CN113193784B - 一种可用于大功率发动机排气管的多腔体消声发电阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于大功率发动机排气管的多腔体消声发电阵列，包括环形亥姆霍兹共鸣腔、排气管、出音管道、外壁、压电式发电装置；由圆周刚性板、两侧弹性薄板组成的环形亥姆霍兹共鸣腔嵌套在排气管上，排气管在排放发动机尾气产生排气噪声同时，出音管道将噪声从排气管引入环形亥姆霍兹共鸣腔，在正常工况排气噪声的声波频率下产生共振现象，共振现象能够显著地增加系统的振动幅度；弹性薄板带动由压电式陶瓷固支架、金属层、压电陶瓷组成的压电式发电装置振动，将振动能量转化为电能；外壁为压电式发电装置和环形亥姆霍兹共鸣腔提供保护。

Description

一种可用于大功率发动机排气管的多腔体消声发电阵列

技术领域

本发明涉及一种降噪发电装置领域，特别涉及一种可用于大功率发动机排气管的多腔体消声发电阵列。

背景技术

城市噪声的主要来源是道路交通噪声和建筑施工噪声，随着社会发展，城市大量的道路车辆、工程机械聚集，车辆及工程机械上的发动机运作时产生的噪声正日益成为一种不可忽视的污染，对人民的身心健康产生负面影响，与人民日益增加的美好生活需要矛盾。

而电能作为各型汽车的重要能源之一，为各类仪表和传感器等供能，目前主要依靠发动机转动来为汽车电瓶充电，但这必然会增加汽车的油耗。发动机排气管内蕴含巨大的能量，在化石能源不断紧缺的当下，对噪声的回收利用方面的研究尚少，因此本发明有重要的现实意义。

现阶段的技术主要通过给发动机配套进排气消声器来降低噪声，消声器的工作原理是利用装置共振来吸收噪声，减轻噪声污染。但是目前尚未有能高效结合降噪以及噪声能量回收的方案。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种可用于大功率发动机排气管的多腔体消声发电阵列，可以同时起到降低排气噪声和噪声能量回收利用的作用。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种可用于大功率发动机排气管的多腔体消声发电阵列，所述多腔体消声发电阵列包括排气管、外壁和若干个沿排气管排布的环形亥姆霍兹共鸣腔；每个环形亥姆霍兹共鸣腔内部包含上下分布的两个出音管道；所述排气管贯通所有的环形亥姆霍兹共鸣腔，且与所有出音管道相通；最外侧的两个环形亥姆霍兹共鸣腔在朝向阵列内侧的端面上分别安装有两个对称分布的压电式发电装置，其余每个环形亥姆霍兹共鸣腔左右两端各安装有两个对称分布的压电式发电装置，相邻两个环形亥姆霍兹共鸣腔间的压电式发电装置交错分布；所述外壁位于环形亥姆霍兹共鸣腔的外部。

进一步地，所述排气管优选直径80～100mm的管道，排气管由发动机排气口引出。

进一步地，所述环形亥姆霍兹共鸣腔优选为中空的圆角圆柱体，所有圆角圆柱体的中心线与排气管(1)的中心线重合；所述环形亥姆霍兹共鸣腔由圆周刚性板、两侧的弹性薄板组成；所述弹性薄板优选为304不锈钢弹性薄板；

进一步地，所述出音管道的外轮廓优选为指数型轮廓；所述出音管道均匀地分布于所述排气管上。

进一步地，压电式发电装置固定于环形亥姆霍兹共鸣腔的弹性薄板上；所述压电式发电装置包括若干个复合悬臂梁和压电陶瓷固支架；所述复合悬臂梁与压电陶瓷固支架连接；所述复合悬臂梁包括质量块、金属层、压电陶瓷；所述复合悬臂梁围绕排气管扇形分布；所述质量块安装在复合悬臂梁的末端；所述压电陶瓷与金属层连接；所述压电陶瓷固支架与环形亥姆霍兹共鸣腔连接。

进一步地，所述压电陶瓷固支架优选为U型支架；所述U型支架的弯曲部分优选为镂空结构。

进一步地，所述金属层优选为铜片；所述金属层与压电陶瓷边缘黏合连接；所述压电陶瓷优选锆钛酸铅压电陶瓷PZT-5H，且优选采用双晶结构将压电陶瓷固定在金属层的两面。

进一步地，所述压电式发电装置选用二阶振型搭建，以发生共振。

进一步地，所述外壁将上述环形亥姆霍兹共鸣腔和上述压电式发电装置全部包裹，优选采用两个半圆柱体进行拼接。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明应用场景广泛，适用于一切以传统能源发动机为动力源的大型机械上，包括各类传统燃油车、工程机械。

(2)压电式发电装置交错分布，结构更加紧凑。

(3)每一个环形共鸣腔都有设计确定的共振频率，一个多腔体消声发电阵列可以设计以满足在一定频率范围内获得共振的要求，使得对于工况变化时，消声发电阵列依旧能产生共振。通过共振，消声发电阵列能够对其设计频率范围的噪声起一个很好的吸收作用，同时完成了机械能-电能的转换，集噪声能量回收利用和降噪功能于一体。

附图说明

图1为本发明的正等轴侧图(隐藏了外壁2)；

图2为本发明的正视图；

图3为本发明的左视图(隐藏了外壁2)；

图4为本发明腔体之间四个支架交错布置形式示意图，其中图(A)是一侧弹性薄板上支架的布置形式图；图(B)是此侧支架的另一视角图；图(C)是其相对侧弹性薄板上支架的布置形式图；图(D)是相对侧支架的另一视角图；

图5为发电装置的俯视图；

图中，1.排气管；2.外壁；3.出音管道；4.发电装置；5.环形亥姆霍兹共鸣腔；6.弹性薄板；7.圆周刚性板；8.质量块；9.金属层；10.压电陶瓷；11.压电陶瓷固支架；12.复合悬臂梁。

具体实施方式

下面结合专利附图对本发明的具体结构和实施方式进行详细的说明。

亥姆霍兹共鸣器是一种经典的声学共振系统，其本质是声波能量引起空气运动，并在空腔中产生振动的现象。亥姆霍兹共鸣器可以简化为一种带有细长开口的空腔，开口颈部的长度、开口直径以及空腔的体积和形状共同决定了亥姆霍兹共鸣器的固有频率。这种共鸣器可以捕捉特定频率的声波：特定频率的声波从细长开口进入共鸣腔，如果声波的频率和共鸣器的固有频率相近，就会引发共振，共鸣器即得以捕捉该频率的声波。其本质是当共鸣器的管口受到声波能量的作用时，颈内的空气振动，而容器内的空气对其产生一定的恢复力，因此共鸣器可以等效为一个由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。由于其特殊的构型，亥姆霍兹共鸣器在消声领域有广泛的应用，将其和传声管道结合设计可以显著提高管道的传递损失，起到显著的降噪作用，并且对符合共鸣器固有频率的特定频率声波降噪效果最佳。

随着微机电系统(MEMS)的发展，压电陶瓷得到了广泛的应用。压电陶瓷具有成本低，机电耦合系数高的特点，尤其是锆钛酸铅压电陶瓷PZT-5H，其机电耦合系数可以达到0.4以上。压电陶瓷的正压电效应在于，其在机械应力的作用下，能够引起陶瓷内部正负电荷发生相对位移并极化，导致材料两端出现极性相反的电荷产生一定的电压。在各种微机电传感器以及换能系统当中都逐步显露出应用的价值。

因此，将亥姆霍兹共鸣器和压电陶瓷相结合，利用带振动薄板的共鸣器将声波的能量转化为振动，再由压电陶瓷将振动机械能转化为电能，由整流、稳压和储能电路提供给电器使用。最为显著的是，将其组成阵列安装在管道侧吸声，声波的能量进入共鸣腔引发振动的同时产生大量的能量耗散，对管道出口的声压级有明显的降低作用。

综上所述，本发明设计了一种可用于大功率发动机排气管的多腔体消声发电阵列。其安装在大功率、高排气噪声的发动机排气管，起到消声和发电的双重功能。

如图1、图2、图3和图4所示，本发明的多腔体消声发电阵列包括排气管1、外壁2和若干个沿排气管1排布的环形亥姆霍兹共鸣腔5；每个环形亥姆霍兹共鸣腔5内部包含上下分布的两个出音管道3；所述排气管1贯通所有的环形亥姆霍兹共鸣腔5，且与所有出音管道3相通；最外侧的两个环形亥姆霍兹共鸣腔5在朝向阵列内侧的端面上分别安装有两个对称分布的压电式发电装置4，其余每个环形亥姆霍兹共鸣腔5左右两端各安装有两个对称分布的压电式发电装置4，相邻两个环形亥姆霍兹共鸣腔(5)间的压电式发电装置(4)交错分布；所述外壁2位于环形亥姆霍兹共鸣腔5的外部。所述环形亥姆霍兹共鸣腔5优选为中空的圆角圆柱体，所有圆角圆柱体的中心线与排气管1的中心线重合；所述环形亥姆霍兹共鸣腔5由圆周刚性板7、两侧的弹性薄板6组成；所述弹性薄板6优选为304不锈钢弹性薄板。所述出音管道3的外轮廓优选为指数型轮廓；所述出音管道3均匀地分布于所述排气管上；所述出音管道3的尺寸由噪声频率决定。声波能量由指数型轮廓的出音管道3进入，引起环形亥姆霍兹共鸣腔5两侧的弹性薄板6振动，通过压电陶瓷固支架11带动压电陶瓷10振动发电。每个环形亥姆霍兹共鸣腔5和出音管道3由于其不同的尺寸设计分别对应着一个特定的固有频率，固有频率的匹配能够提高振动幅度，同时分别对一种特定频率附近的声波有最显著的吸声作用。组成阵列对应着一个较宽的吸声频带，以适应大功率发动机不同工况下的转速。

如图5所示，本发明的压电式发电装置设计成双晶压电悬臂梁的形式。压电式发电装置4固定于环形亥姆霍兹共鸣腔5的弹性薄板6上；所述压电式发电装置4包括若干个复合悬臂梁12和压电陶瓷固支架11；所述复合悬臂梁12与压电陶瓷固支架11连接；所述复合悬臂梁12包括质量块8、金属层9、压电陶瓷10；所述复合悬臂梁12围绕排气管1扇形分布；所述质量块8安装在复合悬臂梁12的末端，用于调节复合悬臂梁12的固有频率以及增加悬臂梁振动的幅度；所述压电陶瓷10与金属层9连接；所述压电陶瓷固支架11与环形亥姆霍兹共鸣腔5连接。由两片锆钛酸铅压电陶瓷(PZT-5H)10夹着一片铜制的金属片9。悬臂梁的振动形式提高结构内部的应力；金属片9增加悬臂梁的刚度以克服压电陶瓷10硬脆易碎的特点；悬臂梁末端的质量块8增加压电悬臂梁的振动幅度并且降低其固有频率。每个单独的双晶压电悬臂梁由于中部金属片9的尺寸不同对应着一个固有频率。

所述的环形亥姆霍兹共鸣器5和所述压电陶瓷固支架11为一个整体。利用声学原理，对上述环形亥姆霍兹共鸣器5和压电陶瓷固支架11组成的系统建立声-机-电类比模型，理论分析得出环形亥姆霍兹共鸣器5的输入声阻抗复数解。这一复数解是输入声频率的复变函数，使输入声阻抗的虚部为零，此时的输入声频率便是环形亥姆霍兹共鸣器5系统的共振频率。

也可同样将声学系统等效为力学和电学系统，导出腔内声压和输入声压的传递函数H(S)：

式中，Pin是输入共鸣腔体的声压(由于结构的对称性，认为上下两个吸声口处的输入声压相同)，Pout是共鸣腔体作用在两侧环形弹性薄板的声压。Zf为两侧环形弹性薄板的力阻抗，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出音管道3和所述环形亥姆霍兹共鸣腔5的尺寸的计算方式如下

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所述环形亥姆霍兹共鸣腔5的固有频率。而上述的弹性薄板6力阻抗，输入声阻抗和腔体声顺都是由所述出音管道3、所述弹性薄板6、所述环形亥姆霍兹共鸣腔5的尺寸参数所决定的。

首先分析共鸣腔体的声顺：

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：

其次分析两侧环形弹性薄板6力阻抗的推导过程：

令环形弹性薄板6的密度为ρ2，厚度为Th，内外径分别为r1，r2。

可得单侧弹性薄板6振动的等效质量M1′为：

进一步地，需要考虑弹性薄板6相连的压电陶瓷固支架11、压电陶瓷10的质量对振动的影响，并将其集中为作用在弹性薄板6中心的等效质量M0，则单侧弹性薄板6等效质量可以修正为：

进一步地，考虑弹性薄板6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，得到单侧弹性薄板6的声辐射质量M2为：

令弹性薄板6的弹性模量为E，泊松比为ε，可得单侧弹性薄板6的等效力顺Cf为：

弹性薄板6是一个机械系统，考虑板振动的机械阻尼比为ξ，则其单侧弹性薄板6机械阻尼R1可以表示为：

进一步的，还需要考虑弹性薄板6的辐射阻尼，令其归一化的辐射阻为Rr，则单侧弹性薄板6的辐射阻尼R2为：

R2＝2π(r2²-r1²)*ρ1*Cv*Rr

经过上述的推导，可以得到双侧薄板的力阻抗Zf：

最后分析输入声阻抗的推导过程：

令出音管道3的内伸长度为L，等效半径为r，空气在20摄氏度以及一标准大气压下的粘滞系数为γ，可以得到单个出音管道3的声阻Rp和声质量Mp为：

环形弹性薄板6的内外径可以导出单侧声-力转化的有效面积Se：

经过上述的推导，可以得到共鸣器两个出音管道3合计输入声阻抗Ziv：

因此，在确定了排气噪声频率之后，可确定共鸣器共振频率ωc，便可以通过上述公式设计出共鸣腔体，出音管道3以及弹性薄板6的具体设计尺寸。

每个消声发电装置包含的共鸣器和压电式发电装置要做到固有频率的匹配以提高振动幅度。确定压电式发电装置固有频率的理论分析如下：

如前所述，本发明的压电式发电装置设计成双晶压电悬臂梁的形式，由两片锆钛酸铅压电陶瓷PZT-5H夹着一片铜制的金属层9。经典的材料力学理论并不能算出如此结构的悬臂梁共振频率。如若想求出其解析解，需将其简化为利用材料力学理论可以求解的力学系统。

做出如下假设：

a.悬臂梁的主体由三部分所组成，是两片压电陶瓷10夹着一块铜片，将其等效为单一材料的实心悬臂梁，算出等效密度，等效弹性模量，等效长度。

b.悬臂梁末端的质量块忽略其体积，将其等效为一个质点，质点的位置为原质量块质心在悬臂梁上的投影点。

实心悬臂梁等效密度，等效弹性模量，等效长度，等效厚度的计算：令其双晶压电换能

器中瓷片的长、宽、高分别为Cl，Cw，Ch，密度ρc，金属片的长、宽、高分别为Ml，Mw，Mh，密度为ρm，令和金属片同一材料的立方体金属块的边长为Lm，并令陶瓷和金属的弹性模量为Ec，Em。

则悬臂梁等效密度ρe为：

等效长度取到金属块的质心末端Le为：

等效厚度He为：

令金属层和陶瓷层的截面惯性矩分别为Im和Ic，即：

由平行移轴定理，两层陶瓷夹一层金属层所组成复合梁的等效截面惯性矩Ie为：

等效弹性模量的计算依据为复合梁前后的抗弯刚度一致，即：

Im*Em+2*Ic*Ec＝Ie*Ee

由此可得复合梁的等效弹性模量Ee为：

令质量块的质量与复合悬臂梁总质量之比为α，即：

由材料力学的欧拉-伯努利梁理论可推导出其频率方程，其为一个以βn(n＝1，2，3……)为第n阶解的超越方程。通过仿真可得，其二阶振型振动最剧烈、汇聚电荷的效果最佳，用数值分析将超越方程二阶解与悬臂梁等效长度的乘积β2Le解出：

cos(β2Le)cosh(β2Le)+1＝α*β2Le(sin(β2Le)cosh(β2Le)-cos(β2Le)sinh(β2Le))

最后由下列公式可以算出其二阶固有频率ω0为：

复合悬臂梁的横截面积与长度之比较小，因此必须要考虑剪切变形和转动惯量的影响，即根据铁木辛柯梁理论，对原有由欧拉-伯努利梁理论解出的固有频率进行了修正。

令复合梁整体的泊松比为γe，则可获得复合梁的等效剪切模量G为：

考虑到复合梁为矩形截面，确定其截面系数k＝2/3，得到双晶压电悬臂梁的利用铁木辛柯理论修正后的固有频率ωb为：

理论设计应达到：

ωa＝ωb＝ωc

具体设计过程为，由大功率发动机常用工况确定入口声波的频率ωa，进而确定共鸣器需要达到的固有频率ωc，以此确定出音管道3、弹性薄板6、环形亥姆霍兹共鸣器5体积等参数；进而确定双晶压电换能器的固有频率ωb，以此确定中间金属层10的尺寸和质量块8体积。

当大功率发动机进行工作时，排气的气动噪声能够达到130dB，其包含能量的声波从排气管1入口进入，沿途被共鸣器阵列捕捉特定频率附近的声波，声波进入共鸣器中产生剧烈振动造成能量耗散。共鸣器阵列给声波经过排气管到造成了较大的传递损失，而声波经过沿途共鸣器阵列之后显著降低了其出口的声压级，因此，本发明能起到显著的降低排气管1的噪声的功能。

当所述环形亥姆霍兹共鸣器5入口吸声管受到声波作用时，管道内的空气振动，而共鸣腔体内的空气对其产生一定的恢复力，共鸣腔体与空气的有效质量以及共鸣腔体内的空气组成的一维共振系统。上述频率的声波，与所述环形亥姆霍兹共鸣器5本身的固有频率相同，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双侧环形弹性薄板6的振动幅度，弹性薄板6的振动会带动所述压电陶瓷10的振动，产生电荷极化的现象，两端的电压被设计好的整流和稳压电路储能，以供车载电器使用。

Claims (9)

1.一种可用于大功率发动机排气管的多腔体消声发电阵列，其特征在于，所述多腔体消声发电阵列包括排气管（1）、外壁（2）和若干个沿排气管（1）排布的环形亥姆霍兹共鸣腔（5）；每个环形亥姆霍兹共鸣腔（5）内部包含上下分布的两个出音管道（3）；所述排气管（1）贯通所有的环形亥姆霍兹共鸣腔（5），且与所有出音管道（3）相通；所述环形亥姆霍兹共鸣腔（5）为中空的圆角圆柱体，所有圆角圆柱体的中心线与排气管（1）的中心线重合；所述环形亥姆霍兹共鸣腔（5）由圆周刚性板（7）和两侧的弹性薄板（6）组成；最外侧的两个环形亥姆霍兹共鸣腔（5）在朝向阵列内侧的弹性薄板（6）上分别安装有两个对称分布的压电式发电装置（4），其余每个环形亥姆霍兹共鸣腔（5）在两侧的弹性薄板（6）上各安装有两个对称分布的压电式发电装置（4），相邻两个环形亥姆霍兹共鸣腔（5）间的压电式发电装置（4）交错分布；所述外壁（2）位于环形亥姆霍兹共鸣腔（5）的外部。

2.根据权利要求1所述的用于大功率发动机排气管的多腔体消声发电阵列，其特征在于，所述排气管（1）为直径80～100mm的管道，排气管（1）由发动机排气口引出。

3.根据权利要求1所述的用于大功率发动机排气管的多腔体消声发电阵列，其特征在于，所述弹性薄板（6）为304不锈钢弹性薄板。

4.根据权利要求1所述的可用于大功率发动机排气管的多腔体消声发电阵列，其特征在于，所述出音管道（3）的外轮廓为指数型轮廓；所述出音管道（3）均匀地分布于所述排气管上。

5.根据权利要求3所述的用于大功率发动机排气管的多腔体消声发电阵列，其特征在于，压电式发电装置（4）固定于环形亥姆霍兹共鸣腔（5）的弹性薄板（6）上；所述压电式发电装置（4）包括若干个复合悬臂梁（12）和压电陶瓷固支架（11）；所述复合悬臂梁（12）与压电陶瓷固支架（11）连接；所述复合悬臂梁（12）包括质量块（8）、金属层（9）、压电陶瓷（10）；所述复合悬臂梁（12）围绕排气管（1）扇形分布；所述质量块（8）安装在复合悬臂梁（12）的末端；所述压电陶瓷（10）与金属层（9）连接；所述压电陶瓷固支架（11）与环形亥姆霍兹共鸣腔（5）连接。

6.根据权利要求5所述的用于大功率发动机排气管的多腔体消声发电阵列，其特征在于，所述压电陶瓷固支架（11）为U型支架；所述U型支架的弯曲部分为镂空结构。

7.根据权利要求5所述的用于大功率发动机排气管的多腔体消声发电阵列，其特征在于，所述金属层（9）为铜片；所述金属层（9）与压电陶瓷（10）边缘黏合连接；所述压电陶瓷（10）为锆钛酸铅压电陶瓷PZT-5H，且采用双晶结构将压电陶瓷（10）固定在金属层（9）的两面。

8.根据权利要求1所述的可用于大功率发动机排气管的多腔体消声发电阵列，其特征在于，所述压电式发电装置（4）选用二阶振型搭建，以发生共振。

9.根据权利要求1所述的可用于大功率发动机排气管的多腔体消声发电阵列，其特征在于，所述外壁（2）将上述环形亥姆霍兹共鸣腔（5）和上述压电式发电装置（4）全部包裹，并采用两个半圆柱体进行拼接。

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