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1、基于压电效应的声波发电机实验研究赤丰华高国柱杜康( 西北工业大学 教育实验学院，西安710129)摘 要:噪声在人类的生产生活中随处可见， 而至今还没有有效的手段对声音能量来进行收集与利用。本实验通过亥姆霍兹共鸣器对声音能量进行收集， 并利用压电陶瓷进行声电转换， 得到的微小电流利用 LTC3588 1 进行收集并加以利用。得 出结论:虽然通过亥姆霍兹共鸣器可以有效收集声波能量， 但压电陶瓷的低效阻碍了声波发电的进一步推广。关键词:压电陶瓷;亥姆霍兹共鸣器;声电转换;微小能量收集EXPEIMENT AND STUDY ON SONIC GENEATO BASED ON THE PIEZOELE
2、CTIC EFFECTChi Fenghua Gao Guozhu Du Kang( Honor College， Northwestern Polytechnical University， Xi an 710129， China)Abstract: Noise can be heard everywhere in human life， and so far there is no effective means of sound energy to be collected and utilized In this experiment Helmholtz resonator was u
3、sed to collect energy，and piezoelectric ceramics were also used to accomplish acoustic electric conversion，LTC3588 1 was used to collect and utilize the obtained slight energy Get a conclusion: Although by Helmholtz resonator，acoustic energy can be effectively collected，but inefficient piezoelectric
4、 ceramics hindered the further promotion of sonic generator.Keywords:piezoelectric ceramic; Helmholtz resonator; acoustic electric conversion; slight energy collection0引言在当今传统石化能源面临枯竭， 新型清洁能源不 断发展的背景下， 压电发电技术的研究已成为目前国 际上的一个热点。与传统的石化能源相比， 压电发电 技术有无污染、 成本低、 来源极其广泛的优点。但由于 压电陶瓷的机电能量转换效率较低 ， 压电发电装置收 集环境能
5、量时的发电能力及功率依然有限 ， 严重阻碍 了这一技术的广泛应用。本文试图利用亥姆霍兹共鸣器的声波加强特性来 加强压电陶瓷上的声音能量， 来使压电陶瓷的振动幅 度增加;选择合适的声电转换装置;利用 Linear 公司的 完整的能量采集方案 LTC3588 1 来进行电能收集。图 1 亥姆霍兹共呜器示意声音就会大大加强， 甚至可以在一般噪声， 如交通声、 喧哗声中选听个别频率。选择性非常尖锐。普通容器 都能共鸣， 一个普通酒瓶的共鸣频率大约是 100 Hz 左 右， 一斤的茅台酒瓶在 200 Hz 左右共鸣。亥姆霍兹共鸣器的固有频率为式(1)亥姆霍兹共鸣器作为声波收集装置的原理与实验1 1. 1
6、 亥姆霍兹共鸣器的原理一个空心的玻璃球或金属球， 前面加一短管( 颈) 通到外边， 后面做成漏斗形可放在耳壳内并加以密封， 这就是亥姆霍兹共鸣器了( 图 1 ). 形状也不限于圆球 ， 任何形状、 有颈无颈都可以。亥姆霍兹共鸣器可受外 声场的激发并消耗其能量成为吸声体。空腔内的振动 又可以通过短管发出声波加强外面的声场。声源在共鸣器前发声时， 如果频率合适 ， 听到的c s (1)f =2 槡1Vr式中: c 是声速(340m/ s);s 是颈的截面积， m;V 是容器的容积， m;l 是颈长， m;r 是圆颈的半径， m 1 。1. 2对亥姆霍兹共鸣器性能的测试 为了测试亥姆霍兹共鸣器对外界
7、声场的加强作用， 我环 境 工 程 2014 年第 32 卷增刊1038根据公式(1) 可以得出该亥姆霍兹共鸣器的固有们选用图 2 的瓶子来作为亥姆霍兹共鸣器来进行测试。频率为 fr = 61 187Hz。 为此， 选取此频率附近 56 70 Hz 的固定声强级 的正弦声波来分别测试瓶口处和瓶颈处的声强级， 以 此来算出该亥姆霍兹共鸣器在固有频率附近的声波放 大能力( 表 1表 2)。由图 3 可得， 亥姆霍兹共鸣器在其固有频率附近 确实对声波有加强作用， 且在瓶颈处效果好于在瓶口 处。最大声强即声波的平均能流密度放大倍数可达接 近 30 倍， 可见亥姆霍兹共鸣器在其固有频率附近对声 波的收集
8、放大作用是显著的， 可以利用其这一特性来作为声波收集放大装置。图 2测试瓶表 1亥姆霍兹共鸣器对 80 dB 正弦波的收集数据80 dB 正弦声波频率 / Hz口 / dB 颈 / dB5680. 483. 55780. 286. 95880. 689. 15980. 693. 66080. 894. 76182. 887. 56285. 688. 96387. 785. 9649184. 66586. 483. 56682. 884. 66782. 386. 16881. 284. 96979. 382. 1708183. 7表 2亥姆霍兹共鸣器对 85dB 正弦波的收集数据85 dB 正弦
9、声波频率 / Hz口 / dB 颈 / dB5682. 789. 15782. 589. 85883. 192. 75984. 397. 6608698. 36186. 695. 76288. 593. 26391916491. 790. 26593. 190. 26688. 590. 86786. 390. 6688690. 66985. 691. 47085. 892. 3压电材料， 如偏聚氟乙烯( PVDF) ( 薄膜) 及其他为代 表的其他有机压电( 薄膜) 材料， 钛酸钡 BT、 锆钛酸铅 PZT、 改性锆钛酸铅、 偏铌酸铅、 铌酸铅钡锂 PBLN、 改 性钛酸铅 PT 等。声电材料
10、的选取试验本文选取 PVDF 压电薄膜和钛酸铅 PZT 压电陶瓷 来进行试验， 选取较为合适的声电转化材料。选取直径 20 mm， 厚 1 mm， 压电常数为 450pC / N2. 2的 PZT 压电陶瓷和 23mm 10 mm 0. 1mm 压电常图 3 亥姆霍兹共鸣器对 80 dB 及 85 dB 正弦波收集效果折线图2声电转化材料的选取数为 23pC / N 的 PVDF 压电薄膜在 90 dB 的声强级条件下进行测试( 表 3)。声电材料的分类随着对压电效应的不断研究， 人们发明了许多的2. 1表 3压电材料声电转化的效果PZT 压电陶瓷频率 / Hz开路电压 / mV 频率 / H
11、z 开路电压 / mV 频率 / Hz开路电压 / mV100183503. 66004. 8150104005. 66506. 42008450127006. 425065001675011. 230012. 8 550 5. 6 8002. 4环 境 工 程 2014 年第 32 卷增刊1039续表PZT 压电陶瓷频率 / Hz开路电压 / mV8502. 49003. 69501. 410003. 5 PVDF 压电薄膜频率 / Hz开路电压 / mV 频率 / Hz 开路电压 / mV 频率 / Hz 开路电压 / mV 频率 / Hz 开路电压 / mV1003. 23505. 66
12、0018501. 215044003. 26501. 69001. 22004. 24502. 47002. 89501. 62503. 65002. 47503100013004. 85501. 28001. 4由此我们可以绘制出 PVDF 压电薄膜和钛酸铅PZT 压电陶瓷的压电转化效果折线图， 来分析哪个材 料更符合我们的要求( 图 4)。图 5 SSHI 能量收集电路所以， 我们采取的方案是 Linear 的完整的能量采 集方案 LTC3588 1。 3. 2LTC3588 1 电路的工作原理示意LTC3588 1 集成了低损失全波桥式整流器和一 个高效率降压转换器。把压电陶瓷产生的电流
13、， 输入 到 LTC3588 1 的内部整流器。该器件将压电波形进 行校正并把收集的能量存储在一个外部电容器上， 通 过内部并联稳压器释放多余的功率， 并借助一个毫微 功 率 高 效 降 压 型 稳 压 器 来 保 持 一 个 以 输 出 电 压( 图 6)。图 4 压电材料声电转化的效果折线图由图 4 可以看出， PZT 压电陶瓷相较于 PVDF 压 电薄膜具有更大的压电常数， 声电转换的效率更高。电压峰值可达到 18 mV。故选用 PZT 压电陶瓷作为声电转化材料。3 电能收集装置3. 1电能收集装置的选取 多数情况下， 由于电信号的输出过小， 声电转化装置不能为电子元件直接供电。因此，
14、能量收集和存储 是声波发电的关键。能量收集模块是从光、 振动、 热或 生物来源中捕获毫瓦级能量， 然后， 电能经过调节并存 储在电池、 高效快速充电电容器或新开发的薄膜电池 内的装置。由于压电式电压电流具有微小、 交流的特 性， 普通的能量收集器无法正常工作。为提高能量转换效率， Guyumar 等人于 2005 年设 计了适合微小能量采集电路 1 。该电路技术基于压 电电压的非线性性 质， 称 为“电 感 同步开关采集电 路” 。电路图如图 5 所示。 经与标准电路相比较， SSHI 的效率提高了几倍。 因此， 在做 AC / DC 转换时， 采用 SSHI 能量采集电路。 但是 SSHI
15、在微电流电压工作环境下效率低下。图 6 基于 LTC3588 1 的能量收集电路 声波的能量虽不小， 但是压电陶瓷声电转化效率 低下， 压电陶瓷电压的峰值仅达到几十毫 伏， 与 LTC3588 1 要求的输入至少为 2. 7 V 相距甚远。采 用将几十个放置紧密的压电陶瓷片输出端并联以提升 输出端的电压， 这样虽然电流电压有一定的损耗， 但是 很好地达到了提升电压的目的。在系统的输出端可以 根据需求设置输出电压， 例如设置 1. 8V， 则在输出端 可以放置一个 1. 8 V 能够驱动的电子元器件。( 下转第 1047 页)环 境 工 程 2014 年第 32 卷增刊1047播的强度。4. 2
16、主变室的吸声措施该变电站主变室的 4 侧墙面上均安装了一定高度 的吸声结构， 根据理论计算和实际工程经验， 主变室吸 声处理可取得 3 5 dB 的降噪量 3 ， 同时可以降低向 公共走 道 及通过公共走道传至进风竖井内的噪声 强度。主变室内安装的吸声结构是 XDX 型复合吸声结降噪效果分析该 220 kV 变电站于 2008 年建成投入运行， 经上 海市环境监测站监测， 变电站噪声对站界处的影响符 合 工业企业厂界环境噪声排放标准 中 2 类功能区 的要求， 即昼间 Leq60 dB， 夜间 Leq50 dB， 顺利通 过了环保噪声验收， 运行至今， 周围居民未对变电站的 噪声传播影响提出过质疑。4. 5构， 专门用于变电站的吸声降噪， 在 100， 200， 300Hz频率处也有较高的吸声系数。该型吸声结构的面板为 绝缘结构， 且不使用玻璃棉等纤维类材
