利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置及方法

本发明属于噪声控制与声能发电领域，具体地涉及一种利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置及方法。

背景技术：

1、随着我国城市化的建设，交通网络变得越来越完善，但随之而来的噪声问题却困扰着人们，它给人们的生活质量以及身体健康带来恶劣影响；传统的噪声处理手段是使用降噪屏障降低噪声，降噪效果好，但是建造成本较高，占地面积较大。

2、随着太阳能、风能、地热能等能量转换技术取得重大发展，不少研究人员开始思考，能否采用声能收集技术吸收噪声并转化为电能。

3、亥姆霍兹共振器具有共振吸声特性，当外界噪声频率接近于亥姆霍兹共振器频率时，使其体内形成的弹簧—振子质量系统发生共振，表现出优良的吸声效果，它会将外界噪声吸收，并聚集到亥姆霍兹共振腔中，与其他的吸声材料采用反射、隔离声波来降低噪声不同，亥姆霍兹共振器通过吸收、损耗声波能量实现降低噪声，且可处理穿透性较强的低频噪声。

4、现有的噪声发电装置多采用声波驱动压电悬臂梁直接形变的方式实现噪声发电，不具备声能聚集能力，微量的声波驱动能力差，难以让压电悬臂梁产生较大形变，噪声发电量较低；亥姆霍兹共振器将声波能量吸收至共振腔内的特性，对噪声发电技术带来不少启发，将其聚集吸收的声能与能量转化技术结合，从而实现声能到电能的转化。

5、中国专利cn202011459218.5，公开了一种压电－电磁式噪声发电装置；该装置包括锥型收音器、压电悬臂梁、亥姆霍兹共振器，永磁铁等，亥姆霍兹共振器接收锥型收音器传导的声音，压电悬臂梁将亥姆霍兹共振器吸收的声音转化为电能，同时永磁铁被悬臂梁带动，切割磁感线产生电能；该发明结构复杂，且只利用了单个亥姆霍兹共振器吸收声能，却采用压电悬臂梁与永磁铁转化电能，声能吸收效率低，转化电能过程复杂，不稳定，导致能量转化效率低。

6、因此，目前噪声发电技术存在声能吸收能力不足、需要较大的声压级才能实现声能收集、发电功率较小等问题。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供一种利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置及方法，采取了如下技术方案：

2、利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置，包括：

3、多腔室吸声器，所述多腔室吸声器包括第一亥姆霍兹共振器和多个第二亥姆霍兹共振器，多个所述第二亥姆霍兹共振器沿所述第一亥姆霍兹共振器的周向均匀设置，并与所述第一亥姆霍兹共振器连通；所述第一亥姆霍兹共振器和所述第二亥姆霍兹共振器之间的连接处设置有聚声结构；

4、压电陶瓷片，所述压电陶瓷片包括第一压电陶瓷片和多个第二压电陶瓷片，多个所述第二压电陶瓷片与多个所述第二亥姆霍兹共振器一一对应设置，且在所述第二亥姆霍兹共振器的开口处接触连接；所述第一压电陶瓷片与所述第一亥姆霍兹共振器的开口处接触连接。

5、进一步地，所述第一亥姆霍兹共振器和所述第二亥姆霍兹共振器的共振频率均满足以下关系式：

6、

7、其中，c0为空气声速，v为空腔体积，r为颈部截面半径，t为颈部半径，δt为声学末端修正系数，f0为亥姆霍兹共振频率。

8、进一步地，所述第一亥姆霍兹共振器包括第一阶亥姆霍兹共振器颈部和第一阶亥姆霍兹共振器腔，所述第一阶亥姆霍兹共振器颈部和第一阶亥姆霍兹共振器腔的一端连通；所述第二亥姆霍兹共振器包括第二阶亥姆霍兹共振器颈部和第二阶亥姆霍兹共振器腔，所述第二阶亥姆霍兹共振器颈部的一端和第二阶亥姆霍兹共振器腔连通，所述第二阶亥姆霍兹共振器颈部的另一端与所述聚声结构的第一端连通，所述聚声结构的第二端与所述第一阶亥姆霍兹共振器腔的侧壁连通。

9、进一步地，所述第一亥姆霍兹共振器颈部为具有中空结构的圆柱形平波管，所述第一亥姆霍兹共振器腔由矩形腔体外壳围设而成，所述矩形腔体外壳为内部中空的方体结构；所述圆柱形平波管的一端连接有环形固定外沿，所述圆柱形平波管的另一端与所述矩形腔体外壳的一端固定连接；所述圆柱形平波管的中空腔与所述矩形腔体外壳的中空腔连通；

10、所述矩形腔体外壳上远离所述圆柱形平波管一端设置有开口，所述矩形腔体外壳的开口处设置有矩形压电片安装座，所述第一压电陶瓷片设置在所述矩形压电片安装座上。

11、进一步地，所述圆柱形平波管的设计满足入射声波小于等于平波管的截止频率原则，所述圆柱形平波管的截止频率fc和所述圆柱形平波管的半径a满足以下关系式：

12、

13、其中，a为圆柱形平波管半径，c0为空气声速，fc为截止频率。

14、进一步地，所述环形固定外沿上周向均匀设置有多个固定孔。

15、进一步地，所述矩形腔体外壳上依次连接的四个外侧壁上均分别并排设置有三个所述第二亥姆霍兹共振器；所述第二亥姆霍兹共振器包括第二阶亥姆霍兹共振器壳体和第二阶亥姆霍兹共振器颈孔，所述第二阶亥姆霍兹共振器壳体为内部中空的圆柱形结构，所述第二阶亥姆霍兹共振器颈孔与所述第二阶亥姆霍兹共振器壳体的中空腔连通；所述第二阶亥姆霍兹共振器颈孔设置在所述第二阶亥姆霍兹共振器壳体与所述矩形腔体外壳的连接处；

16、所述第二阶亥姆霍兹共振器壳体远离所述第二阶亥姆霍兹共振器颈孔的一端设置有开口，所述第二阶亥姆霍兹共振器壳体的开口处设有圆柱形压电片安装座，所述第二压电陶瓷片设置在所述圆柱形压电片安装座上。

17、进一步地，所述矩形腔体外壳的内壁与所述聚声结构连接，所述聚声结构上设置有聚声结构外孔，所述聚声结构外孔与所述第二阶亥姆霍兹共振器颈孔相通。

18、进一步地，所述聚声结构为由所述第一阶亥姆霍兹共振器腔向所述第二阶亥姆霍兹共振器腔方向上逐渐收缩的喇叭形结构。

19、进一步地，所述第一压电陶瓷片为矩形压电陶瓷片，且所述第一压电陶瓷片与所述矩形腔体外壳的开口适配；所述第二压电陶瓷片为圆形压电陶瓷片，且所述第二压电陶瓷片与所述第二阶亥姆霍兹共振器壳体的开口适配。

20、有益效果：

21、(1)本发明所提出的一种利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置，采用多个腔体谐振的方式从外界噪声回收声能，声能吸收能力强，与现有的噪声发电装置相比，本发明在较低声压级的环境下就可实现声能收集，应用范围更广，更具备应用价值。

22、(2)本发明所提出的一种利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置，声能吸收原理为亥姆霍兹共振效应，利用圆柱形平波管与矩形腔体构成第一阶亥姆霍兹共振器，矩形腔体4个内侧壁面以串联的方式排列12个小亥姆霍兹共振器，构成第二阶亥姆霍兹共振器；二阶亥姆霍兹共振结构具有双峰特性，拥有两个亥姆霍兹共振频率，两者的共振频率相近，两者共振效应相互影响，提高声能收集效果。

23、(3)本发明所提出的一种利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置，矩形腔体与第二阶亥姆霍兹共振器间设置圆台型聚声结构相连接，增大第二阶亥姆霍兹共振器与噪声的接触面积，提高声能吸收量，扩大噪声吸收范围。

技术特征：

1.利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置，其特征在于，所述第一亥姆霍兹共振器和所述第二亥姆霍兹共振器的共振频率均满足以下关系式：

3.根据权利要求1所述的利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置，其特征在于，所述第一亥姆霍兹共振器包括第一阶亥姆霍兹共振器颈部和第一阶亥姆霍兹共振器腔，所述第一阶亥姆霍兹共振器颈部和第一阶亥姆霍兹共振器腔的一端连通；所述第二亥姆霍兹共振器包括第二阶亥姆霍兹共振器颈部和第二阶亥姆霍兹共振器腔，所述第二阶亥姆霍兹共振器颈部的一端和第二阶亥姆霍兹共振器腔连通，所述第二阶亥姆霍兹共振器颈部的另一端与所述聚声结构的第一端连通，所述聚声结构的第二端与所述第一阶亥姆霍兹共振器腔的侧壁连通。

4.根据权利要求3所述的利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置，其特征在于，所述第一亥姆霍兹共振器颈部为具有中空结构的圆柱形平波管，所述第一亥姆霍兹共振器腔由矩形腔体外壳围设而成，所述矩形腔体外壳为内部中空的方体结构；所述圆柱形平波管的一端连接有环形固定外沿，所述圆柱形平波管的另一端与所述矩形腔体外壳的一端固定连接；所述圆柱形平波管的中空腔与所述矩形腔体外壳的中空腔连通；

5.根据权利要求4所述的利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置，其特征在于，所述圆柱形平波管的设计满足入射声波小于等于平波管的截止频率原则，所述圆柱形平波管的截止频率fc和所述圆柱形平波管的半径a满足以下关系式：

6.根据权利要求4所述的利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置，其特征在于，所述环形固定外沿上周向均匀设置有多个固定孔。

7.根据权利要求6所述的利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置，其特征在于，所述矩形腔体外壳上依次连接的四个外侧壁上均分别并排设置有三个所述第二亥姆霍兹共振器；所述第二亥姆霍兹共振器包括第二阶亥姆霍兹共振器壳体和第二阶亥姆霍兹共振器颈孔，所述第二阶亥姆霍兹共振器壳体为内部中空的圆柱形结构，所述第二阶亥姆霍兹共振器颈孔与所述第二阶亥姆霍兹共振器壳体的中空腔连通；所述第二阶亥姆霍兹共振器颈孔设置在所述第二阶亥姆霍兹共振器壳体与所述矩形腔体外壳的连接处；

8.根据权利要求7所述的利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置，其特征在于，所述矩形腔体外壳的内壁与所述聚声结构连接，所述聚声结构上设置有聚声结构外孔，所述聚声结构外孔与所述第二阶亥姆霍兹共振器颈孔相通。

9.根据权利要求8所述的利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置，其特征在于，所述聚声结构为由所述第一阶亥姆霍兹共振器腔向所述第二阶亥姆霍兹共振器腔方向上逐渐收缩的喇叭形结构。

10.根据权利要求9所述的利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置，其特征在于，所述第一压电陶瓷片为矩形压电陶瓷片，且所述第一压电陶瓷片与所述矩形腔体外壳的开口适配；所述第二压电陶瓷片为圆形压电陶瓷片，且所述第二压电陶瓷片与所述第二阶亥姆霍兹共振器壳体的开口适配。

技术总结
本发明公开了利用二阶多腔式亥姆霍兹共振器的噪声发电装置及方法，属于噪声控制与声能发电领域，包括：多腔室吸声器包括第一亥姆霍兹共振器和多个与第一亥姆霍兹共振器连通的第二亥姆霍兹共振器，多个第二亥姆霍兹共振器沿第一亥姆霍兹共振器的周向均匀设置，并与第一亥姆霍兹共振器连通；第一亥姆霍兹共振器和第二亥姆霍兹共振器之间的连接处设置有聚声结构；压电陶瓷片包括第一压电陶瓷片和多个第二压电陶瓷片，多个第二压电陶瓷片与多个第二亥姆霍兹共振器一一对应设置，且在第二亥姆霍兹共振器的开口处接触连接。本发明提供的二阶多腔式亥姆霍兹共振器提高了吸声效果，将声能转化成电能，实现噪声发电。

技术研发人员：徐洋,马智宇,盛晓伟,解国升
受保护的技术使用者：东华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29