穿孔板在聲電轉換系統中的應用分析

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(華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

0 引 言

隨著對新型能源開發研究的不斷深入，聲能作為一種在某些場合中的潛在能源的得到了越來越多的關注。就目前的發展狀況看，聲能的利用多數是通過聲波驅動電磁式或壓電式換能器，將聲能轉化成電能[1]。而亥姆霍茲共鳴器由于其對聲音的放大作用在聲電轉換的研究中得到許多研究人員的應用。美國福羅里達州立大學的Kadirvel S等設計和制作的自供電無線控制主動聲襯系統通過可調頻的亥姆霍茲共鳴器修正聲學阻抗邊界條件，并將柔性的壓電復合振膜取代標準的剛性亥姆霍茲共鳴器背板實現聲能向電能的轉換[2-4]。但通常應用的亥姆霍茲共鳴器尺寸較小，不能大量的接收聲波，導致聲電轉換系統只能轉換少量的電能，而穿孔板(其實質為多個亥姆霍茲共鳴器的并聯)由于擁有較大的聲波接收面積，可以。實際應用中實現噪聲處理和聲能利用(轉化成電能)兩個目的。因此，對穿孔板在聲電轉換系統中的作用的分析具有相當的實用價值。

1 亥姆霍茲共鳴器及穿孔板簡介

亥姆霍茲(Helmholtz)共鳴器是由頸部(neck)和空腔(cavity)組成，聲學感抗和聲學容抗構成的基本聲振動系統[5]。其典型結構如圖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，但在計算中，各個幾何形狀的共鳴器差別不大，因此本文不加以區分。

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

圖2 穿孔板示意圖

2 聲電轉換系統的理論分析

聲電轉換裝置中，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部經過放大的聲波的驅動下將聲能轉化成電能。根據相關資料，在單個亥姆霍茲共鳴器剛性背板上放置一個換能器時轉換效率最高，因此，在穿孔板上才用相同布置方式，則穿孔板可等效為n個完全相同且相互并聯的亥姆霍茲共鳴器矩陣，每個共鳴器內安裝有一個電磁式換能器[5]。

整個聲電轉換系統科分為三個主要部分，即：

(1) 聲學部分：聲波進入亥姆霍茲共鳴器，在共鳴器的空腔內振動；

(2) 力學部分：聲波驅動電磁式換能器的振膜振動，使換能器的線圈切割磁感線，產生電磁感應現象發出電能；

(3) 電學部分：發出的電能被負載消耗，本文中不詳細討論負載方面的問題，在理論分析中用一等效的模擬負載代替。

由于聲學、力學、電學具有相類似的微分方程，因此通常采用類比的方法進行相關研究。

整個系統的等效電路如圖3所示。

圖3 聲電轉換裝置等效類比電路

其中，為模擬負載，為線圈電阻，為等效電感；為振動系統的等效質量、為振動系統的等效力阻、為振動系統的等效力順。

將電學電路耦合到力學電路，如圖4所示。

圖4 電學電路耦合到力學電路

3 聲電轉換系統實驗研究

針對電廠汽輪機廠房，取環境溫度為25 ℃，查得此溫度下的聲速c=343.2 m/s。根據聲電轉換裝置理論模型，運用matlab軟件編程進行數值模擬，得到聲電轉換單元輸入阻抗的頻率響應特性和輸出電壓的頻率響應特性。亥姆霍茲共鳴器計算參數見表1。

表1 亥姆霍茲共鳴器性能參數表

實驗和模擬得到的聲電轉換單元負載兩端電壓的最大值對應的頻率均在220 Hz左右，即諧振頻率基本一致；但是經matlab仿真得到的電勢差頻率響應波峰要比實驗測量所得尖銳的多、峰值較實驗測量所得到的也大的多。這是因為，一方面，亥姆霍茲共振器實驗采用的材料是PVR管材，并不是聲絕緣材料，聲波在共振過程中會有部分損失；另一方面，H.R.細頸的內徑要比腔體的內徑小的多，因此聲波進入腔體時形成的湍流耗散了部分聲能。

圖5 等效輸入阻抗頻率響應特性

圖5為1號、2號和3號亥姆霍茲共振器的輸入阻抗的頻率響應特性，這三組工況其他參數均相同，只有腔體長度分別為500、300、100 mm。圖6為聲電轉換單元1A輸出電壓幅值的頻率響應圖，從圖中可以看出，聲電轉換單元負載兩端電壓是隨著入射聲波頻率的變化而變化，當入射聲波的頻率達到聲電轉換單元的諧振頻率時，聲電轉換單元的輸出電壓幅值達到最大；并且聲電轉換單元的諧振頻率隨著腔體長度的減小而增大，實驗得到的頻響曲線與模擬曲線基本一致。

圖6 電壓幅值頻率響應圖

通過Matlab編程模擬對電磁式聲電轉換單元輸入阻抗的頻率響應特性進行分析，實驗過程中入射聲壓始終保持120dB不變。實驗測試分為聲壓測試和電壓測試兩個部分，將函數信號發生器與揚聲器相連，函數信號發生器產生具有額定功率的正弦電功率信號，并通過內部自帶功率放大器進行放大，驅動揚聲器產生具有額定功率的正弦聲信號。

將傳聲器1和2分別安裝在聲電轉換單元的入口處及腔體內部，測量到的聲壓信號通過DAQ數據采集系統及Labview軟件進行分析處理，由電腦顯示出來，測試過程中保持傳聲器2處的入射聲壓不變。將數字示波器依次接入需要測量的聲電轉換單元的連接端，調節函數信號發生器輸出電功率的頻率或者幅值，測量聲電轉換單元的輸出電壓隨頻率的變化趨勢。

4 結束語

亥姆霍茲共鳴器作為一種傳統聲學器件能夠作為聲能轉換系統的載體在噪聲利用領域還不多見，具有大膽的創造性思維。為廣大學生對已有設備進行再次開發利用，發掘新型功能進行了有益啟示。噪聲作為人們深惡痛絕難以解決的污染，能夠治理并利用其進行發電，使人們認識到自然環境的可造性和環境保護的可行性。而且，本裝置還可以應用于更多的領域，為治理噪聲污染做出貢獻。

[1] 姚 麗，董 衛，吳仲武．一種電磁式聲電換能器的特性研究[J].電聲技術,2013(1):33-38．

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