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(華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引 言

隨著對(duì)新型能源開(kāi)發(fā)研究的不斷深入，聲能作為一種在某些場(chǎng)合中的潛在能源的得到了越來(lái)越多的關(guān)注。就目前的發(fā)展?fàn)顩r看，聲能的利用多數(shù)是通過(guò)聲波驅(qū)動(dòng)電磁式或壓電式換能器，將聲能轉(zhuǎn)化成電能[1]。而亥姆霍茲共鳴器由于其對(duì)聲音的放大作用在聲電轉(zhuǎn)換的研究中得到許多研究人員的應(yīng)用。美國(guó)福羅里達(dá)州立大學(xué)的Kadirvel S等設(shè)計(jì)和制作的自供電無(wú)線(xiàn)控制主動(dòng)聲襯系統(tǒng)通過(guò)可調(diào)頻的亥姆霍茲共鳴器修正聲學(xué)阻抗邊界條件，并將柔性的壓電復(fù)合振膜取代標(biāo)準(zhǔn)的剛性亥姆霍茲共鳴器背板實(shí)現(xiàn)聲能向電能的轉(zhuǎn)換[2-4]。但通常應(yīng)用的亥姆霍茲共鳴器尺寸較小，不能大量的接收聲波，導(dǎo)致聲電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)只能轉(zhuǎn)換少量的電能，而穿孔板(其實(shí)質(zhì)為多個(gè)亥姆霍茲共鳴器的并聯(lián))由于擁有較大的聲波接收面積，可以。實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)噪聲處理和聲能利用(轉(zhuǎn)化成電能)兩個(gè)目的。因此，對(duì)穿孔板在聲電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的作用的分析具有相當(dāng)?shù)膶?shí)用價(jià)值。

1 亥姆霍茲共鳴器及穿孔板簡(jiǎn)介

亥姆霍茲(Helmholtz)共鳴器是由頸部(neck)和空腔(cavity)組成，聲學(xué)感抗和聲學(xué)容抗構(gòu)成的基本聲振動(dòng)系統(tǒng)[5]。其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 亥姆霍茲共鳴器

如圖1 所示，為頸部直徑，為頸部長(zhǎng)度；V為空腔的體積。共鳴器空腔的幾何形狀有多種形式，如圓柱、立方體、球等，但在計(jì)算中，各個(gè)幾何形狀的共鳴器差別不大，因此本文不加以區(qū)分。

穿孔板為一具有較厚頂蓋且具有空腔的結(jié)構(gòu)，在頂蓋上均勻的布置幾何尺寸一致的圓孔，整個(gè)穿孔板就可看做n個(gè)具有相同幾何尺寸的亥姆霍茲共鳴器矩陣。其幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 穿孔板示意圖

2 聲電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的理論分析

聲電轉(zhuǎn)換裝置中，穿孔板的剛性背板上加裝電磁式換能器，換能器在穿孔板空腔內(nèi)部經(jīng)過(guò)放大的聲波的驅(qū)動(dòng)下將聲能轉(zhuǎn)化成電能。根據(jù)相關(guān)資料，在單個(gè)亥姆霍茲共鳴器剛性背板上放置一個(gè)換能器時(shí)轉(zhuǎn)換效率最高，因此，在穿孔板上才用相同布置方式，則穿孔板可等效為n個(gè)完全相同且相互并聯(lián)的亥姆霍茲共鳴器矩陣，每個(gè)共鳴器內(nèi)安裝有一個(gè)電磁式換能器[5]。

整個(gè)聲電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)科分為三個(gè)主要部分，即：

(1) 聲學(xué)部分：聲波進(jìn)入亥姆霍茲共鳴器，在共鳴器的空腔內(nèi)振動(dòng)；

(2) 力學(xué)部分：聲波驅(qū)動(dòng)電磁式換能器的振膜振動(dòng)，使換能器的線(xiàn)圈切割磁感線(xiàn)，產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象發(fā)出電能；

(3) 電學(xué)部分：發(fā)出的電能被負(fù)載消耗，本文中不詳細(xì)討論負(fù)載方面的問(wèn)題，在理論分析中用一等效的模擬負(fù)載代替。

由于聲學(xué)、力學(xué)、電學(xué)具有相類(lèi)似的微分方程，因此通常采用類(lèi)比的方法進(jìn)行相關(guān)研究。

整個(gè)系統(tǒng)的等效電路如圖3所示。

圖3 聲電轉(zhuǎn)換裝置等效類(lèi)比電路

其中，為模擬負(fù)載，為線(xiàn)圈電阻，為等效電感；為振動(dòng)系統(tǒng)的等效質(zhì)量、為振動(dòng)系統(tǒng)的等效力阻、為振動(dòng)系統(tǒng)的等效力順。

將電學(xué)電路耦合到力學(xué)電路，如圖4所示。

圖4 電學(xué)電路耦合到力學(xué)電路

3 聲電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

針對(duì)電廠(chǎng)汽輪機(jī)廠(chǎng)房，取環(huán)境溫度為25 ℃，查得此溫度下的聲速c=343.2 m/s。根據(jù)聲電轉(zhuǎn)換裝置理論模型，運(yùn)用matlab軟件編程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到聲電轉(zhuǎn)換單元輸入阻抗的頻率響應(yīng)特性和輸出電壓的頻率響應(yīng)特性。亥姆霍茲共鳴器計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 亥姆霍茲共鳴器性能參數(shù)表

實(shí)驗(yàn)和模擬得到的聲電轉(zhuǎn)換單元負(fù)載兩端電壓的最大值對(duì)應(yīng)的頻率均在220 Hz左右，即諧振頻率基本一致；但是經(jīng)matlab仿真得到的電勢(shì)差頻率響應(yīng)波峰要比實(shí)驗(yàn)測(cè)量所得尖銳的多、峰值較實(shí)驗(yàn)測(cè)量所得到的也大的多。這是因?yàn)?，一方面，亥姆霍茲共振器?shí)驗(yàn)采用的材料是PVR管材，并不是聲絕緣材料，聲波在共振過(guò)程中會(huì)有部分損失；另一方面，H.R.細(xì)頸的內(nèi)徑要比腔體的內(nèi)徑小的多，因此聲波進(jìn)入腔體時(shí)形成的湍流耗散了部分聲能。

圖5 等效輸入阻抗頻率響應(yīng)特性

圖5為1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)亥姆霍茲共振器的輸入阻抗的頻率響應(yīng)特性，這三組工況其他參數(shù)均相同，只有腔體長(zhǎng)度分別為500、300、100 mm。圖6為聲電轉(zhuǎn)換單元1A輸出電壓幅值的頻率響應(yīng)圖，從圖中可以看出，聲電轉(zhuǎn)換單元負(fù)載兩端電壓是隨著入射聲波頻率的變化而變化，當(dāng)入射聲波的頻率達(dá)到聲電轉(zhuǎn)換單元的諧振頻率時(shí)，聲電轉(zhuǎn)換單元的輸出電壓幅值達(dá)到最大；并且聲電轉(zhuǎn)換單元的諧振頻率隨著腔體長(zhǎng)度的減小而增大，實(shí)驗(yàn)得到的頻響曲線(xiàn)與模擬曲線(xiàn)基本一致。

圖6 電壓幅值頻率響應(yīng)圖

通過(guò)Matlab編程模擬對(duì)電磁式聲電轉(zhuǎn)換單元輸入阻抗的頻率響應(yīng)特性進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中入射聲壓始終保持120dB不變。實(shí)驗(yàn)測(cè)試分為聲壓測(cè)試和電壓測(cè)試兩個(gè)部分，將函數(shù)信號(hào)發(fā)生器與揚(yáng)聲器相連，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生具有額定功率的正弦電功率信號(hào)，并通過(guò)內(nèi)部自帶功率放大器進(jìn)行放大，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器產(chǎn)生具有額定功率的正弦聲信號(hào)。

將傳聲器1和2分別安裝在聲電轉(zhuǎn)換單元的入口處及腔體內(nèi)部，測(cè)量到的聲壓信號(hào)通過(guò)DAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及Labview軟件進(jìn)行分析處理，由電腦顯示出來(lái)，測(cè)試過(guò)程中保持傳聲器2處的入射聲壓不變。將數(shù)字示波器依次接入需要測(cè)量的聲電轉(zhuǎn)換單元的連接端，調(diào)節(jié)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出電功率的頻率或者幅值，測(cè)量聲電轉(zhuǎn)換單元的輸出電壓隨頻率的變化趨勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

亥姆霍茲共鳴器作為一種傳統(tǒng)聲學(xué)器件能夠作為聲能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的載體在噪聲利用領(lǐng)域還不多見(jiàn)，具有大膽的創(chuàng)造性思維。為廣大學(xué)生對(duì)已有設(shè)備進(jìn)行再次開(kāi)發(fā)利用，發(fā)掘新型功能進(jìn)行了有益啟示。噪聲作為人們深?lèi)和唇^難以解決的污染，能夠治理并利用其進(jìn)行發(fā)電，使人們認(rèn)識(shí)到自然環(huán)境的可造性和環(huán)境保護(hù)的可行性。而且，本裝置還可以應(yīng)用于更多的領(lǐng)域，為治理噪聲污染做出貢獻(xiàn)。

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