基于压电效应的声波发电机实验研究

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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EXPEＲIMENTANDSTUDYONSONICGENEＲATOＲBASEDONTHEPIEZOELECTＲICEFFECTChi

2、FenghuaGaoGuozhuDuKang(HonorCollege，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’an710129，China)Abstract:Noisecanbeheardeverywhereinhumanlife，andsofarthereisnoeffectivemeansofsoundenergytobecollectedandutilized．InthisexperimentHelmholtzresonatorwasusedtocollectenergy，andpiezoelectricceramicswerealsoused

3、toaccomplishacoustic－electricconversion，LTC3588－1wasusedtocollectandutilizetheobtainedslightenergy．Getaconclusion:AlthoughbyHelmholtzresonator，acousticenergycanbeeffectivelycollected，butinefficientpiezoelectricceramicshinderedthefurtherpromotionofsonicgenerator.Keywords:piezoelectricceramic;Helmho

4、ltzresonator;acoustic－electricconversion;slightenergycollection0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LTC3

5、588－1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100Hz左右，一斤的茅台酒瓶在200Hz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11.1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

6、外面的声场。声源在共鸣器前发声时，如果频率合适，听到的cs(1)f=2π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56～70Hz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

7、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80dB正弦波的收集数据80dB正弦声波频率/Hz口/dB颈/dB5680.483.55780.286.95880.689.15980.693.660