一种电磁式声电换能器的特性研究

　　1 引言

　　近年来，人们把研究目光越来越多地集中在新能源和可再生能源的开发利用上，利用环境中的声能发电就是其中一种。在某些应用场合，声能是一种潜在的能源，早期英国科学家设计制造一种鼓膜式声波接收器，能将接收到的声能通过声能转换器转换成电能。2005年，美国福罗里达州立大学的HorowitzS B等人研发了一种基于机电霍尔姆兹共振器的压电式声能发电机，该霍尔姆兹共振器的刚性背板由压电材料替代，声电转换单元将飞机引擎噪声转换为电能为电池系统充电[1-2]。2008年，台湾Y Chiu等人提出了一种新型的具有整合机械开关的静电式声能发电装置，新型的整合机械开关被置于换能器内，通过内部质量的位移打开或关闭实现完全同步的能量转换[3]。2010年，设计师Hung-Uei Jou提出了绿色噪声的概念，并利用创新的扬声器将噪声转化为电能，这种装置可以用来收集机场的噪声并能够将之转化成电能供给照明。

　　发电厂的噪声源总类繁多，数量众多，噪声发生的机理也不相同，针对汽轮发电机组的噪声回收及再利用的问题，本文设计制作了一种电磁式声电转换单元，它是由Helmholtz共鸣器和电磁式换能器耦合而成，前者为声压放大器，对入射声压进行放大，后者为声电转换元件，将霍尔姆兹共鸣器腔体内的声能转换为电能。经查阅文献，当汽轮机的额定转速为5700r/min时，噪声带宽集中在80～2500Hz之间，距离机组1m处的平均噪声值达到111.5dB，其远远超过了标准值90dB[4]。进一步分析发现测点的噪声级在80～1250Hz之间比较大，因此将本实验的工作频率设定在50～1300Hz范围内，入射声压设定在120dB，以下对其特性进行研究。

　　2 电磁式声电转换单元的理论模型

　　2.1 电磁式声电转换单元的等效电路模型

　　电磁式电声电转换单元是由Helmholtz共鸣器和电磁式换能器耦合而成，其单元构造如图1(a)所示。根据电磁式换能器的四端网络模型可以得到其等效类比电路，如图1(b)所示。当入射噪声声波的频率在霍尔姆兹共鸣器的共振频带内，霍尔姆兹共鸣器达到共振，入射声压在霍尔姆兹共鸣器腔体内被放大到最大，放大后的波动声压作用于电磁式换能器的振膜时，振膜产生与波动声压同频率的振动。振膜振动带动音圈做切割磁力线运动，使音圈两端产生相应的感应电动势，从而实现声能与电能的转换[5]。

　　图1(a)和图1(b)中符号代表的意义如表1所示，并且AH和B分别表示从声端和电端转换到力端的变换系数。

　　2.2 电磁式声电转换单元的等效参数