声能发电声能发电技术是一种新型的发电技术，它可以通过换能器实现声能到电能的转换。声能发电系统是声能收集装置和换能器两部分组成，声能收集装置有许多不同形式，例如霍尔姆兹共鸣器对入射声波进行收集和放大、利用声学晶体共振腔将入射声波驻留等;换能器是声能发电装置的核心部件，根据换能器的不同种类将声能发电装置主要分为压电式、电磁式和静电式三种形式，实现声能到电能的转换。根概述了三种不同形式声能发电装置，介绍了不同装置的特点及系统优化方法，展望了声能发电系统可能的发展方向。 中文名声能发电 外文名sound generation 学科电气工程 领域能源 分类压电式、电磁式、静电式 类型发电技术 基本信息由于现代工业化社会对能源的需求越来越大，能源危机的问题也越来越引起人们的重视。近年来人们把研究的目光集中在环境中可利用的潜在能源，包括太阳能、热能、机械能、化学能、生物能和声能的利用。 噪音污染对人们生活和健康有相当大的危害，且噪声的来源非常广泛，比较常见的噪声源有机器噪声、交通噪声、风扇噪声和排气噪声等。但噪声也是一种具有相当能量值的潜在能源。例如噪声达到160dB的喷气式飞机，其声功率约为IOkW;噪声达到140dB的大型鼓风机，其声功率为100W,其他各种情况如汽车、音响等声源产生的噪声也具有很大的能量值。为了将这部分能量回收利用，我们可以采用声能发电装置，将环境中的声能转化为电能，这样不仅可以有效地降低环境中的噪声，保护环境，而且可以变噪声污染为资源有效地加以利用。 工作原理声能发电系统是声能收集装置和换能器两部分组成，声能收集装置有许多不同形式，例如霍尔姆兹共鸣器对入射声波进行收集和放大、利用声学晶体共振腔将入射声波驻留等;换能器是声能发电装置的核心部件，根据换能器的小同种类将声能发电装置主要分为压电式、电磁式和静电式三种形式，实现声能到电能的转换。 压电式声能发电装置采用压电材料作为换能元件，入射声波通过时引起压电晶体产生形变，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表而上出现正负相反的电荷产生电动势，即通过压电效应实现声能到电能的转换;电磁式声能发电装置是以基于法拉第电磁感应法则的电磁式换能器为换能元件，主要山固定于磁路中的线圈和可振动的铁磁性部件所组成，当一定频率的声波通过时会引起线圈或者铁磁性部件的运动，线圈切割磁力线而产生交变的电流;静电式声能发电装置采用静电式换能器也称电容式换能器为换能元件，山振膜和后极板组成可变电容，入射声波作用到振膜上，振膜的振动引起可变电容的变化，从而将声能转换为电能。 压电式压电材料有较好的机电祸介效应，以压电材料为换能器的声能发电系统一自处于主导地位，得到得到了较好的研究和发展。 微型霍尔姆兹压电式声能发电机 美国Florida州立大学的HorowitzS H‘等人于2005年研发了一种微型机电霍尔姆兹声能发电机，将飞机引擎噪声转换为电能为电池系统充电，该电池系统驱动一个抑制飞机引擎噪音的无线活动声衬。柔性的压电复介振膜取代霍尔姆兹共鸣器的刚性背板，以霍尔姆兹共鸣器为声压放大器，精细加工的环形硅压电复介振膜为换能元件，在霍尔姆兹共鸣器内产生一个祸介共振系统，再山压电效应将声能转换为电能，整介后被存储在电池中。为进行测试实验，系统连接一个平而波导管，入射声波撞击声学换能器如图示虚线部分。声源有一个BMS4590P的同轴压缩驱动产生，采用双传感器法测量输入声功，通过互换传感器来消除独立传感器的校准误差。实验得到了系统的谐振频率和处于谐振状态时的最优电阻负载，即在149dB的声压级下，系统最大输出电功密度达到0. 34 W/cm2。在原有设计基础上，提高加工工艺水平，潜在的输出电功密度最高可以达到2501 W/cm2. 在发动机管道内敷设声衬是降低发动机噪声辐射的主要途径，而传统的用于航空发动机短舱的微穿孔消声声衬都是进行被动噪声控制。山于固定的结构使它们具有固定的共振频率和声学阻抗，限制了抑噪的带宽。美国Florida州立大学的Kadirvel S等人尝试解决此问题，于2006年设计和制作了一种自供能无线控制主动声衬l。系统的实验装置图如图3所示，该装置包括一个具有压电材料背板的可调谐的Helmholt:共鸣器，用于修正声学阻抗边界条件及实现声能到电能的转换;一个声能收集模块，作为系统的电源为无线接收器和模拟开关提供电功;一个电源电路将压电换能器产生的交流电压转换为自流电压。通过将FMHR与被动电分流网络祸介来调节共鸣器的声阻抗5。从一个被动的网络切换到另一个，相同的共鸣器实现了小同的阻抗边界条件。无线接收器和模拟开关工作电压为3. 5V，需要6mW的电功率，利用产生的电能向他们供电。通过一个自供电无线控制主动声衬外部的300MH:发射机发送指令修正主动声衬的声学阻抗。通过实验验证了自供电无线控制主动声衬的设想是可行的。 流纳米声能发电机 在纳米技术发展和供能装置便捷小型化需求下，美国佐治亚理工学院教授土中林研究小组于2006年利用竖自结构7.0纳米线，研发了将机械能转化为电能的世界上最小的发电装置—自立式纳米发电机。在第一代自立式纳米发电机基础上，他们又于2007年研发了山超声波驱动的自流纳米发电相L。发电机垂自排列的7.n0纳米线和7.字形金属电极板组成，在超声波驱动下山压电半导体祸介过程将机械能转换为电能。纳米发电机的设计原理及输出的自流电流如图4所示， 声学晶体共振腔声能发电系统 在传递光谱缺陷模式、有缺失的声学晶体的声波驻留特性的理论和实验研究基础上，台湾国立成功大学的liang-YuWu等人于2009年研发了一种新型声学晶体共振腔声能发电系统。系统山声学晶体和压电材料换能器组成。功率发生器连接扬声器作为声源，PMMA圆柱组成5X5的缺失声学晶体，被固定在一个PMMA平板上，移除一根形成共振腔体，压电换能器置于声学晶体腔内进行能量转换。实验测出当入射声波为4. 2kH7.负载为3. 9k。时能产生最大输出电能。即入射声波频率达到晶体的共振频率时声波被驻留在声学晶体腔体内，压电薄膜将之转换为电能，且随着腔体内声压增大压电薄膜的电压输出也增大。选择较大的压电常数，将压电薄膜的共振频率、入射声波的频率和声学晶体腔体的固有频率设计为相同值时，能提高输出电能。 |
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