噪聲發電在船舶機艙中的應用

周飛云

（中國船級社，福州 350007）

0 引言

船舶機艙有大功率的主機及發電機組，當機器開動會產生極大的噪音，這些噪音污染不僅嚴重影響輪機工作人員的身體健康，而且浪費了大量的能量。噪聲作為一種聲能，當噪聲的聲音強度達到一定能量值時就可以被利用。目前通常采用吸聲的方法來控制噪聲，例如將噪聲能轉換為熱能釋放，從而降低聲波強度。如果采用一種聲電轉換材料，或者其他的聲電轉換裝置，一方面可以吸收噪聲，另一方面則可以將噪聲能量收集起來轉換成電能加以利用，根據相關研究，這種方法是可行的。如噪聲達到 160 dB的噴氣式飛機，其聲功率達到10000 W；噪聲達到140 dB的大型鼓風機，其聲功率為100 W[1]。船舶機艙雖然空間較小，但安裝有上萬千瓦的柴油機（主機）、柴油發電機組、增壓器等，這些設備的持續運行其產生的噪聲能量是很大的，如果能把這種能量進行有效收集然后轉換為電能，不僅能夠減輕噪音污染，而且能夠產生電能，達到兩全其美。

噪聲發電作為一種新型能源，如果能有效開發利用，對于改善噪聲污染、節能環保具有重要意思。國外對噪聲發電的研究從上世紀80年代已經開始，我國這方面研究也取得了一定成果，例如中科院理化技術研究所羅二倉等人成功研制出百瓦級的行波熱聲發電機樣機，這是一種聲能發電的設備，伊朗研究者發明聲波發電技術，美國猶他大學的科學家發明了一種可以將熱能變成聲波，進而變成可用電能的一種微型熱聲發電機[1]。

噪聲發電的主要技術難題是聲電轉換技術和噪聲源的問題。目前聲電轉換技術日趨成熟，而船舶機艙中的機器設備所發出持續高分貝噪聲，能量可達120分貝左右，噪聲功率可達10千瓦以上，滿足噪聲發電的基本條件。

1 聲電轉換技術

圖1 動圈式聲電轉換裝置原理圖

最早的聲電轉換是貝爾電話，基本原理就是以振膜感應震動，然后把它轉換成不同的電信號傳輸，另一端再由電信號轉換成聽筒的振膜震動發聲，目前對于聲電轉換研究大多也是基于這一基本原理。其中壓電式聲能發電和電磁式聲能發電技術是目前兩種主要聲電轉換技術，其中壓電式聲能發電主要采用壓電材料作為聲電換能元件，而電磁式聲能發電是根據法拉第電磁感應定律，應用電磁感應方法來實現聲能向電能的轉換[2]。應用壓電式聲能發電技術取得的主要研究成果有：采用環形硅壓電復合振膜作為換能元件，S.Horowitz運用微機械加工工藝制作的聲能發電機，在149 dB的聲壓級下，最大輸出電功率密度達到0.34 W/cm2。如果進一步提高加工設計工藝，其輸出電功率密度可以達到250 W/cm2。

圖2 噪聲發電結構原理圖

圖3 船舶機艙噪聲發電系統示意圖

采用電磁式聲能發電技術取得的主要研究成果有：Tenghsien Lai設計的具有高電壓輸出特性的聲能微型發電機，一個9 mm2微型電磁換能器，可獲得最大感應電動勢為0.24 mV[2]。

本文采用動圈式聲能發電技術。

2 船舶機艙噪聲分析

某船舶機艙主機功率額定安功率為 1200 kW，額定轉速為1 000 r/min；柴油發電機組有3臺，一臺備用，其中柴油機為TBD234V6，額定功率為186 kW，額定轉速為1500 r/min;發電機為1FC6 286-4SA45，額定功率為150 kW[3]。圖4、圖5分別為主機和發電機組在額定轉速下倍頻程各中心頻率處的噪聲聲壓級。

由圖4可以看出柴油機的排氣噪聲為100 dB以上，且呈明顯的低頻特性，聲能量集中在31.5~500 Hz的頻率范圍內，其中主要頻率為31.5 Hz和63 Hz，而進氣噪聲高達112.9 dB，且呈明顯的高頻特性，聲能量主要集中在1~16 kHz范圍內；由圖5可以看出柴油發電機組的排氣噪聲為103.7 dB，其主要頻率為63 Hz和125 Hz；而進氣噪聲為108 dB以上，其主要頻率為500 Hz~16 kHz[3]。可以看出主機的噪聲能量是船舶機艙的最大噪聲源，還有主機增壓器的噪聲也是比較大的，所以可以根據需要在主機附近安置較多的聲能接收裝置。另外由于主機等機器設備的強烈機械震動產生嚴重的低頻噪聲能量，因此機艙內低頻、中頻和高頻噪聲都有，所以如果采用三種不同的聲波接收器，接受不同頻段的噪聲波，從而最大限度的降低噪聲，也提高了聲電轉換效率。

圖4 主機進排氣噪聲級

圖5 發電機組進排氣噪聲級

3 船舶機艙噪聲發電綜合分析

動圈式聲電轉換器的結構如圖1所示，當聲壓P作用于振膜從而帶動動圈震動切割磁感線，根據法拉第電磁感應定律，便會在線圈中產生感應電動勢。根據圖 2，通過聲電轉換器矩陣將噪聲能量轉化為電能，送到控制調節單元進行整流調節后通過蓄電池存儲然后供給負載或者直接供給一些負載。

船舶正常航行時，一般有兩臺發電機運行，現取主機與發電機組的吸氣噪聲排氣噪聲都為X1=X2=X3=X4=100 dB， 由 式 1得 ：Y1=Y2=Y3=Y4=10X/10(mW)=1010W=10 kW。

另外還有渦輪增壓器的噪聲大約估算為Y5=10 kW，則整個機艙噪聲功率至少為：Y=Y1+Y2+Y3+Y4+Y5=50 kW。所以如果將船舶機艙的噪聲能量全部換轉為電能，則每小時至少可以發出50度電。相當于一臺小型發電機的發電量，但是一方面由于噪聲能量不能完全被聲波接收器吸收，另一方面目前所研究的聲電轉換效率都比較低，噪聲發電量也是比較少。所以為了最大限度的吸收船舶機艙的噪聲能量，選用不同的聲波接受器，并且應安裝在機艙合理的位置，以最大限度的吸收不同頻段的噪聲能量。

根據Tenghsien Lai設計的聲能微型發電機，尺寸為3 mm×3 mm省電轉換器能夠得帶的最大感應電動勢為0.24 mV。如果將這種微型電磁轉換器用到船舶機艙中，一個1平方米內的空間安裝這樣的微型電磁轉換器，則其最大感應電動勢為：V=26 V，考慮機艙噪聲頻率的不一致性及空間的復雜性，假設其可產生最大感應電動勢V=20 V，在船舶機艙中的發電機組、主機周圍分別安裝八塊1平方米的微型發電機矩陣，并將各塊發電機矩陣板串聯起來，則可得到最大電壓為320 V，考慮電路傳輸損失及控制調節單元的功耗，則最后可得最大電壓為V=250 V，見圖3所示。

4 結論

根據計算數據表明，通過在船舶機艙安裝噪聲發電裝置，不僅能夠有效減少機艙噪聲污染，而且能夠產生電能。另外如果能根據機艙噪聲分布的特點，對聲電轉換裝置進行合理的布局，選擇更高性能的聲電轉換材料，進一步提高聲電轉換效率，從而充分發揮噪聲發電的優勢，提高噪聲發電效率，最大限度的減少機艙噪聲污染。

[1]荀華, 宋長忠, 韓建春. 噪聲發電研究的展望.能源與環境, 2010(1).

[2]王云利, 董衛, 吳宵軍. 聲能發電系統的理論與實驗研究.能源及環境, 2009(8).

[3]王術新, 王斌, 黃興華. 船舶機艙噪聲控制. 艦船科學技術, 2003, (10).

[4]TenghsienLai, ChanghanHuang, ChingfuTsou, Design and fabrication of acoustic wave actuated microgenerator for portable electronic devices, Symposiumon Design, Test, Integrationand Packaging of MEMS/MOEMS, DTIP2008, Nice, France, p.28-33.