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利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置及方法

申请号 CN202410117672.4 申请日 2024-01-29 公开(公告)号 CN117937980A 公开(公告)日 2024-04-26
申请人 东华大学; 发明人 徐洋; 马智宇; 盛晓伟; 解国升;
摘要 本 发明 公开了利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置及方法,属于噪声控制与声能发电领域,包括:多腔室吸声器包括第一亥姆霍兹共振器和多个与第一亥姆霍兹共振器连通的第二亥姆霍兹共振器,多个第二亥姆霍兹共振器沿第一亥姆霍兹共振器的周向均匀设置,并与第一亥姆霍兹共振器连通;第一亥姆霍兹共振器和第二亥姆霍兹共振器之间的连接处设置有聚声结构;压电陶瓷片包括第一压电陶瓷片和多个第二压电陶瓷片,多个第二压电陶瓷片与多个第二亥姆霍兹共振器一一对应设置,且在第二亥姆霍兹共振器的开口处 接触 连接。本发明提供的二阶多腔式亥姆霍兹共振器提高了吸声效果,将声能转 化成 电能 ,实现噪声发电。
权利要求

1.利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置,其特征在于,包括:
多腔室吸声器,所述多腔室吸声器包括第一亥姆霍兹共振器和多个第二亥姆霍兹共振器,多个所述第二亥姆霍兹共振器沿所述第一亥姆霍兹共振器的周向均匀设置,并与所述第一亥姆霍兹共振器连通;所述第一亥姆霍兹共振器和所述第二亥姆霍兹共振器之间的连接处设置有聚声结构;
压电陶瓷片,所述压电陶瓷片包括第一压电陶瓷片和多个第二压电陶瓷片,多个所述第二压电陶瓷片与多个所述第二亥姆霍兹共振器一一对应设置,且在所述第二亥姆霍兹共振器的开口处接触连接;所述第一压电陶瓷片与所述第一亥姆霍兹共振器的开口处接触连接。
2.根据权利要求1所述的利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置,其特征在于,所述第一亥姆霍兹共振器和所述第二亥姆霍兹共振器的共振频率均满足以下关系式:
其中,c0为空气声速,V为空腔体积,r为颈部截面半径,t为颈部半径,Δt为声学末端修正系数,f0为亥姆霍兹共振频率。
3.根据权利要求1所述的利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置,其特征在于,所述第一亥姆霍兹共振器包括第一阶亥姆霍兹共振器颈部和第一阶亥姆霍兹共振器腔,所述第一阶亥姆霍兹共振器颈部和第一阶亥姆霍兹共振器腔的一端连通;所述第二亥姆霍兹共振器包括第二阶亥姆霍兹共振器颈部和第二阶亥姆霍兹共振器腔,所述第二阶亥姆霍兹共振器颈部的一端和第二阶亥姆霍兹共振器腔连通,所述第二阶亥姆霍兹共振器颈部的另一端与所述聚声结构的第一端连通,所述聚声结构的第二端与所述第一阶亥姆霍兹共振器腔的侧壁连通。
4.根据权利要求3所述的利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置,其特征在于,所述第一亥姆霍兹共振器颈部为具有中空结构的圆柱形平波管,所述第一亥姆霍兹共振器腔由矩形腔体外壳围设而成,所述矩形腔体外壳为内部中空的方体结构;所述圆柱形平波管的一端连接有环形固定外沿,所述圆柱形平波管的另一端与所述矩形腔体外壳的一端固定连接;所述圆柱形平波管的中空腔与所述矩形腔体外壳的中空腔连通;
所述矩形腔体外壳上远离所述圆柱形平波管一端设置有开口,所述矩形腔体外壳的开口处设置有矩形压电片安装座,所述第一压电陶瓷片设置在所述矩形压电片安装座上。
5.根据权利要求4所述的利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置,其特征在于,所述圆柱形平波管的设计满足入射声波小于等于平波管的截止频率原则,所述圆柱形平波管的截止频率fc和所述圆柱形平波管的半径a满足以下关系式:
其中,a为圆柱形平波管半径,c0为空气声速,fc为截止频率。
6.根据权利要求4所述的利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置,其特征在于,所述环形固定外沿上周向均匀设置有多个固定孔。
7.根据权利要求6所述的利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置,其特征在于,所述矩形腔体外壳上依次连接的四个外侧壁上均分别并排设置有三个所述第二亥姆霍兹共振器;所述第二亥姆霍兹共振器包括第二阶亥姆霍兹共振器壳体和第二阶亥姆霍兹共振器颈孔,所述第二阶亥姆霍兹共振器壳体为内部中空的圆柱形结构,所述第二阶亥姆霍兹共振器颈孔与所述第二阶亥姆霍兹共振器壳体的中空腔连通;所述第二阶亥姆霍兹共振器颈孔设置在所述第二阶亥姆霍兹共振器壳体与所述矩形腔体外壳的连接处;
所述第二阶亥姆霍兹共振器壳体远离所述第二阶亥姆霍兹共振器颈孔的一端设置有开口,所述第二阶亥姆霍兹共振器壳体的开口处设有圆柱形压电片安装座,所述第二压电陶瓷片设置在所述圆柱形压电片安装座上。
8.根据权利要求7所述的利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置,其特征在于,所述矩形腔体外壳的内壁与所述聚声结构连接,所述聚声结构上设置有聚声结构外孔,所述聚声结构外孔与所述第二阶亥姆霍兹共振器颈孔相通。
9.根据权利要求8所述的利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置,其特征在于,所述聚声结构为由所述第一阶亥姆霍兹共振器腔向所述第二阶亥姆霍兹共振器腔方向上逐渐收缩的喇叭形结构。
10.根据权利要求9所述的利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置,其特征在于,所述第一压电陶瓷片为矩形压电陶瓷片,且所述第一压电陶瓷片与所述矩形腔体外壳的开口适配;所述第二压电陶瓷片为圆形压电陶瓷片,且所述第二压电陶瓷片与所述第二阶亥姆霍兹共振器壳体的开口适配。

说明书全文

利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于噪声控制与声能发电领域,具体地涉及一种利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置及方法。

背景技术

[0002] 随着我国城市化的建设,交通网络变得越来越完善,但随之而来的噪声问题却困扰着人们,它给人们的生活质量以及身体健康带来恶劣影响;传统的噪声处理手段是使用降噪屏障降低噪声,降噪效果好,但是建造成本较高,占地面积较大。
[0003] 随着太阳能能、热能能量转换技术取得重大发展,不少研究人员开始思考,能否采用声能收集技术吸收噪声并转化为电能
[0004] 亥姆霍兹共振器具有共振吸声特性,当外界噪声频率接近于亥姆霍兹共振器频率时,使其体内形成的弹簧—振子质量系统发生共振,表现出优良的吸声效果,它会将外界噪声吸收,并聚集到亥姆霍兹共振腔中,与其他的吸声材料采用反射、隔离声波来降低噪声不同,亥姆霍兹共振器通过吸收、损耗声波能量实现降低噪声,且可处理穿透性较强的低频噪声。
[0005] 现有的噪声发电装置多采用声波驱动压电悬臂梁直接形变的方式实现噪声发电,不具备声能聚集能,微量的声波驱动能力差,难以让压电悬臂梁产生较大形变,噪声发电量较低;亥姆霍兹共振器将声波能量吸收至共振腔内的特性,对噪声发电技术带来不少启发,将其聚集吸收的声能与能量转化技术结合,从而实现声能到电能的转化。
[0006] 中国专利CN202011459218.5,公开了一种压电-电磁式噪声发电装置;该装置包括锥型收音器、压电悬臂梁、亥姆霍兹共振器,永磁等,亥姆霍兹共振器接收锥型收音器传导的声音,压电悬臂梁将亥姆霍兹共振器吸收的声音转化为电能,同时永磁铁被悬臂梁带动,切割磁感线产生电能;该发明结构复杂,且只利用了单个亥姆霍兹共振器吸收声能,却采用压电悬臂梁与永磁铁转化电能,声能吸收效率低,转化电能过程复杂,不稳定,导致能量转化效率低。
[0007] 因此,目前噪声发电技术存在声能吸收能力不足、需要较大的声压级才能实现声能收集、发电功率较小等问题。

发明内容

[0008] 为了解决上述问题,本发明提供一种利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置及方法,采取了如下技术方案:
[0009] 利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置,包括:
[0010] 多腔室吸声器,所述多腔室吸声器包括第一亥姆霍兹共振器和多个第二亥姆霍兹共振器,多个所述第二亥姆霍兹共振器沿所述第一亥姆霍兹共振器的周向均匀设置,并与所述第一亥姆霍兹共振器连通;所述第一亥姆霍兹共振器和所述第二亥姆霍兹共振器之间的连接处设置有聚声结构;
[0011] 压电陶瓷片,所述压电陶瓷片包括第一压电陶瓷片和多个第二压电陶瓷片,多个所述第二压电陶瓷片与多个所述第二亥姆霍兹共振器一一对应设置,且在所述第二亥姆霍兹共振器的开口处接触连接;所述第一压电陶瓷片与所述第一亥姆霍兹共振器的开口处接触连接。
[0012] 进一步地,所述第一亥姆霍兹共振器和所述第二亥姆霍兹共振器的共振频率均满足以下关系式:
[0013]
[0014] 其中,c0为空气声速,V为空腔体积,r为颈部截面半径,t为颈部半径,Δt为声学末端修正系数,f0为亥姆霍兹共振频率。
[0015] 进一步地,所述第一亥姆霍兹共振器包括第一阶亥姆霍兹共振器颈部和第一阶亥姆霍兹共振器腔,所述第一阶亥姆霍兹共振器颈部和第一阶亥姆霍兹共振器腔的一端连通;所述第二亥姆霍兹共振器包括第二阶亥姆霍兹共振器颈部和第二阶亥姆霍兹共振器腔,所述第二阶亥姆霍兹共振器颈部的一端和第二阶亥姆霍兹共振器腔连通,所述第二阶亥姆霍兹共振器颈部的另一端与所述聚声结构的第一端连通,所述聚声结构的第二端与所述第一阶亥姆霍兹共振器腔的侧壁连通。
[0016] 进一步地,所述第一亥姆霍兹共振器颈部为具有中空结构的圆柱形平波管,所述第一亥姆霍兹共振器腔由矩形腔体外壳围设而成,所述矩形腔体外壳为内部中空的方体结构;所述圆柱形平波管的一端连接有环形固定外沿,所述圆柱形平波管的另一端与所述矩形腔体外壳的一端固定连接;所述圆柱形平波管的中空腔与所述矩形腔体外壳的中空腔连通;
[0017] 所述矩形腔体外壳上远离所述圆柱形平波管一端设置有开口,所述矩形腔体外壳的开口处设置有矩形压电片安装座,所述第一压电陶瓷片设置在所述矩形压电片安装座上。
[0018] 进一步地,所述圆柱形平波管的设计满足入射声波小于等于平波管的截止频率原则,所述圆柱形平波管的截止频率fc和所述圆柱形平波管的半径a满足以下关系式:
[0019]
[0020] 其中,a为圆柱形平波管半径,c0为空气声速,fc为截止频率。
[0021] 进一步地,所述环形固定外沿上周向均匀设置有多个固定孔。
[0022] 进一步地,所述矩形腔体外壳上依次连接的四个外侧壁上均分别并排设置有三个所述第二亥姆霍兹共振器;所述第二亥姆霍兹共振器包括第二阶亥姆霍兹共振器壳体和第二阶亥姆霍兹共振器颈孔,所述第二阶亥姆霍兹共振器壳体为内部中空的圆柱形结构,所述第二阶亥姆霍兹共振器颈孔与所述第二阶亥姆霍兹共振器壳体的中空腔连通;所述第二阶亥姆霍兹共振器颈孔设置在所述第二阶亥姆霍兹共振器壳体与所述矩形腔体外壳的连接处;
[0023] 所述第二阶亥姆霍兹共振器壳体远离所述第二阶亥姆霍兹共振器颈孔的一端设置有开口,所述第二阶亥姆霍兹共振器壳体的开口处设有圆柱形压电片安装座,所述第二压电陶瓷片设置在所述圆柱形压电片安装座上。
[0024] 进一步地,所述矩形腔体外壳的内壁与所述聚声结构连接,所述聚声结构上设置有聚声结构外孔,所述聚声结构外孔与所述第二阶亥姆霍兹共振器颈孔相通。
[0025] 进一步地,所述聚声结构为由所述第一阶亥姆霍兹共振器腔向所述第二阶亥姆霍兹共振器腔方向上逐渐收缩的喇叭形结构。
[0026] 进一步地,所述第一压电陶瓷片为矩形压电陶瓷片,且所述第一压电陶瓷片与所述矩形腔体外壳的开口适配;所述第二压电陶瓷片为圆形压电陶瓷片,且所述第二压电陶瓷片与所述第二阶亥姆霍兹共振器壳体的开口适配。
[0027] 有益效果:
[0028] (1)本发明所提出的一种利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置,采用多个腔体谐振的方式从外界噪声回收声能,声能吸收能力强,与现有的噪声发电装置相比,本发明在较低声压级的环境下就可实现声能收集,应用范围更广,更具备应用价值。
[0029] (2)本发明所提出的一种利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置,声能吸收原理为亥姆霍兹共振效应,利用圆柱形平波管与矩形腔体构成第一阶亥姆霍兹共振器,矩形腔体4个内侧壁面以串联的方式排列12个小亥姆霍兹共振器,构成第二阶亥姆霍兹共振器;二阶亥姆霍兹共振结构具有双峰特性,拥有两个亥姆霍兹共振频率,两者的共振频率相近,两者共振效应相互影响,提高声能收集效果。
[0030] (3)本发明所提出的一种利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置,矩形腔体与第二阶亥姆霍兹共振器间设置圆台型聚声结构相连接,增大第二阶亥姆霍兹共振器与噪声的接触面积,提高声能吸收量,扩大噪声吸收范围。附图说明
[0031] 图1为本发明的利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置的多腔室吸声器的模型概念图
[0032] 图2为本发明的利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置的多腔室吸声器的整体结构示意图;
[0033] 图3为本发明的利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置的多腔室吸声器的主视图;
[0034] 图4为本发明的利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置的整体结构示意图;
[0035] 图5为本发明的利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置的传递损失仿真图;
[0036] 图6为本发明的利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置与单阶多腔式噪声发电装置的发电功率对比图;
[0037] 其中,1、第一阶亥姆霍兹共振器颈部;2、第一阶亥姆霍兹共振器腔;3、聚声结构;4、第二阶亥姆霍兹共振器颈部;5、第二阶亥姆霍兹共振器腔;6、环形固定外沿;7、固定孔;
8、圆柱形平波管;9、矩形腔体外壳;10、第二阶亥姆霍兹共振腔壳体;11、圆柱形压电片安装座;12、第二阶亥姆霍兹共振器颈孔;13、聚声结构外孔;14、矩形压电片安装座;15、多腔室吸声器;16、第二压电陶瓷片;17、第一压电片陶瓷片。

具体实施方式

[0038] 上述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,而可依照说明书的内容予以实施,并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂,以下特举本发明的具体实施方式。
[0039] 实施例1
[0040] 参照图1‑4,利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置,包括:
[0041] 多腔室吸声器15,所述多腔室吸声器15包括第一亥姆霍兹共振器和多个与所述第一亥姆霍兹共振器连通的第二亥姆霍兹共振器,多个所述第二亥姆霍兹共振器沿所述第一亥姆霍兹共振器的周向均匀设置,并与所述第一亥姆霍兹共振器连通;所述第一亥姆霍兹共振器和所述第二亥姆霍兹共振器之间的连接处设置有聚声结构3;
[0042] 压电陶瓷片,所述压电陶瓷片包括第一压电陶瓷片17和多个第二压电陶瓷片16,多个所述第二压电陶瓷片16与多个所述第二亥姆霍兹共振器一一对应设置,且在所述第二亥姆霍兹共振器的开口处接触连接;所述第一压电陶瓷片17与所述第一亥姆霍兹共振器的开口处接触连接。
[0043] 通过上述技术方案,多个同尺寸同共振频率的亥姆霍兹共振器相串联能够提高多腔式吸声器同一频段的吸声能力;第一阶亥姆霍兹共振器与第二阶亥姆霍兹共振器共振频率相近,当第一阶亥姆霍兹共振器发生共振效应时,第一阶亥姆霍兹共振器吸声能力提高,而第二阶亥姆霍兹共振器共振频率较为接近,使第二阶亥姆霍兹共振器处于弱共振效应,加快吸收第一阶亥姆霍兹共振器腔内的声能,变相增大了第一阶亥姆霍兹共振器的腔内声能容量,使第一阶亥姆霍兹共振器吸声能力提高;第一阶亥姆霍兹共振器处于共振效应下,腔内声能大量聚集,使腔内声压变大,加快声能涌入声压较小的第二阶亥姆霍兹共振器;第一阶亥姆霍兹共振器与第二阶亥姆霍兹共振器两者共振频率相互影响,吸声能力都得到提高,两者共振频率相近但不相同,使多腔式吸声器的吸声频带扩宽。
[0044] 在本实施例中,所述第一亥姆霍兹共振器包括第一阶亥姆霍兹共振器颈部1和第一阶亥姆霍兹共振器腔2,所述第一阶亥姆霍兹共振器颈部1和第一阶亥姆霍兹共振器腔2的一端连通;所述第二亥姆霍兹共振器包括第二阶亥姆霍兹共振器颈部4和第二阶亥姆霍兹共振器腔5,所述第二阶亥姆霍兹共振器颈部4的一端和第二阶亥姆霍兹共振器腔5连通,所述第二阶亥姆霍兹共振器颈部4的另一端与所述聚声结构3的第一端连通,所述聚声结构3的第二端与所述第一阶亥姆霍兹共振器腔2的侧壁连通。
[0045] 在本实施例中,所述第一亥姆霍兹共振器和所述第二亥姆霍兹共振器的共振频率均满足以下关系式:
[0046]
[0047] 其中,c0为空气声速,V为空腔积,r为颈部截面半径,t为颈部半径,Δt为声学末端修正系数,f0为亥姆霍兹共振频率。
[0048] 优选的,设计的多腔式吸声器中,第一阶亥姆霍兹共振器颈部1半径为25mm,长度为62mm;第一阶亥姆霍兹共振器腔2长宽均为50mm,高为120mm;聚声结构3下底半径为15mm,上底半径为1.5mm,高度为4mm;第二阶亥姆霍兹共振器颈部4半径为1.5mm,高度为8mm;第二阶亥姆霍兹共振器腔5半径为15mm,高为15mm;计算得第一阶亥姆霍兹共振器共振频率为421Hz,第二阶亥姆霍兹共振器共振频率为440Hz,两者共振频率相近。
[0049] 通过上述技术方案,亥姆霍兹共振器的设计需要满足共振频率处于低频段,提升噪声发电装置的低频吸声能力;第一阶亥姆霍兹共振器的共振频率与第二阶亥姆霍兹共振器的共振频率相近但不相同,从而提高声能收集效果。
[0050] 在本实施例中,第一亥姆霍兹共振器颈部1为具有中空结构的圆柱形平波管8,第一亥姆霍兹共振器腔2由矩形腔体外壳9围设而成,矩形腔体外壳9为内部中空的方体结构;圆柱形平波管8的一端连接有环形固定外沿6,圆柱形平波管8的另一端与矩形腔体外壳9的一端固定连接;圆柱形平波管8的中空腔与矩形腔体外壳9的中空腔连通;
[0051] 矩形腔体外壳9上远离圆柱形平波管8一端设置有开口,矩形腔体外壳9的开口处设置有矩形压电片安装座14,第一压电陶瓷片17设置在矩形压电片安装座14上。
[0052] 优选的,为了使多腔式吸声器15中的亥姆霍兹共振器顶端封闭,便于压电陶瓷边缘固定,在第二阶亥姆霍兹共振腔壳体10顶端设置高度为1mm,外圈半径17.5mm,内圈半径15mm的圆形压电片安装座11。在矩形腔体外壳9顶端设置高度为1mm,外圈矩形长宽60mm,内圈矩形长宽50mm的矩形压电片安装座14。
[0053] 通过上述技术方案,圆柱形平波管8与矩形腔体(矩形腔体外壳9的内腔)连通构成第一阶亥姆霍兹共振器,吸收外界噪声,矩形腔体内壁上以串联阵列的方式排列12个亥姆霍兹共振器,每个亥姆霍兹共振器的颈部安装聚声结构,增加吸声效果;每个亥姆霍兹共振器的顶部安装压电陶瓷,将吸收的声能转化为电能。
[0054] 通过上述技术方案,噪声发电装置的多腔式吸声器15与压电陶瓷间通过胶固定;噪声经圆柱形平波管8,分别聚集至第一阶亥姆霍兹共振器与第二阶亥姆霍兹共振器腔内;在各个亥姆霍兹腔的顶端,采用硅胶边缘固定的方式装载压电陶瓷,固定压电陶瓷的同时,使其保持较佳弹性与振动能力,使共振器形成顶端密闭的腔;腔内聚集的声能在腔内振动,使压电陶瓷受压力作用,压电陶瓷受力变形产生压电效应,在压电片表面产生交变电流,将压电陶瓷间进行串联、并联,实现噪声发电。
[0055] 在本实施例中,环形固定外沿6上周向均匀设置有多个固定孔7。
[0056] 在本实施例中,矩形腔体外壳9上依次连接的四个外侧壁上均分别并排设置有三个第二亥姆霍兹共振器;第二亥姆霍兹共振器包括第二阶亥姆霍兹共振器壳体10和第二阶亥姆霍兹共振器颈孔12,第二阶亥姆霍兹共振器壳体10为内部中空的圆柱形结构,第二阶亥姆霍兹共振器颈孔12与第二阶亥姆霍兹共振器壳体10的中空腔连通;第二阶亥姆霍兹共振器颈孔12设置在第二阶亥姆霍兹共振器壳体10与矩形腔体外壳9的连接处;
[0057] 第二阶亥姆霍兹共振器壳体10远离第二阶亥姆霍兹共振器颈孔12的一端设置有开口,第二阶亥姆霍兹共振器壳体10的开口处设有圆柱形压电片安装座11,第二压电陶瓷片16设置在圆柱形压电片安装座11上。
[0058] 优选的,第二阶亥姆霍兹共振腔壳体10与半径1.5mm,深度为8mm的第二阶亥姆霍兹共振器颈孔12组成了第二阶亥姆霍兹共振器。第二阶亥姆霍兹共振器颈孔12与聚声结构外孔13连通,扩大第二阶亥姆霍兹共振器颈孔12的吸声范围。
[0059] 优选的,多腔式吸声器15整体结构如图2,环形固定外沿6厚度5mm,外环半径50mm,内环半径25mm,固定孔7半径2.5mm,供噪声发电装置固定使用;圆柱形平波管8壁厚5mm,与矩形腔体外壳9相连,矩形腔体外壳9壁厚12mm,两者组成了第一阶亥姆霍兹共振器;矩形腔体外壳9四个侧壁面,每个侧壁面以40mm的等距长,安装厚度为4mm的第二阶亥姆霍兹共振腔壳体10。
[0060] 通过上述技术方案,第一阶亥姆霍兹共振器颈部1为圆柱形平波管8,第一阶亥姆霍兹共振器腔2为矩形腔体外壳9围设成的矩形腔体;多腔式吸声器15经以上亥姆霍兹共振器共振频率设计结构尺寸,矩形腔体作为第一阶亥姆霍兹共振器的腔体,同时要连接多个第二阶亥姆霍兹共振器,因此尺寸需要设计的足够大;第二阶亥姆霍兹共振器共振频率要与第一阶亥姆霍兹共振器接近,同时尺寸需要设计的较小,使其能够串联多个相同尺寸的第二阶亥姆霍兹共振器。
[0061] 在本实施例中,所述圆柱形平波管8的设计满足入射声波小于等于平波管的截止频率原则,所述圆柱形平波管8的截止频率fc和所述圆柱形平波管8的半径a满足以下关系式:
[0062]
[0063] 其中,a为圆柱形平波管8半径,c0为空气声速,fc为截止频率。
[0064] 通过上述技术方案,机场、工厂、交通繁杂路段等环境,常见声源频率小于2000Hz,因此圆柱形平波管的截止频率应设计为大于2000Hz。
[0065] 在本实施例中,所述矩形压电片安装座的内壁与所述聚声结构连接,所述聚声结构上设置有聚声结构外孔,所述聚声结构外孔与所述第二阶亥姆霍兹共振器颈孔相通。
[0066] 在本实施例中,所述矩形腔体外壳9的内壁与所述聚声结构3连接,所述聚声结构3上设置有聚声结构外孔13,所述聚声结构外孔13与所述第二阶亥姆霍兹共振器颈孔12相通。
[0067] 在本实施例中,所述聚声结构3为由所述第一阶亥姆霍兹共振器腔2向所述第二阶亥姆霍兹共振器腔5方向上开口逐渐收缩的喇叭形结构。
[0068] 在本实施例中,所述第一压电陶瓷片17为矩形压电陶瓷片,且所述第一压电陶瓷片17与所述矩形腔体外壳9的开口适配;所述第二压电陶瓷片16为圆形压电陶瓷片,且所述第二压电陶瓷片16与所述第二阶亥姆霍兹共振器壳体10的开口适配。
[0069] 优选的,圆形压电陶瓷片采用半径17.5mm,厚度为0.2mm的压电陶瓷。矩形压电陶瓷片采用长宽为60mm,厚度为0.2mm的压电陶瓷。
[0070] 如图5所示,噪声发电装置产生了两次亥姆霍兹共振效应,在416Hz和443Hz分别达到共振峰值,存在明显的窄带特性,与计算结果误差在允许范围内;第一阶共振频率与第二阶共振频率相互作用,使传递损失得到显著提高,同时扩宽了共振频带,提升了吸声效果。
[0071] 如图6所示,对本实施例的发电性能进行检测,并对比与本实施例尺寸类似的单阶多腔式噪声发电装置的发电性能,二阶多腔式噪声发电装置在不同频率下的发电功率均高于单阶多腔式噪声发电装置,最高发电功率达到了0.5852mW,同时二阶多腔式噪声发电装置存在两个共振峰,在400—500Hz均有较好的噪声发电效果,拓宽了噪声发电的作用频段。
[0072] 从上述结果可见,本发明的一种利用二阶多腔式亥姆霍兹器的噪声发电装置,无需较大的入射声压级,即可有效提高声能吸收效率与声能收集效率。
[0073] 本发明提供的一种利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置中的二阶多腔式亥姆霍兹共振器能大大提高吸声效果,减少了噪声,且将声能吸收至腔中后,又能通过噪声发电装置将声能转化成电能,达到噪声发电的目的,从而减少能源成本,促进低城市建设。
[0074] 以上所述,仅是本发明较佳实施例而已,并非对本发明的技术范围作任何限制,故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何细微修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围。
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