穿孔板在声电转换系统中的应用分析

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(华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

0 引 言

随着对新型能源开发研究的不断深入，声能作为一种在某些场合中的潜在能源的得到了越来越多的关注。就目前的发展状况看，声能的利用多数是通过声波驱动电磁式或压电式换能器，将声能转化成电能[1]。而亥姆霍兹共鸣器由于其对声音的放大作用在声电转换的研究中得到许多研究人员的应用。美国福罗里达州立大学的Kadirvel S等设计和制作的自供电无线控制主动声衬系统通过可调频的亥姆霍兹共鸣器修正声学阻抗边界条件，并将柔性的压电复合振膜取代标准的刚性亥姆霍兹共鸣器背板实现声能向电能的转换[2-4]。但通常应用的亥姆霍兹共鸣器尺寸较小，不能大量的接收声波，导致声电转换系统只能转换少量的电能，而穿孔板(其实质为多个亥姆霍兹共鸣器的并联)由于拥有较大的声波接收面积，可以。实际应用中实现噪声处理和声能利用(转化成电能)两个目的。因此，对穿孔板在声电转换系统中的作用的分析具有相当的实用价值。

1 亥姆霍兹共鸣器及穿孔板简介

亥姆霍兹(Helmholtz)共鸣器是由颈部(neck)和空腔(cavity)组成，声学感抗和声学容抗构成的基本声振动系统[5]。其典型结构如图1所示。

图1 亥姆霍兹共鸣器

如图1 所示，为颈部直径，为颈部长度；V为空腔的体积。共鸣器空腔的几何形状有多种形式，如圆柱、立方体、球等，但在计算中，各个几何形状的共鸣器差别不大，因此本文不加以区分。

穿孔板为一具有较厚顶盖且具有空腔的结构，在顶盖上均匀的布置几何尺寸一致的圆孔，整个穿孔板就可看做n个具有相同几何尺寸的亥姆霍兹共鸣器矩阵。其几何结构如图2所示。

图2 穿孔板示意图

2 声电转换系统的理论分析

声电转换装置中，穿孔板的刚性背板上加装电磁式换能器，换能器在穿孔板空腔内部经过放大的声波的驱动下将声能转化成电能。根据相关资料，在单个亥姆霍兹共鸣器刚性背板上放置一个换能器时转换效率最高，因此，在穿孔板上才用相同布置方式，则穿孔板可等效为n个完全相同且相互并联的亥姆霍兹共鸣器矩阵，每个共鸣器内安装有一个电磁式换能器[5]。

整个声电转换系统科分为三个主要部分，即：

(1) 声学部分：声波进入亥姆霍兹共鸣器，在共鸣器的空腔内振动；

(2) 力学部分：声波驱动电磁式换能器的振膜振动，使换能器的线圈切割磁感线，产生电磁感应现象发出电能；

(3) 电学部分：发出的电能被负载消耗，本文中不详细讨论负载方面的问题，在理论分析中用一等效的模拟负载代替。

由于声学、力学、电学具有相类似的微分方程，因此通常采用类比的方法进行相关研究。

整个系统的等效电路如图3所示。

图3 声电转换装置等效类比电路

其中，为模拟负载，为线圈电阻，为等效电感；为振动系统的等效质量、为振动系统的等效力阻、为振动系统的等效力顺。

将电学电路耦合到力学电路，如图4所示。

图4 电学电路耦合到力学电路

3 声电转换系统实验研究

针对电厂汽轮机厂房，取环境温度为25 ℃，查得此温度下的声速c=343.2 m/s。根据声电转换装置理论模型，运用matlab软件编程进行数值模拟，得到声电转换单元输入阻抗的频率响应特性和输出电压的频率响应特性。亥姆霍兹共鸣器计算参数见表1。

表1 亥姆霍兹共鸣器性能参数表

实验和模拟得到的声电转换单元负载两端电压的最大值对应的频率均在220 Hz左右，即谐振频率基本一致；但是经matlab仿真得到的电势差频率响应波峰要比实验测量所得尖锐的多、峰值较实验测量所得到的也大的多。这是因为，一方面，亥姆霍兹共振器实验采用的材料是PVR管材，并不是声绝缘材料，声波在共振过程中会有部分损失；另一方面，H.R.细颈的内径要比腔体的内径小的多，因此声波进入腔体时形成的湍流耗散了部分声能。

图5 等效输入阻抗频率响应特性

图5为1号、2号和3号亥姆霍兹共振器的输入阻抗的频率响应特性，这三组工况其他参数均相同，只有腔体长度分别为500、300、100 mm。图6为声电转换单元1A输出电压幅值的频率响应图，从图中可以看出，声电转换单元负载两端电压是随着入射声波频率的变化而变化，当入射声波的频率达到声电转换单元的谐振频率时，声电转换单元的输出电压幅值达到最大；并且声电转换单元的谐振频率随着腔体长度的减小而增大，实验得到的频响曲线与模拟曲线基本一致。

图6 电压幅值频率响应图

通过Matlab编程模拟对电磁式声电转换单元输入阻抗的频率响应特性进行分析，实验过程中入射声压始终保持120dB不变。实验测试分为声压测试和电压测试两个部分，将函数信号发生器与扬声器相连，函数信号发生器产生具有额定功率的正弦电功率信号，并通过内部自带功率放大器进行放大，驱动扬声器产生具有额定功率的正弦声信号。

将传声器1和2分别安装在声电转换单元的入口处及腔体内部，测量到的声压信号通过DAQ数据采集系统及Labview软件进行分析处理，由电脑显示出来，测试过程中保持传声器2处的入射声压不变。将数字示波器依次接入需要测量的声电转换单元的连接端，调节函数信号发生器输出电功率的频率或者幅值，测量声电转换单元的输出电压随频率的变化趋势。

4 结束语

亥姆霍兹共鸣器作为一种传统声学器件能够作为声能转换系统的载体在噪声利用领域还不多见，具有大胆的创造性思维。为广大学生对已有设备进行再次开发利用，发掘新型功能进行了有益启示。噪声作为人们深恶痛绝难以解决的污染，能够治理并利用其进行发电，使人们认识到自然环境的可造性和环境保护的可行性。而且，本装置还可以应用于更多的领域，为治理噪声污染做出贡献。

[1] 姚 丽，董 卫，吴仲武．一种电磁式声电换能器的特性研究[J].电声技术,2013(1):33-38．

[2] 马大猷．亥姆霍兹共鸣器[J].声学技术,2002,21(1):2-3．

[3] 周 杰.模型参考自适应电液位置伺服系统仿真[J].森林工程，2013，29(2)：68-73.

[4] Amirtharajah R,Chandrakasan A．A Micropower Programmable DSP Using Approximate Signal Processing Based on Distributed Arithmetic[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,2004,39(2):337-347．

[5] Fei Liu,Alex Phipps, Stephen Horowitz,et al.Acoustic energy harvesting using an electromechanical Helmholtz resonator[J].Acoustical society of America ,2008,123(4):1983-1990．

[6] Horowitz S,Sheplak M,Catrafesta L,et al．A MEMS acoustic energy harvester[J]．Micromech Microeng,2006(16):174-181．