本发明涉及城市噪声测噪装置技术领域，具体涉及一种自驱动测量城市噪声的装置及其使用方法。
背景技术：
随着城市工业和交通业的发展，噪声是一种公众环境污染源，能对人们正常的工作和生活造成影响。例如机场飞机起降、工厂机械运作、车辆鸣笛等。目前噪声控制、吸声降噪等方面工作的开展也在不断地进行过程中，其根本就是要从声源和声音传播途径上控制噪声(段元慧.城市环境噪声污染与控制措施分析[j].环境与发展,2017,29(10):56-57.)。如果将控制噪声的措施和回收声能的措施结合起来，不仅在噪声治理上是一大突破，而且对人类日益匮乏的能源也是一个补充。声能与太阳能作为可再生能源，不但可以缓解能源紧缺的问题，而且可以降低污染。截至到目前，太阳能发电技术在理论与技术上已相对成熟。噪声发电技术已经有了一定理论基础，结合能源利用与噪声治理方面的探索具有重要的研究意义和广阔的的应用前景。噪声地图主要是应用现代计算机技术和地理信息系统(gis)技术，将噪声源的数据、地理数据、建筑的分布状况、道路、公路、铁路、机场、工业企业以及相关信息综合、分析和计算后生成反映城市环境噪声水平状况的数据地图。噪声地图以数字与图形的方式展现了区域范围内的噪声污染情况，为环境噪声管理和控制、区域总体规划提供了科学的决策依据，目前已在欧洲等地得到广泛应用。噪声地图的绘制需要合适的方法以及大量的基础数据，我国在十几年前引入噪声地图，目前对噪声地图的绘制及应用尚处于起步阶段。
申请号为2008200316146的中国专利公开一种远程太阳能噪声自动监测系统，该系统在各个监测点设置远程噪声自动监测仪，监测仪内加装有无线/有线数据传输模块和控制模块，同时装有太阳能电池和交直流电源，使用无线/有线网络通讯与管理中心站连接，实现远程传输噪声信号的目的，其不足之处在于，该系统只能用来监测噪声，不能对噪声进行利用，所能监测的噪声频率范围较窄，对于城区这种噪声频率分布广的场合不能高效监测。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种自驱动测量城市噪声的装置及其使用方法。该装置及其使用方法能够实时观测城市各个区域的噪声，而且测量的驱动电量的大部分情况来源于噪声自身的发电和太阳能的电量，该装置中采用变频设备(变频压电式能量收集器设备)能利用来源于城区的多种噪声频率的噪声，可以扩大共振的范围，使产生的电力更多，而且可以根据要进行测量的区域进随时的布控，采集监测的噪声频率范围更广。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：
一种自驱动测量城市噪声的装置，包括顶部的太阳能电池板设备、收容盒、中间的无线信号发射设备、电控单元和底部的蓄电池，所述太阳能电池板设备固定在支承杆顶部，在收容盒中安装无线信号发射设备、光伏控制器和电控单元；其特征在于该装置还包括噪声处理盒；
所述收容盒和噪声处理盒由上至下依次固定在支承杆上，蓄电池固定在底部的电池收容盒中，支承杆下部固定在电池收容盒上方的电池收容盒盖上；无线信号发射设备通过无线方式与云服务器连接；所述电控单元通过光伏控制器与太阳能电池板设备连接，通过变压器与外部电网连接，通过稳压器连接变频压电式能量收集器设备，电控单元分别与噪声测量设备、无线信号发射设备、蓄电池电连接；上述噪声测量设备与变频压电式能量收集器设备共同收纳在噪声处理盒中；
所述变频压电式能量收集器设备包括变频亥姆霍兹共鸣器和电动机控制机构，通过电动控制机构控制变频亥姆霍兹共鸣器的共鸣腔体积大小，所述变频亥姆霍兹共鸣器包括刚体活塞、绝缘刚体外壳、pvdf柔性压电薄膜、正极接线柱和负极接线柱，所述绝缘刚体外壳为两端开口的中空圆柱体式刚性外壳，在绝缘刚体外壳的下部固定pvdf柔性压电薄膜，并由pvdf柔性压电薄膜引出正极接线柱和负极接线柱，正极接线柱和负极接线柱通过稳压器连接到电控单元，在绝缘刚体外壳的颈部空腔内设置刚体活塞，刚体活塞能在绝缘刚体外壳内往复移动，且由pvdf柔性压电薄膜、绝缘刚体外壳和刚体活塞围成的空间为共鸣器空腔；
所述电动机控制机构包括一级齿轮、二级齿轮、调节杆、螺纹杆、电动机，电动机、噪声测量设备均与电控单元电连接，同时电动机的输出轴连接一级齿轮，一级齿轮与二级齿轮相啮合；所述调节杆两端分别连接有一个刚体活塞，调节杆的中部通过配合螺母与螺纹杆的上部固定，螺纹杆的下端穿过二级齿轮并通过固定轴承座固定在变频压电式能量收集器设备的外壳上，二级齿轮与螺纹杆同步转动；螺纹杆上部加工有螺纹，调节杆与刚体活塞采用刚性连接。
一种上述自驱动测量城市噪声的装置的使用方法，该方法的步骤是：首先前期对城区的噪声频谱进行收集统计，根据统计结果选择不同时段的主要频率作为共振频率计算变频亥姆霍兹共鸣器体积，确定刚体活塞在空腔内的位移区间，并确定各调节时刻刚体活塞的运动方向和位移；再通过螺纹螺距和齿轮的尺寸参数推算出电动机输出轴的转向及角位移，并以此作为控制参数联合调节时刻编写控制程序存入电控单元；
电控单元控制电动机运转，电动机直接驱动一级齿轮与二级齿轮啮合，实现机构平稳运转；调节杆与两个刚体活塞刚性连接，配合螺母压入调节杆，实现配合螺母与调节杆相对位置固定；二级齿轮与螺纹杆同步转动，螺纹杆旋转使配合螺母沿螺纹上下移动，从而带动调节杆及刚体活塞同步移动，改变亥姆霍兹共鸣器空腔的体积以实现变频，电控单元通过调节电动机的转动角度从而实现了变频亥姆霍兹共鸣器的体积的变化，从而实现声波振动频率与变频亥姆霍兹共鸣器自振频率相同而产生共振，作用于具有压电效应的pvdf柔性压电薄膜上，产生电能，经过稳压器处理，转化为直流电，然后驱动噪声测量设备工作，实现通过噪声自发电为装置供电；
所述噪声测量设备进行交通噪声的实时测量，测量噪声声压级后，将信号传输给电控单元，测量数据经过电控单元处理后，通过无线信号发射设备发送到云服务器，云服务器把数据集中处理后发布到共享平台；
同时通过无线信号发射设备接共享平台的统计数据，根据实际情况调整绝缘刚体外壳内空腔大小，实现反馈控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中采用新型pvdf柔性压电薄膜材料进行发电，能够适应的频率范围广，与传统的压电材料相比具有频响宽、机械性能强度高、重量轻、柔韧度好、不易受水和化学药品的污染、可塑性强等优势，为变频压电式能量收集器设备的变频发电提供了可能。
本发明中噪声测量设备可以为声级计等多种噪声测量仪器，而且可以根据需求的不同，更换不同的噪声测量仪器，灵活性更强，主要控制单元为euc，euc可以为单片机，整体成本较低，一般可以控制在百元左右，价格低廉。
本发明装置能对噪声污染进行利用，不仅能实现噪声的实时监测，且能将噪声利用起来转化为电能，为装置自身供电，在阴雨天气或没有太阳的地方更加节能环保，装置中随用的能源基本来自于自动驱动或太阳能发电，同时提供电网供电这一保护方案，使装置时刻处于有电状态。
本发明装置尤其适用于城区这种噪声频率分布广泛且不规律的场合，能实现实时采集控制，且噪声测量精度高，为后期噪声地图的绘制提供了可靠的数据支持。
附图说明
图1为本发明自驱动测量城市噪声的装置结构示意图。
图2为本使用新型自驱动测量城市噪声的装置变频压电式能量收集设备结构示意图。
图3为本使用新型自驱动测量城市噪声的装置变频亥姆霍兹共鸣器29结构示意图。
图4为本使用新型自驱动测量城市噪声的装置系统控制框图示意图。
图5为本使用新型自驱动测量城市噪声的装置无线数据传输设备示意图。
图中，1、太阳能电池板设备，2、收容盒，3、噪声处理盒，4、支承杆，5、电池收容盒，6、蓄电池，7、无线信号发射设备，8、电池收容盒盖，9、刚体活塞，10、绝缘刚体外壳，11、pvdf柔性压电薄膜，12、正极接线柱，13、负极接线柱，14、调节杆，15、配合螺母，16、螺纹杆，17、电动机，18、电动机支撑架，19、一级齿轮，20、固定轴承座，21、二级齿轮，22、电网，23、变压器，24、光伏控制器，25、电控单元(ecu)，26、噪声测量设备，27、云服务器，28、共享平台，29、变频亥姆霍兹共鸣器，30、稳压器，31、变频压电式能量收集器设备。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例进一步叙述本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。
本发明一种自驱动测量城市噪声的装置(简称装置，参见图1)包括顶部的太阳能电池板设备1、收容盒2、中间的无线信号发射设备7、电控单元(ecu)25、噪声处理盒3和底部的蓄电池6；
所述太阳能电池板设备1固定在支承杆4顶部，在收容盒2中安装无线信号发射设备7、光伏控制器24和电控单元(ecu)25，收容盒2和噪声处理盒3由上至下依次固定在支承杆4上，蓄电池6固定在底部的电池收容盒5中，支承杆下部固定在电池收容盒5上方的电池收容盒盖8上；无线信号发射设备通过无线方式与云服务器27连接；所述电控单元25通过光伏控制器24与太阳能电池板设备1连接，通过变压器与外部电网连接，通过稳压器30连接变频压电式能量收集器设备31，电控单元分别与噪声测量设备26、蓄电池、无线信号发射设备7电连接；上述噪声测量设备26与变频压电式能量收集器设备31共同收纳在噪声处理盒3中；所述稳压器可以安装在噪声处理盒，也可以安装在收容盒2或电池收容盒中；
所述变频压电式能量收集器设备31(参见图2)包括变频亥姆霍兹共鸣器29和电动机控制机构，通过电动控制机构控制变频亥姆霍兹共鸣器29的共鸣腔体积大小，所述变频亥姆霍兹共鸣器29包括刚体活塞9、绝缘刚体外壳10、pvdf柔性压电薄膜11、正极接线柱12和负极接线柱13，由典型的亥姆霍兹共鸣器改进，所述绝缘刚体外壳10为两端开口的中空圆柱体式刚性外壳，在绝缘刚体外壳的下部固定pvdf柔性压电薄膜11，并由pvdf柔性压电薄膜11引出正极接线柱12和负极接线柱13，正极接线柱12和负极接线柱13通过稳压器30连接到电控单元25，在绝缘刚体外壳10的颈部空腔内设置刚体活塞，刚体活塞能在绝缘刚体外壳内往复移动，且由pvdf柔性压电薄膜11、绝缘刚体外壳10和刚体活塞围成的空间为共鸣器空腔，改变空腔的体积从而改变亥姆霍兹共鸣器的谐振频率，实现变频；声场中的噪声波通过变频亥姆霍兹共鸣器29颈部进入空腔，产生共振放大声压后作用在pvdf柔性压电薄膜上，产生压电效应使声能转化为电能。
所述电动机控制机构包括一级齿轮19、二级齿轮21、调节杆14、螺纹杆16、电动机17，电动机17均与电控单元25电连接，同时电动机的输出轴连接一级齿轮19，一级齿轮与二级齿轮21相啮合；所述调节杆两端分别连接有一个刚体活塞9，调节杆14的中部通过配合螺母与螺纹杆16的上部固定，螺纹杆的下端穿过二级齿轮21并通过固定轴承座20固定在变频压电式能量收集器设备31的外壳上，二级齿轮与螺纹杆同步转动；螺纹杆16上部加工有螺纹，螺纹长度根据刚体活塞9的位移量设计；配合螺母15与螺纹杆16的螺纹配合，并以一定的过盈压入调节杆14，实现配合螺母15与调节杆14相对位置固定；调节杆14与刚体活塞9采用刚性连接。
本发明装置的使用方法是：首先前期对城区的噪声频谱进行收集统计，根据统计结果选择不同时段的主要频率作为共振频率计算变频亥姆霍兹共鸣器体积，确定刚体活塞9在空腔内的位移区间，并确定各调节时刻刚体活塞9的运动方向和位移；再通过螺纹螺距和齿轮的尺寸参数推算出电动机17输出轴的转向及角位移，并以此作为控制参数联合调节时刻编写控制程序存入电控单元25；
电控单元25按照预存的控制程序精确控制电动机17运转，电动机17直接驱动一级齿轮19与二级齿轮21啮合，实现机构平稳运转；调节杆14与两个刚体活塞9刚性连接，配合螺母15以一定的过盈压入调节杆14，实现配合螺母15与调节杆14相对位置固定；二级齿轮21与螺纹杆16同步转动，螺纹杆16旋转使配合螺母15沿螺纹上下移动，从而带动调节杆14及刚体活塞9同步移动，改变亥姆霍兹共鸣器空腔的体积以实现变频，变频后的共振频率范围扩大，产生更多的电量，这样电控单元25通过调节电动机17的转动角度从而实现了变频亥姆霍兹共鸣器29的体积的变化从而实现声波振动频率与变频亥姆霍兹共鸣器29自振频率相同产生共振，使声波振幅加强，作用于具有压电效应的pvdf柔性压电薄膜11上，产生电能，经过稳压器30处理，转化为可以方便利用的直流电，然后驱动噪声测量设备工作，实现通过噪声自发电为装置供电；
所述噪声测量设备26进行交通噪声的实时测量，测量噪声声压级后，将信号传输给电控单元25，测量数据经过电控单元25处理后，通过无线信号发射设备7发送到云服务器27，云服务器把数据集中处理后发布到共享平台28(参见图5)，为城市噪声地图的绘制提供数据支持；
同时通过无线信号发射设备接共享平台的统计数据，根据实际情况调整绝缘刚体外壳内空腔大小，实现反馈控制。
本发明装置中的用电负载包括无线信号发射设备7、电控单元25、噪声测量设备26，变频压电式能量收集器设备31时刻收集噪声能量进行自发电，并将噪声发电后的电能储存在蓄电池中；所述电控单元25中加载有供电选择程序：电控单元25首先判断变频压电式能量收集器设备31所产生的电量是否满足用电负载使用，若满足，则选择通过变频压电式能量收集器设备31以噪声发电方式为用电负载供电，若噪声发电除满足用电负载使用外，还有剩余，则储存在蓄电池中；若噪声发电不足以满足用电负载使用，则启动太阳能电池板设备，通过光伏控制器为用电负载供电，太阳能电池板设备产生的多余电量储存在蓄电池中；当太阳能供电及噪声发电均不足时，启动蓄电池为所有用电负载供电；当蓄电池中的电量不足以支撑用电负载使用时，则启动外部电网为所有用电负载供电。
本发明的供电方式中优先选择噪声供电，可以通过变频式压电式能量收集器设备31将噪声转换成电能，能够实现噪声利用，实现降噪的目的，噪声自发电能使装置可以在没有太阳或太阳不充足，噪声比较大的情况下，正常运行，减少电网用电。同时配合太阳能供电，使装置在噪声不足的情况下，也能利用清洁能源为整个装置供电，节能环保。
本发明中城区的噪声频率在不同的时间段会出现比较大的差异，但是无论怎样的分布，在每一个时间段都会有一个比较突出的频率。使用的第一阶段，本装置可以测出每天的噪声频率的分布情况，做一个大的数据统计。第二阶段，根据数据统计的每个时间段出现频率最高的噪声频率来调整绝缘刚体外壳内空腔体积的大小，可以以次时间段内的主要的噪声频率为参照，同样的区域可以产生更多的电量。这样在有了前期数据统计的前提下，后期的噪声测量装置用电量将大大减小(因为电动机不用频繁的调整绝缘刚体外壳内空腔体积的大小，只需要考虑此时间段最主要频率)。
反馈控制可以提供两种统计方案；a.后一天的绝缘刚体外壳内空腔大小的调节，可以根据前一天的噪声频率分布情况为数据依据，以此类推；b.根据每个季度的前一个月做数据统计，每个季度后期的两个月绝缘刚体外壳内空腔体积的大小在不同时间段的调节以这一个月数据统计为依据。
本发明装置在使用时，可以根据实际需要将太阳能电池板设备1、收容盒2、噪声处理盒3、支承杆4和电池收容盒5作为一个整体，固定在每个监测点位置，为了连接外部电网方便，该装置可以安装在交通道路上，变频亥姆霍兹共鸣器29处在交通道路声场中，一般噪声处理盒3安装在距地面1.5～2m的位置上，能最大程度的采集噪声信号，并收集噪声能量。噪声的传播会引起空气介质的振动，声波传播到变频亥姆霍兹共鸣器29中，在声波振动频率与变频亥姆霍兹共鸣器29自振频率相同时产生共振，使声波振幅加强，作用于具有压电效应的pvdf柔性压电薄膜11上，产生电能，经过稳压器30处理，转化为可以方便利用的直流电，由电控单元25进行电量的分配。
所述电动机控制机构以电控单元25为控制中心，电控单元(ecu)25可采用单片机，用于预存控制程序并按照控制程序精确控制电动机17运转。电动机17连接一级齿轮19，电动机17工作驱动一级齿轮19与二级齿轮21啮合，根据电动机转速设计齿轮传动比以实现减速；螺纹杆16为二级齿轮轴，一端安装在固定轴承座20上，另一端加工螺纹，螺纹长度根据刚体活塞9的位移量设计；配合螺母15与螺纹杆16的螺纹配合，并以一定的过盈压入调节杆14，实现配合螺母15与调节杆14相对位置固定；调节杆14与刚体活塞9采用刚性连接。
图4为自驱动测量城市噪声的装置的控制框图，在噪声声压级比较大和太阳光照充足的条件下，优先采用噪声产生的电量进行自驱动，变频压电式能量收集器设备31将产生的电量经过稳压器30的处理然后传递给电控单元25，由电控单元25将电量输送给用电负载，太阳能产生的电量可以用来为蓄电池充电。当噪声声压级比较低且阳光充足的状态下，太阳光照射太阳能电池板，太阳能电池板设备1将太阳能转换为电能，通过光伏控制器24调节电压，一部分电能用于驱动无线信号发射设备7、电控单元25和噪声测量设备26工作，多余的电能则储存于蓄电池6中，做为备用电源；当蓄电池6电量充满时，则太阳能电池板设备1只为用电负载供电，不再为蓄电池6充电，此时不启用电网22供电。在噪声声压级比较低且阳光不充足的状态下，太阳能电池板设备1所转换的电能较少，此时优先把电能输送给用电负载，驱动无线信号发射设备7、电控单元25和噪声测量设备26工作，不再为蓄电池6充电，此时不启用电网22供电。在噪声声压级很低且阳光不足的状态下，变频压电式能量收集器设备31和太阳能电池板设备1产生的电量不能使设备正常工作时，设备自动启用蓄电池6供电，驱动无线信号发射设备7、电控单元(ecu)25和噪声测量设备26工作，不启用电网22供电。在变频压电式能量收集器设备31和太阳能电池板设备1不能够正常工作且蓄电池6电量低于20％的情况下，为延长蓄电池6使用寿命将会启用电网22供电，驱动无线信号发射设备7、电控单元(ecu)25和噪声测量设备26工作。
尽管已经示出和描述了本装置的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本设备的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本装置的范围由所附权利要求及其等同物限定。
本发明未述及之处适用于现有技术。