测模块，以PC作为上位机控制部分，将装置分区域得出初始电量的总和，根据串口通讯技术以数据的形式反馈到用户的电脑上，用户可以通过总电脑进行故障判断，以52单片机作为下位机控制部分，一旦任何模块发生异常，都可以通过主机反映出来。

控制器为单片机9，参见图14，单片机9开发板采用的是89C52，89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用ATMEL公司CMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品，它的优势在于结合了CMOS的高速和高密度技术及CMOS的低功耗特征，基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统。

单片机STC89C52的功能特性：

频谱传感器6为JHM-NF-18音频频谱传感器，频谱传感器6能够对工业噪声的来源进行采集，它的外观小巧，使用方便灵活，能够检测到超过人耳接收的所有频率范围。现场声信号采集以4-20mA工业标准、RS-485(232、USB)输出，可作为一个全天侯实时监控现场噪声的监测单元，兼容用户噪声监测、控制(如：DCS等系统)而组成的精细噪声测量系统，是各类噪声源噪声定量分析、声源定位、噪声治理及声学研究的理想选择。JHM-NF-18噪声频谱传感器，采集环境的音频信号处理进行频域解析,计算出频谱幅值分布。铜制外壳，坚固防腐，适合各种恶劣的工业环境，身形小巧，易于安装系统组成，采样频率25.6KHz,128点采样,分辨率200Hz,输出31频点幅值，频点Fn＝n*200(0<n<32),单线RS232接口输出(38400.n.8.1)。传感器可扩展自产品牌modbus、IP\UDP、Wi-Fi、CAN等通讯模块。频谱传感器6需要外接电源供电，或用电池供电，或直接用该噪声发电装置所产生电能供电。

JHM-NF-18音频频谱传感器的输出数据包格式：

步进电机5为28BYJ-48-5V型步进电机，可根据单片机9的指令，采用步进电机5控制小齿轮的旋转角度，实现根据环境自动调节压电薄膜材料的目的，步进电机5的工作原理：步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按系统需要的标准设定的方向转动一个固定的角度(即步进角)，通过控制脉冲个来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。本装置需要的运动速度不需要太快也不需要太慢，所以选取一个合适的速度即可。

28BYJ-48-5V型步进电机的参数特征：

复合弹性薄膜8由三片PZT-5A压电薄膜8.1连接而成，复合弹性薄膜8呈Y形，通过改变薄膜的尺寸和厚度可以改变压电薄膜频率常数，图5中所示三片叶子形状的是三种频率常数不同的压电薄膜。压电薄膜由于其独特的功能，被广泛的用于各种领域，PZT(锆钛酸铅)薄膜已经广泛地应用于光、电、热、声等高科技领域，尤其是在微电子和光电子领域有着广阔的应用前景，具有体积小、响应快、灵敏度高、对环境要求低的特点。PZT-5A压电薄膜8.1的功能特性：当入射声波通过压电材料时，压电材料会产生形变，其内部会产生极化现象，极化现象形成的极化电压促使压电材料中的自由电荷定向流动而产生电能。

与压电陶瓷和压电晶体相比，压电薄膜具有质量轻、高电压输出、高介电强度、声阻抗低、频响宽的特点，与AIN薄膜相比PZT薄膜具有更高的压电系数，能更有效地振动能转换为电能。

PZT-5A压电薄膜8.1的参数特征：

能量收集储能元件7至少包括用于储能收集的超级电容10。由于声音振动所产生的电压是比较微弱的，同时对于所产生的交流低电压必须进行小功率直流稳压电源的设计，故要设计能量转换及收集系统，根据相关的供电要求及理论分析，选用芯片：LTC4071，LTC3588。除此之外，要保证需要使用能量时能连续输出，就需要在发电使用终端前加入储能收集，本装置采用超级电容10储能。如图15所示：LTC4071实现了从非常低电流、断续或连续充电电源对锂离子/锂聚合物电池的简单充电，该器件拥有一种接近于零电流的低电池电量闭锁断接功能，甚至可避免容量极低的电池发生深度放电及遭受潜在无法修复的损坏，凭借其低工作电流，LTC4071很适合于对能量收集应用中的低容量锂离子电池或薄膜电池进行充电，该器件的集成化电池热量查验器延长了电池的使用寿命并改善了可靠性。如图16所示：LTC3588-1集成了一个低损失全波桥式整流器和一个高效率降压型转换器，以造就一款专为高输出阻抗能源(例如：压电换能器)而优化的完整能量收集解决方案，一种具有一个宽迟滞窗口的超低静态电流欠压闭锁(UVLO)模式允许电荷在一个输入电容器上积聚，直到降压型转换器能够有效地将一部分存储电荷转移至输出为止，当处于调节模式时，LTC3588-1将进入一种睡眠状态(在该状态中，输入和输出静态电流都非常小)，降压型转换器根据需要接通和关断，以保持调节作用，可以选择合适大小的输出电容器来提供一个较高的输出电流脉冲。

如图11所示：超级电容10主要由金属外壳11、多层电极12和电解液13组成，多层电极12和电解液13位于外壳11内，外壳11的外部涂有外绝缘涂层14，内部涂有内绝缘涂层15，电极12的中心设有间隔膜16，外壳11由密封树脂17密封。超级电容10在经常进行充放电操作的场合用途甚大，是对环保能源的一种良好补充，能使电池、燃料电池或风能发电等供电方式更为完美，同时这种电容所用的制作材料也相当环保，价格部分也较为容易令人接受。

噪声发电装置的发电方法，包括以下步骤：

1)、通过频谱传感器6采集环境音频信号并计算出频谱幅值，由单片机9处理数据，筛选出最大幅值所对应的频率，设定两个标准值，根据所筛频率所在的区间来控制小齿轮的转动角度，以调节共鸣腔3.1内的复合弹性薄膜8的转动角度，实现自动适应环境中不同频段噪声的目的；

2)、在亥姆霍兹共鸣器的基础上，将共鸣腔的刚性背板，用压电薄膜替代，复合弹性薄膜8受迫振动使得发生弹性形变产生电流，由压电特性引发在无源条件下机械能到电能的转化，经能量收集储能元件7收集及存储处理后连续输出电能，实现无源发电的目的；

3)、剩余的噪声通过旋转式复合弹性薄膜压电层3后，由宽频吸声降噪层4吸收。装置背部设有由多种吸声材料制成的宽频降噪防护层4，能有效阻隔各频段噪声的传播途径，降低环境中的噪声的量级，使得最大限度地减少了噪声的外逸，实现降噪减排的目的。

本噪声发电装置具有以下优点：

1、价格低廉

由于组成简单所以研发和生产成本较低，装置的成本来源主要为频谱传感器、压电薄膜、整体结构板材，这些可以网上直接购买，且费用不是很高昂。

2、结构简单

模块化的设计理念，将装置龙骨、模块单元和内部结构均通过嵌套固定，平铺式的外观设计，使得装置的使用面积可根据用户需求自由调节，有效提高对空间和声音的利用率，装置内部采用发电核心单元矩阵排列的方式，以达到电能积少成多的效果，若某一部分出现故障，只需要更换相应部分即可；装置可拆卸、易操作的特点，拓宽了其应用范围。

3、智能化控制

不同的噪声环境，声音的主要频率段不同，为提高声电转换效率，首次引入了智能化控制，通过一系列的分析计算，装置可自动调节腔体内薄膜材料，以适应环境中不同频段噪声，这一方式，相比于现有的降噪发电屏障，具有巨大的竞争潜力及优势，极大地解放了人力，更加智能方便。

4、拓展性强

在社会生活和生产中，噪声源种类繁多，各类噪声所处的环境条件也有巨大差异，由于本装置可产生电能，故易于拓展许多附加功能，将发电于用电结合起来，形成成熟的一体化装置，适应于各类环境，使经济效益最大化，因地制宜，节省其他用电器的耗电成本。

本噪声发电装置产品的定位：

1、工业厂房区

随着城市人口和经济、社会活动的高度集中，大工业生产得到了蓬勃发展，而与此同时产生的噪声，也对人类生活构成了日益严重的潜在威胁，长期处于高分贝的噪声环境，不仅会危害工人的身心健康，而且污染周围的环境，极大可能会引发厂群矛盾。

工业噪声属于固定声源的噪声，基于这一特点，这类噪声经常性的会成为城市纠纷案件中的主要因素，而这也为本装置的应用提供了条件。在目前的工业生产中，操作工人与大部分的高噪声机器无法有效隔离开，声接触面积大，本装置平铺式的外观设计能满足不同规格厂房的需求，同时，本装置适合工业生产可能存在的多种噪声类型，将其置于工作环境中，能利用源源不断的声能量，转换为可供使用的电能，为工厂节省电费开支，还可有效缓解厂房内的噪声压力，改善工人们的工作环境。

2、休闲娱乐区

如今，各类休闲娱乐区遍布全国各地，随着人们对生活质量要求的提高，未来公共娱乐资源将会持续向好发展。游乐场、KTV、酒吧、广场舞区域等休闲娱乐场所，由于人群分布密集，吵闹地点固定，故本装置也可在此类场所中发挥作用，应用潜力巨大。

夜晚是许多人休闲的时间段，同时也成为了临近闹市区人们最头疼的时间段，现如今由广场舞扰民引起的不愉快事件越来越常见，但一直没有较好的解决方式，以至于成为了许多人的心头病。而应用本装置可以达到两全其美的效果，休闲者不必因为担心自己影响到他人而减低享受的满意度，周围居住者也不会再因噪声吵闹而烦心，且所产电能为来往行人提供便利，这种做法不仅使一大城市问题得到解决，且从长远的角度看，符合社会基础设施发展的趋势。KTV、酒吧等地是当今年轻人休闲的首选之地，而此类地点相对封闭，故也可成为本装置的应用场所，一举多得。

3、嘈杂住宅区

一个安静的家庭环境的重要性不言而喻，对于孩子的学习生活、老人身体健康、和谐的家庭氛围都有着莫大的潜在影响，长期居住在吵闹的环境下，会严重降低人们的幸福指数。而随着经济的发展和工业的进步，各种生产线的开工与大小型工程的实施，以及部分地区的城市规划不合理，住宅用地与工业用地分配不当，形成了巨大的声污染，有资料显示，居民对环境的控诉中噪声污染处于首位，由此可见该污染给居民带来了极大的影响。

本装置应运而生，可为有降噪需求的居民带去福音，本装置的组装方式简单，可在装潢中使用，操作简单。对于居住者来说，能否有效阻隔外来噪声是隔声材料的重要判断标准，而本装置因其智能灵活的特点，能主动利用环境中的噪声，故能给用户带来优秀的体验感。

4、道路交通区

交通干道的两侧与交汇处，是车流量最大、最密集的地方，若是遇到交通拥堵与交通事故，鸣笛的频率也会更加集中，造成的噪声也会更大。对于接近车站、港口、飞机场的住宅区，产生的噪声对居民的影响常常会是难以忍受的，从我们日常所用的交通工具来看，噪声的污染形成了陆海空这一全方位模式。

本装置也可用于室外使用，如在车流量较大的路段旁，飞机场附近的居民区旁此类地方，设立隔离带以阻隔噪声的传播途径。随着城市的进程化，本装置的应用前景也将十分广阔，为降低城市交通的噪声压力贡献力量。

上述为本发明的优选方案，显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种噪声发电装置，包括降噪发电部分和控制部分，其特征在于：所述降噪发电部分包括依次从前至后设置的防护聚声层(1)、亥姆霍兹共振层(2)、旋转式复合弹性薄膜压电层(3)和宽频吸声降噪层(4)，控制部分包括控制器、步进电机(5)、频谱传感器(6)、能量收集储能元件(7)，所述控制器分别与步进电机(5)、频谱传感器(6)和能量收集储能元件(7)连接，频谱传感器(6)设置在亥姆霍兹共振层(2)与旋转式复合弹性薄膜压电层(3)之间，旋转式复合弹性薄膜压电层(3)分别与步进电机(5)、能量收集储能元件(7)连接，步进电机(5)的输出轴连接有齿轮；发电装置工作时，噪声依次通过防护聚声层(1)、亥姆霍兹共振层(2)、旋转式复合弹性薄膜压电层(3)和宽频吸声降噪层(4)，步进电机(5)驱动齿轮转动并通过控制器控制转动角度、并配合旋转式复合弹性薄膜压电层(3)将噪声转化成电能，电能通过能量收集储能元件(7)输出。

2.根据权利要求1所述的噪声发电装置，其特征在于：所述防护聚声层(1)上设有若干锥形管(1.1)，锥形管(1.1)的截面沿轴向从前至后逐渐变小，且锥形管(1.1)呈喇叭状。

3.根据权利要求2所述的噪声发电装置，其特征在于：所述亥姆霍兹共振层(2)上设置有若干通孔(2.1)，通孔(2.1)呈矩阵排列，通孔(2.1)为亥姆霍兹共鸣器的颈部。

4.根据权利要求3所述的噪声发电装置，其特征在于：所述旋转式复合弹性薄膜压电层(3)与通孔(2.1)及二者之间的腔体空间(19)共同构成了共鸣腔(3.1)，旋转式复合弹性薄膜压电层(3)位于共鸣腔(3.1)的尾部。

5.根据权利要求4所述的噪声发电装置，其特征在于：所述宽频吸声降噪层(4)主要由矿棉半硬板和超细玻璃棉组成，宽频吸声降噪层(4)呈纤维状或海绵状。

6.根据权利要求5所述的噪声发电装置，其特征在于：所述防护聚声层(1)、亥姆霍兹共振层(2)、旋转式复合弹性薄膜压电层(3)和宽频吸声降噪层(4)的整体结构板材为FR-4玻璃纤维绝缘板材。

7.根据权利要求6所述的噪声发电装置，其特征在于：所述控制器为单片机(9)，频谱传感器(6)为JHM-NF-18音频频谱传感器，步进电机(5)为28BYJ-48-5V型步进电机。

8.根据权利要求7所述的噪声发电装置，其特征在于：所述复合弹性薄膜(8)由三片PZT-5A压电薄膜(8.1)连接而成，复合弹性薄膜(8)呈Y形。

9.根据权利要求8所述的噪声发电装置，其特征在于：所述能量收集储能元件(7)至少包括用于储能收集的超级电容(10)。

10.如权利要求9所述的噪声发电装置的发电方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)、通过频谱传感器(6)采集环境音频信号并计算出频谱幅值，由单片机(9)处理数据，筛选出最大幅值所对应的频率，设定两个标准值，根据所筛频率所在的区间来控制小齿轮的转动角度，以调节共鸣腔(3.1)内的复合弹性薄膜(8)的转动角度；

2)、复合弹性薄膜(8)受迫振动使得发生弹性形变产生电流，经能量收集储能元件(7)收集及存储处理后连续输出电能；

3)、剩余的噪声通过旋转式复合弹性薄膜压电层(3)后，由宽频吸声降噪层(4)吸收。

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