羅兆民 王健明

摘? ?要：噪音是一類引起人煩躁、或音量過(guò)強(qiáng)而危害人體健康的聲音。噪聲污染仍然是四大污染之一，同樣，噪聲中也蘊(yùn)藏著巨大的能量。相對(duì)的，噪音應(yīng)該是聲音和聲能的一種形式。它的產(chǎn)生和傳播是通過(guò)振動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，振動(dòng)頻率不固定，振幅相對(duì)較小。也可以說(shuō)能量不是很大。雖然能量轉(zhuǎn)換是保守的，但作為發(fā)電設(shè)備，它伴隨著熱能、機(jī)械能和電能的轉(zhuǎn)換，所以不可能將100%聲能轉(zhuǎn)換成電能。我們?cè)谇叭搜芯康幕A(chǔ)上，加入新型材料壓電陶瓷來(lái)進(jìn)一步探究其轉(zhuǎn)化效率。

關(guān)鍵詞：噪聲發(fā)電? 壓電陶瓷? 能源轉(zhuǎn)換? 節(jié)能減排? 亥姆霍茲共鳴腔

中圖分類號(hào)：TM619? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）05（a）-0064-02

霍洛維茨（Horowitz B）和美國(guó)佛羅里達(dá)州立大學(xué)的其他人在2005年開發(fā)了一種微機(jī)電赫爾姆斯聲能發(fā)生器67，該發(fā)生器將飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)噪音轉(zhuǎn)化為電能，為驅(qū)動(dòng)抑制飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)噪音的無(wú)線主動(dòng)聲學(xué)襯墊的電池系統(tǒng)充電。柔性壓電復(fù)合膜片代替霍爾木茲諧振器的剛性背板，霍爾木茲諧振器用作聲壓放大器，精細(xì)加工的環(huán)形硅壓電復(fù)合膜片用作能量轉(zhuǎn)換元件。霍姆茲共振器（Holmuz共振器）中產(chǎn)生耦合共振系統(tǒng)，聲音襯里鋪設(shè)在發(fā)動(dòng)機(jī)管道中，以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音，這通常會(huì)妨礙人們的休息、學(xué)習(xí)和正常工作，也會(huì)干擾人們想要聽(tīng)到的聲音。簡(jiǎn)而言之，我們可以把不規(guī)則的聲音理解為噪音。噪音有幾種來(lái)源。一個(gè)是周期性的建筑噪音。另一個(gè)是交通噪音，它有著持久的影響。第三種噪音是我們的生活噪音，如娛樂(lè)場(chǎng)所、打麻將、音樂(lè)電視等的噪音。隨著現(xiàn)代工業(yè)和軍事的發(fā)展，環(huán)境噪聲普遍存在。噪聲污染已經(jīng)成為世界七大公害之一。在最近的一項(xiàng)研究中，除了長(zhǎng)期精神壓力和過(guò)度勞累、經(jīng)常加班和空氣污染等環(huán)境因素外，噪音污染在我國(guó)人口的亞健康狀態(tài)中排名第四。我們還通過(guò)各種方式降低噪音。通過(guò)吸聲和隔音等。但另一方面，如果我們能夠利用河對(duì)岸的噪音所蘊(yùn)含的巨大能量，甚至其中的一部分，我們一定能夠減少許多不可再生能源的消耗，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。因此，它一直是世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。這種變廢為寶、消除污染的技術(shù)是當(dāng)前能源矛盾的需要。

1? 研究目的

探索新型壓電陶瓷應(yīng)用與噪聲發(fā)電裝置的可行性，希望能夠提高轉(zhuǎn)化效率和裝置經(jīng)濟(jì)性，變廢為寶，發(fā)展新能源，為節(jié)能減排添磚加瓦。

2? 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及已有基礎(chǔ)

霍洛維茨（Horowitz B）和美國(guó)佛羅里達(dá)州立大學(xué)的其他人在2005年開發(fā)了一種微機(jī)電赫爾姆斯聲能發(fā)生器67，該發(fā)生器將飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)噪音轉(zhuǎn)化為電能，為驅(qū)動(dòng)抑制飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)噪音的無(wú)線主動(dòng)聲學(xué)襯墊的電池系統(tǒng)充電。柔性壓電復(fù)合膜片代替霍爾木茲諧振器的剛性背板，霍爾木茲諧振器用作聲壓放大器，精細(xì)加工的環(huán)形硅壓電復(fù)合膜片用作能量轉(zhuǎn)換元件?；魻柲酒澲C振器中產(chǎn)生耦合諧振系統(tǒng)，聲學(xué)襯墊鋪設(shè)在發(fā)動(dòng)機(jī)管道中，這是降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲輻射的主要途徑。然而，用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙的傳統(tǒng)微穿孔消聲聲學(xué)襯墊用于被動(dòng)噪聲控制。隨著納米技術(shù)的發(fā)展和能源供應(yīng)設(shè)備方便小型化的需要，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的王忠林教授的研究團(tuán)隊(duì)在2007年開發(fā)了一種超聲波驅(qū)動(dòng)的DC納米發(fā)電機(jī)。該發(fā)生器由垂直排列的Zn0mo納米線和Z形金屬電極板組成。在超聲波的驅(qū)動(dòng)下，機(jī)械能通過(guò)壓電半導(dǎo)體耦合過(guò)程轉(zhuǎn)化為電能。

近些年新型壓電陶瓷材料的出現(xiàn)。壓電陶瓷就是可以電能和機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換的一種壓電元件，給壓電陶瓷施加一個(gè)力會(huì)使其產(chǎn)生電壓，這個(gè)過(guò)程就是正壓電效應(yīng);給壓電陶瓷施加電壓使其產(chǎn)生振動(dòng)，這個(gè)過(guò)程就是逆壓電效應(yīng)。能量轉(zhuǎn)換的情況：正壓電效應(yīng)：拉伸產(chǎn)生負(fù)電壓、壓縮產(chǎn)生正電壓;逆壓電效應(yīng)：正電壓導(dǎo)致伸長(zhǎng)、負(fù)電壓導(dǎo)致縮短、交流電壓導(dǎo)致伸縮;噪聲發(fā)電的可行性（1）聲音以波的形式傳播并具有能量。（2）壓電陶瓷是個(gè)雙向效應(yīng)元件，在震動(dòng)下會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)，可用于發(fā)電。（3）根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律線圈在磁場(chǎng)切割磁感應(yīng)線產(chǎn)生電流。（4）一切發(fā)聲的物體都在震動(dòng)，利用這種震動(dòng)傳遞給換能裝置進(jìn)而將無(wú)用的聲能轉(zhuǎn)化為能夠利用機(jī)械能轉(zhuǎn)化的電能。

3? 新型壓電陶瓷聲音發(fā)電機(jī)理

壓電陶瓷是一種能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的信息功能陶瓷材料-壓電效應(yīng)， 壓電陶瓷具有壓電性，可用于發(fā)電。目前使用的壓電陶瓷材料主要以PZT為基材料，其壓電性能大大優(yōu)越于其它壓電陶瓷材料，而且可以通過(guò)摻雜改性和工藝控制調(diào)節(jié)材料的電學(xué)性能，以滿足各種應(yīng)用需求。

壓電陶瓷（PZT）是一種可以用聲電轉(zhuǎn)換的材料，將鼓膜聲波接收器與能夠增大聲波積聚的能量的換能器連接，聲能轉(zhuǎn)換裝置和換能器相互結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電。單片壓電陶瓷片發(fā)電能力較弱，并且已經(jīng)必分析得出只有當(dāng)壓電陶瓷極間電容和存儲(chǔ)電容相等時(shí)才能達(dá)到最大的能量傳輸效率。為了解決上述兩個(gè)問(wèn)題采用多壓電陶瓷片并聯(lián)的方式。充電電容的選擇上選用超級(jí)電容，因?yàn)槌?jí)電容相比較于普通的電解電容具有容量大、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)、不易損壞等優(yōu)點(diǎn)，適合于多種復(fù)雜環(huán)境。電磁發(fā)電技術(shù)目前比較成熟，結(jié)合壓電效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)噪聲利用率提高。采用新型材料壓電陶瓷，利用壓力變化來(lái)發(fā)電，并實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存與充電。結(jié)合法拉第電磁感應(yīng)定律，實(shí)現(xiàn)壓電式發(fā)電與電磁式發(fā)電相結(jié)合，對(duì)噪聲的利用率提高。噪聲接受裝置采用多層式，大大提高與噪聲的接觸面積，在外觀體積小型化情況下，實(shí)現(xiàn)更大的發(fā)現(xiàn)效率。在充電過(guò)程中，為了防止電量過(guò)滿發(fā)生危險(xiǎn)，因此可以設(shè)計(jì)出自動(dòng)停止充電電路。

4? 限制性與不足

首先是地點(diǎn)的限制，目前只能在聲音較大且密集的地方開展，就算是再利用交通噪音也要在車輛密集的路段，而不是每個(gè)地方都可以。除此之外，還有歌廳、酒吧、工廠的廠房等等，地點(diǎn)選擇有較大要求。其次，裝置制作的現(xiàn)實(shí)難度與轉(zhuǎn)化效率，通過(guò)前人的各種研究數(shù)據(jù)和查閱各種資料發(fā)現(xiàn)，理論上的數(shù)值很難達(dá)到，甚至還相差很遠(yuǎn)。而造成這些問(wèn)題的原因大致有兩個(gè)，其中之一便是裝置問(wèn)題，其生產(chǎn)組裝過(guò)程中會(huì)造成很大的誤差 目前的技術(shù)暫時(shí)達(dá)不到精度要求，其余問(wèn)題還有測(cè)量誤差等等。

5? 噪聲發(fā)電發(fā)展前景

目前，工業(yè)和交通業(yè)的發(fā)展，噪聲污染源也隨之產(chǎn)生，迫使科技工作者一方面想方設(shè)法從聲源上根治，另一方面從聲音的傳播途徑上控制噪聲。如果將噪聲產(chǎn)生的能量回收起來(lái)，同時(shí)提高轉(zhuǎn)化率，面對(duì)人類社會(huì)日益匱乏的能源將是一個(gè)補(bǔ)充，秉承著減少噪聲污染，又增加新能源的概念，實(shí)現(xiàn)開發(fā)能源、環(huán)保節(jié)能增收目的，也正符合綠色科學(xué)的時(shí)代要求，具有現(xiàn)實(shí)意義。

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