基于壓電陶瓷材料下的噪聲發電研究

羅兆民 王健明

摘? ?要：噪音是一類引起人煩躁、或音量過強而危害人體健康的聲音。噪聲污染仍然是四大污染之一，同樣，噪聲中也蘊藏著巨大的能量。相對的，噪音應該是聲音和聲能的一種形式。它的產生和傳播是通過振動實現的，振動頻率不固定，振幅相對較小。也可以說能量不是很大。雖然能量轉換是保守的，但作為發電設備，它伴隨著熱能、機械能和電能的轉換，所以不可能將100%聲能轉換成電能。我們在前人研究的基礎上，加入新型材料壓電陶瓷來進一步探究其轉化效率。

關鍵詞：噪聲發電? 壓電陶瓷? 能源轉換? 節能減排? 亥姆霍茲共鳴腔

中圖分類號：TM619? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）05（a）-0064-02

霍洛維茨（Horowitz B）和美國佛羅里達州立大學的其他人在2005年開發了一種微機電赫爾姆斯聲能發生器67，該發生器將飛機發動機噪音轉化為電能，為驅動抑制飛機發動機噪音的無線主動聲學襯墊的電池系統充電。柔性壓電復合膜片代替霍爾木茲諧振器的剛性背板，霍爾木茲諧振器用作聲壓放大器，精細加工的環形硅壓電復合膜片用作能量轉換元件?；裟菲澒舱衿鳎℉olmuz共振器）中產生耦合共振系統，聲音襯里鋪設在發動機管道中，以降低發動機的噪音，這通常會妨礙人們的休息、學習和正常工作，也會干擾人們想要聽到的聲音。簡而言之，我們可以把不規則的聲音理解為噪音。噪音有幾種來源。一個是周期性的建筑噪音。另一個是交通噪音，它有著持久的影響。第三種噪音是我們的生活噪音，如娛樂場所、打麻將、音樂電視等的噪音。隨著現代工業和軍事的發展，環境噪聲普遍存在。噪聲污染已經成為世界七大公害之一。在最近的一項研究中，除了長期精神壓力和過度勞累、經常加班和空氣污染等環境因素外，噪音污染在我國人口的亞健康狀態中排名第四。我們還通過各種方式降低噪音。通過吸聲和隔音等。但另一方面，如果我們能夠利用河對岸的噪音所蘊含的巨大能量，甚至其中的一部分，我們一定能夠減少許多不可再生能源的消耗，從而達到節能減排的目的。因此，它一直是世界各國研究的熱點。這種變廢為寶、消除污染的技術是當前能源矛盾的需要。

1? 研究目的

探索新型壓電陶瓷應用與噪聲發電裝置的可行性，希望能夠提高轉化效率和裝置經濟性，變廢為寶，發展新能源，為節能減排添磚加瓦。

2? 國內外研究現狀及已有基礎

霍洛維茨（Horowitz B）和美國佛羅里達州立大學的其他人在2005年開發了一種微機電赫爾姆斯聲能發生器67，該發生器將飛機發動機噪音轉化為電能，為驅動抑制飛機發動機噪音的無線主動聲學襯墊的電池系統充電。柔性壓電復合膜片代替霍爾木茲諧振器的剛性背板，霍爾木茲諧振器用作聲壓放大器，精細加工的環形硅壓電復合膜片用作能量轉換元件?；魻柲酒澲C振器中產生耦合諧振系統，聲學襯墊鋪設在發動機管道中，這是降低發動機噪聲輻射的主要途徑。然而，用于飛機發動機短艙的傳統微穿孔消聲聲學襯墊用于被動噪聲控制。隨著納米技術的發展和能源供應設備方便小型化的需要，美國佐治亞理工學院的王忠林教授的研究團隊在2007年開發了一種超聲波驅動的DC納米發電機。該發生器由垂直排列的Zn0mo納米線和Z形金屬電極板組成。在超聲波的驅動下，機械能通過壓電半導體耦合過程轉化為電能。

近些年新型壓電陶瓷材料的出現。壓電陶瓷就是可以電能和機械能之間相互轉換的一種壓電元件，給壓電陶瓷施加一個力會使其產生電壓，這個過程就是正壓電效應;給壓電陶瓷施加電壓使其產生振動，這個過程就是逆壓電效應。能量轉換的情況：正壓電效應：拉伸產生負電壓、壓縮產生正電壓;逆壓電效應：正電壓導致伸長、負電壓導致縮短、交流電壓導致伸縮;噪聲發電的可行性（1）聲音以波的形式傳播并具有能量。（2）壓電陶瓷是個雙向效應元件，在震動下會產生壓電效應，可用于發電。（3）根據法拉第電磁感應定律線圈在磁場切割磁感應線產生電流。（4）一切發聲的物體都在震動，利用這種震動傳遞給換能裝置進而將無用的聲能轉化為能夠利用機械能轉化的電能。

3? 新型壓電陶瓷聲音發電機理

壓電陶瓷是一種能夠將機械能和電能互相轉換的信息功能陶瓷材料-壓電效應， 壓電陶瓷具有壓電性，可用于發電。目前使用的壓電陶瓷材料主要以PZT為基材料，其壓電性能大大優越于其它壓電陶瓷材料，而且可以通過摻雜改性和工藝控制調節材料的電學性能，以滿足各種應用需求。

壓電陶瓷（PZT）是一種可以用聲電轉換的材料，將鼓膜聲波接收器與能夠增大聲波積聚的能量的換能器連接，聲能轉換裝置和換能器相互結合可以實現發電。單片壓電陶瓷片發電能力較弱，并且已經必分析得出只有當壓電陶瓷極間電容和存儲電容相等時才能達到最大的能量傳輸效率。為了解決上述兩個問題采用多壓電陶瓷片并聯的方式。充電電容的選擇上選用超級電容，因為超級電容相比較于普通的電解電容具有容量大、循環使用壽命長、不易損壞等優點，適合于多種復雜環境。電磁發電技術目前比較成熟，結合壓電效應可以實現噪聲利用率提高。采用新型材料壓電陶瓷，利用壓力變化來發電，并實現儲存與充電。結合法拉第電磁感應定律，實現壓電式發電與電磁式發電相結合，對噪聲的利用率提高。噪聲接受裝置采用多層式，大大提高與噪聲的接觸面積，在外觀體積小型化情況下，實現更大的發現效率。在充電過程中，為了防止電量過滿發生危險，因此可以設計出自動停止充電電路。

4? 限制性與不足

首先是地點的限制，目前只能在聲音較大且密集的地方開展，就算是再利用交通噪音也要在車輛密集的路段，而不是每個地方都可以。除此之外，還有歌廳、酒吧、工廠的廠房等等，地點選擇有較大要求。其次，裝置制作的現實難度與轉化效率，通過前人的各種研究數據和查閱各種資料發現，理論上的數值很難達到，甚至還相差很遠。而造成這些問題的原因大致有兩個，其中之一便是裝置問題，其生產組裝過程中會造成很大的誤差 目前的技術暫時達不到精度要求，其余問題還有測量誤差等等。

5? 噪聲發電發展前景

目前，工業和交通業的發展，噪聲污染源也隨之產生，迫使科技工作者一方面想方設法從聲源上根治，另一方面從聲音的傳播途徑上控制噪聲。如果將噪聲產生的能量回收起來，同時提高轉化率，面對人類社會日益匱乏的能源將是一個補充，秉承著減少噪聲污染，又增加新能源的概念，實現開發能源、環保節能增收目的，也正符合綠色科學的時代要求，具有現實意義。

參考文獻

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