毛宇臻++劉冠軒++王奔++莊嚴

[摘 要]本文針對城市軌道車輛運行引發(fā)的噪聲和振動能量進行機理分析及實驗研究，提出了基于PVDF壓電片單元以及壓電陶瓷進行能量回收的方法，并利用噪聲模擬器與懸臂梁試驗臺模擬軌道車輛噪聲源與振動源，對不同發(fā)聲頻率和振動頻率下的信號進行了響應(yīng)分析，實驗成果對城市軌道交通車輛的噪聲與振動能量采集具有一定指導(dǎo)意義。

[關(guān)鍵詞]軌道車輛；振動能量回收；噪音能量回收；壓電效應(yīng)

中圖分類號：TB535；U270 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）07-0125-02

1 引言

由于軌道車輛在高密度運行過程中，會產(chǎn)生巨大的噪聲車輛以及軌道的強烈振動，這些噪聲與振動能量則被軌道本身所吸收并無價值的耗散掉。軌道交通產(chǎn)生的環(huán)境效益和節(jié)能問題也逐漸得到更多人的關(guān)注[1]。目前，制約軌道交通發(fā)展的主要環(huán)境問題便是振動與噪聲。該項目設(shè)計了一個以PVDF壓電片單元以及壓電陶瓷為回收單元的簡易系統(tǒng)，分別利用噪聲模擬器與懸臂梁試驗臺來模擬噪音源與振動源。

2 系統(tǒng)設(shè)計原理

2.1 噪聲能量回收原理以及研究現(xiàn)狀

目前的有關(guān)軌道運行引發(fā)的噪聲能量的采集和回收有關(guān)的資料較少，軌道車輛噪聲能量的采集主要是利用聲電能量轉(zhuǎn)換技術(shù)。聲能發(fā)電系統(tǒng)是由聲能收集裝置和換能器兩部分組成，換能器是聲能發(fā)電裝置的核心部件，聲能發(fā)電裝置主要分為壓電式、電磁式和靜電式三種形式。由于電磁式尺寸較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；靜電式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要啟動電壓；而壓電式結(jié)構(gòu)簡單，能量輸出大，故現(xiàn)較多使用壓電式發(fā)電裝置。如今對于聲電轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究，國內(nèi)外一些科研院也所取得了一定的科研成果；但針對例如軌道噪聲等噪聲能量回收的研究仍停留在想法實施或初步設(shè)計狀態(tài)；并且對于已有的能量回收裝置也處于效率不高的地步，遠未達到可以大范圍使用的程度。

噪聲能量采集器主要包括聲壓放大裝置和壓電式聲電能量轉(zhuǎn)換裝置；其中聲壓放大裝置采用Helmholtz（亥姆霍茲）共鳴器；壓電式聲電能量轉(zhuǎn)換裝置采用懸臂梁壓電振子作為理論模型。其共振頻率可參照的公式如下：

共鳴器共振頻率為，

聲壓放大倍數(shù)為。

式中，fr為共振器頻率，c0為聲速，An為頸或開口的截面積，VC為容器的容積，Leff為共振器長度。

然后再對噪聲能量回收系統(tǒng)進行仿真分析，根據(jù)模型，通過實驗驗證的方式驗證理論；通過理論與實踐的對比，一步步修正理論模型，最終通過正交實驗得出來噪聲能量回收的最終方案。[3]（圖1）

2.2 振動能量回收原理以及研究現(xiàn)狀

軌道振動的研究已經(jīng)較為完善，如西南交通大學(xué)的翟婉明教授所提出的車輛-軌道耦合模型，華東交通大學(xué)的雷曉燕教授提出的高速鐵路軌道振動的傅里葉變換法。目前將振動能量轉(zhuǎn)換為電能的典型方法主要有三種，電磁轉(zhuǎn)換、靜電轉(zhuǎn)換、壓電轉(zhuǎn)換。電磁感應(yīng)主要是利用磁鐵和線圈的相對運行產(chǎn)生電能，但是其構(gòu)造復(fù)雜，體積也較大；靜電轉(zhuǎn)換需要一個獨立電源初始化過程；壓電轉(zhuǎn)換不存在這些問題，且轉(zhuǎn)換電壓較高，無需變壓器，并可達到相對較高的功率密度（圖2）。

實驗使用了小型的懸臂梁試驗臺模擬振動源，通過PVDF聚四氟乙烯壓電薄膜來實現(xiàn)對振動能量的回收。

3.實驗結(jié)果分析

3.1 噪音系統(tǒng)輸出電壓信號

將噪聲能量回收系統(tǒng)固定在與喇叭直接相連的PVC管中央并且讓亥姆霍茲共鳴器伸入PVC管內(nèi)部，以便最大程度吸收噪聲，將壓電陶瓷的正負極接入實驗數(shù)據(jù)采集儀，同樣以matlab軟件將數(shù)據(jù)采集器采集到的實驗數(shù)據(jù)進行繪圖并比較（圖3-圖7）。

去除噪音回收系統(tǒng)的本底噪聲，在給予500/750/1000/2000赫茲噪音源情況下，噪音回收系統(tǒng)輸出的電壓波形如圖五所示，噪音源1000赫茲時最高輸出電壓最大為0.28V，回收效果最好。噪音源為2000赫茲的最高輸出電壓最小為0.013V，回收效果最差。在500到2000赫茲的頻率下，輸出電壓波形在1000Hz前逐漸升高，之后快速衰弱。

3.2 振動系統(tǒng)輸出電壓信號

將壓電片正負極接入數(shù)據(jù)采集儀，向懸臂梁實驗臺通入+5V，+12V，-12V的電壓并調(diào)整振動頻率。用matlab軟件將數(shù)據(jù)采集器采集到的實驗數(shù)據(jù)進行繪圖并比較（圖8-圖11）。

分別以9赫茲，12赫茲，15赫茲，18赫茲為振動源時，通過振動回收系統(tǒng)回收的輸出電壓波形如圖3/4/5/6所示，由于壓電片分別固定在懸臂梁的正反面，實驗中會出現(xiàn)正反兩個輸出信號，兩個信號相位相反，幅值相同。在12赫茲的振動源激勵下，輸出電壓最高，能達到0.32V，能量回收效果最好。在18赫茲振動源激勵下輸出電壓僅能達到0.12V，能量回收效果最差。在9-18赫茲的實驗頻率中，輸出電壓在9-12赫茲區(qū)間內(nèi)逐漸升高，之后隨著輸入頻率的升高，輸出電壓逐漸降低。

4.結(jié)論

本文通過對噪聲與振動能量回收的研究，為能量來源提供了一份新的方向，同時也為我國綠色節(jié)能環(huán)保事業(yè)的發(fā)展貢獻了一份力量。但是，對于軌道噪聲與振動能量的回收依舊有很長的路要走，仍然還有很多不足的地方可以完善：采用新形式的聲壓放大裝置代替現(xiàn)在的Helmholtz共鳴器，如聲子晶體、微穿孔板等；由于線性系統(tǒng)諧振響應(yīng)的頻帶較窄的局限性，可以嘗試采用非線性系統(tǒng)，拓寬噪聲能量采集器的諧振頻帶，提高噪聲能量采集器的聲能采集效率；結(jié)合噪聲能量采集器的電能輸出特性，進一步設(shè)計與之比配的電能回收接口電路以及儲能電路，提高能量回收的功率，進行理論仿真和實驗研究；對比不同結(jié)構(gòu)壓電振子在軌道振動作用下的發(fā)電效果，從中優(yōu)選出最適合軌道振動的壓電振子；嘗試其他結(jié)構(gòu)的壓電振子[4]等等。探索基于城市軌道車輛運行的軌道振動與噪音能量回收方法的新途徑，為軌道振動能量回收、存儲和再利用的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。希望本項目所制作的實驗系統(tǒng)對于當(dāng)前國際和國內(nèi)能源短缺的現(xiàn)狀以及城市軌道交通系統(tǒng)的完善有一定幫助以及指導(dǎo)意義。

參考文獻

[1] 彭勝群.地鐵振動污染防治對策[J].鐵道勘測與設(shè)計，2004（2）：71-73.

[2] 袁天辰，楊儉，宋瑞剛，等.基于壓電陶瓷的軌道振動能量采集方法[J].城市軌道交通研究，2012，15（12）：91-96.

[3] 翟婉明.車輛-軌道耦合動力學(xué)研究的新進展[J].中國鐵道科學(xué)，2002，23（2）：2-14.

[4] 袁天辰.基于車輛運行的軌道振動能量回收系統(tǒng)研究.U211.3，2014.