基于压电陶瓷材料下的噪声发电研究
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作者:罗兆民 王健明
摘 要：噪音是一类引起人烦躁、或音量过强而危害人体健康的声音。噪声污染仍然是四大污染之一，同样，噪声中也蕴藏着巨大的能量。相对的，噪音应该是声音和声能的一种形式。它的产生和传播是通过振动实现的，振动频率不固定，振幅相对较小。也可以说能量不是很大。虽然能量转换是保守的，但作为发电设备，它伴随着热能、机械能和电能的转换，所以不可能将100%声能转换成电能。我们在前人研究的基础上，加入新型材料压电陶瓷来进一步探究其转化效率。
关键词：噪声发电 压电陶瓷 能源转换 节能减排 亥姆霍兹共鸣腔
中图分类号：TM619 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）05（a）-0064-02
霍洛维茨（Horowitz B）和美国佛罗里达州立大学的其他人在2005年开发了一种微机电赫尔姆斯声能发生器67，该发生器将飞机发动机噪音转化为电能，为驱动抑制飞机发动机噪音的无线主动声学衬垫的电池系统充电。柔性压电复合膜片代替霍尔木兹谐振器的刚性背板，霍尔木兹谐振器用作声压放大器，精细加工的环形硅压电复合膜片用作能量转换元件。霍姆兹共振器（Holmuz共振器）中产生耦合共振系统，声音衬里铺设在发动机管道中，以降低发动机的噪音，这通常会妨碍人们的休息、学习和正常工作，也会干扰人们想要听到的声音。简而言之，我们可以把不规则的声音理解为噪音。噪音有几种来源。一个是周期性的建筑噪音。另一个是交通噪音，它有着持久的影响。第三种噪音是我们的生活噪音，如娱乐场所、打麻将、音乐电视等的噪音。随着现代工业和军事的发展，环境噪声普遍存在。噪声污染已经成为世界七大公害之一。在最近的一项研究中，除了长期精神压力和过度劳累、经常加班和空气污染等环境因素外，噪音污染在我国人口的亚健康状态中排名第四。我们还通过各种方式降低噪音。通过吸声和隔音等。但另一方面，如果我们能够利用河对岸的噪音所蕴含的巨大能量，甚至其中的一部分，我们一定能够减少许多不可再生能源的消耗，从而达到节能减排的目的。因此，它一直是世界各国研究的热点。这种变废为宝、消除污染的技术是当前能源矛盾的需要。
1 研究目的
探索新型压电陶瓷应用与噪声发电装置的可行性，希望能够提高转化效率和装置经济性，变废为宝，发展新能源，为节能减排添砖加瓦。
2 国内外研究现状及已有基础
霍洛维茨（Horowitz B）和美国佛罗里达州立大学的其他人在2005年开发了一种微机电赫尔姆斯声能发生器67，该发生器将飞机发动机噪音转化为电能，为驱动抑制飞机发动机噪音的无线主动声学衬垫的电池系统充电。柔性压电复合膜片代替霍尔木兹谐振器的刚性背板，霍尔木兹谐振器用作声压放大器，精细加工的环形硅压电复合膜片用作能量转换元件。霍尔木兹谐振器中产生耦合谐振系统，声学衬垫铺设在发动机管道中，这是降低发动机噪声辐射的主要途径。然而，用于飞机发动机短舱的传统微穿孔消声声学衬垫用于被动噪声控制。随着纳米技术的发展和能源供应设备方便小型化的需要，美国佐治亚理工学院的王忠林教授的研究团队在2007年开发了一种超声波驱动的DC纳米发电机。该发生器由垂直排列的Zn0mo纳米线和Z形金属电极板组成。在超声波的驱动下，机械能通过压电半导体耦合过程转化为电能。
近些年新型压电陶瓷材料的出现。压电陶瓷就是可以电能和机械能之间相互转换的一种压电元件，给压电陶瓷施加一个力会使其产生电压，这个过程就是正压电效应;给压电陶瓷施加电压使其产生振动，这个过程就是逆压电效应。能量转换的情况：正压电效应：拉伸产生负电压、压缩产生正电压;逆压电效应：正电压导致伸长、负电压导致缩短、交流电压导致伸缩;噪声发电的可行性（1）声音以波的形式传播并具有能量。（2）压电陶瓷是个双向效应元件，在震动下会产生压电效应，可用于发电。（3）根据法拉第电磁感应定律线圈在磁场切割磁感应线产生电流。（4）一切发声的物体都在震动，利用这种震动传递给换能装置进而将无用的声能转化为能够利用机械能转化的电能。
3 新型压电陶瓷声音发电机理
壓电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料-压电效应， 压电陶瓷具有压电性，可用于发电。目前使用的压电陶瓷材料主要以PZT为基材料，其压电性能大大优越于其它压电陶瓷材料，而且可以通过掺杂改性和工艺控制调节材料的电学性能，以满足各种应用需求。
压电陶瓷（PZT）是一种可以用声电转换的材料，将鼓膜声波接收器与能够增大声波积聚的能量的换能器连接，声能转换装置和换能器相互结合可以实现发电。单片压电陶瓷片发电能力较弱，并且已经必分析得出只有当压电陶瓷极间电容和存储电容相等时才能达到最大的能量传输效率。为了解决上述两个问题采用多压电陶瓷片并联的方式。充电电容的选择上选用超级电容，因为超级电容相比较于普通的电解电容具有容量大、循环使用寿命长、不易损坏等优点，适合于多种复杂环境。电磁发电技术目前比较成熟，结合压电效应可以实现噪声利用率提高。采用新型材料压电陶瓷，利用压力变化来发电，并实现储存与充电。结合法拉第电磁感应定律，实现压电式发电与电磁式发电相结合，对噪声的利用率提高。噪声接受装置采用多层式，大大提高与噪声的接触面积，在外观体积小型化情况下，实现更大的发现效率。在充电过程中，为了防止电量过满发生危险，因此可以设计出自动停止充电电路。
4 限制性与不足
首先是地点的限制，目前只能在声音较大且密集的地方开展，就算是再利用交通噪音也要在车辆密集的路段，而不是每个地方都可以。除此之外，还有歌厅、酒吧、工厂的厂房等等，地点选择有较大要求。其次，装置制作的现实难度与转化效率，通过前人的各种研究数据和查阅各种资料发现，理论上的数值很难达到，甚至还相差很远。而造成这些问题的原因大致有两个，其中之一便是装置问题，其生产组装过程中会造成很大的误差 目前的技术暂时达不到精度要求，其余问题还有测量误差等等。
5 噪声发电发展前景
目前，工业和交通业的发展，噪声污染源也随之产生，迫使科技工作者一方面想方设法从声源上根治，另一方面从声音的传播途径上控制噪声。如果将噪声产生的能量回收起来，同时提高转化率，面对人类社会日益匮乏的能源将是一个补充，秉承着减少噪声污染，又增加新能源的概念，实现开发能源、环保节能增收目的，也正符合绿色科学的时代要求，具有现实意义。
参考文献
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[3] 韩旭.浅谈噪声发电的展望[J].能源与环境，2012（4）：11，15.
[4] 荀华，宋长忠，韩建春.噪声发电研究的展望[J].能源与环境，2010（1）：7-8.
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