【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 到160 分貝的噴氣式飛機(jī)在 20 米之內(nèi)的噪聲功率可達(dá)到 10 千瓦，也就是說 1 小時(shí)可以發(fā)10 度電。如果在機(jī)場(chǎng)安裝噪聲發(fā)電機(jī)，每天飛機(jī)起降產(chǎn)生的電能十分可觀。在上海體育場(chǎng)觀看比賽或演出，8 萬人一起歡呼或鼓掌，產(chǎn)生的能源是相當(dāng)大的。如 果 能 實(shí) 現(xiàn) 噪 聲利 用 ， 那 就 能 變 廢 為 寶 ， 同時(shí)也解決了我們?cè)肼暯绫粍?dòng)治理，無法回用的缺點(diǎn)，從而提高噪聲治理在整個(gè)環(huán)保板塊中的地位。目 前 ， 歐 洲 各 國(guó) 已 有 實(shí) 驗(yàn) 室 投 入 精 力 來 實(shí) 現(xiàn) 對(duì) 于 噪 聲 的 回 收 利 用 ， 通 過 研 究 使 利用 率 超 過 某 一 下 限 ， 具 有 實(shí) 用 價(jià) 值 ， 在 與 實(shí) 踐 的 相 結(jié) 合 中 ， 得 到 能 量 ， 從 而 應(yīng) 用 于 某武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2些 小 資 源 需 求 的 特 定 環(huán) 境 。 韓國(guó)研究人員金智勛等人利用人耳吸收聲波的原理，制造出了仿照人耳吸收聲音的鼓膜的噪聲發(fā)電機(jī)。這種發(fā)電機(jī)是一種名為“聲雷” （Sonea）的概念機(jī)，外表像一個(gè)盒子，長(zhǎng)寬各 45 厘米，厚 8 厘米，凈重 7 公斤。這個(gè)概念機(jī)內(nèi)儲(chǔ)存有碳酸鹽、丙烯腈等化學(xué)物質(zhì)，可以將噪聲沖擊波對(duì)仿生鼓膜的振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來，當(dāng)和電器相連時(shí)就可釋放出電能。 “聲雷”發(fā)電機(jī)可以利用帶狀的電源線相互串聯(lián)在一起，也可以按照需求進(jìn)行組裝，盡可能地吸收更多的噪聲。它們就像是一些特大號(hào)的電池一樣，在需要的時(shí)候可以釋放出電能，目前已經(jīng)可以為手機(jī)、電視機(jī)和筆記本電腦等電器供電。研究人員希望進(jìn)一步改進(jìn)它們的發(fā)明，希望能把長(zhǎng)段的隔音屏改造為“聲雷”發(fā)電機(jī)。環(huán)境振動(dòng)噪聲能量回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于能源的回收利用有著重要的實(shí)用意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本文的主要設(shè)計(jì)目的是試圖通過聲音的振動(dòng)特性，來使噪聲可以轉(zhuǎn)化為能源來利用。環(huán)境振動(dòng)噪聲能量回收系統(tǒng)要求是個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的系統(tǒng)。首先由于噪聲屬于聲音的一種，它的特點(diǎn)就是通過聲源的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)，然后通過壓電材料的正壓電效應(yīng)，將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能，這樣就可以加以利用了。同時(shí)為了最有效的回收噪聲能源，根據(jù)聲電轉(zhuǎn)換器的指向性原理，必須使聲電轉(zhuǎn)換器始終對(duì)著噪聲源。這樣本文設(shè)計(jì)了噪聲源定位模塊，來確定噪聲源的方位，并對(duì)聲電轉(zhuǎn)換器方位做自動(dòng)地調(diào)整。同時(shí)，將聲電轉(zhuǎn)換器外面罩上一個(gè)開口向外的外殼（形狀和喇叭一樣） ，這樣可以防風(fēng)、防雨、防潮、防灰塵。由于整個(gè)系統(tǒng)最關(guān)鍵的就是能效比的問題，而本設(shè)計(jì)中的一些主要芯片工作都要消耗掉能量。所以，本文利用了現(xiàn)在已經(jīng)研究的比較成熟的太陽(yáng)能電池來作為這些芯片的工作電源。這樣，由于太陽(yáng)能是很豐富的，利用太陽(yáng)能來回收噪聲能，系統(tǒng)的儲(chǔ)能肯定會(huì)大于耗能。 通過以上分析，本文將系統(tǒng)大致分為噪聲源定位模塊和能量回收模塊來進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過軟件仿真，所設(shè)系統(tǒng)理論上是可行的。武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）31噪聲回收系統(tǒng)原理 聲電轉(zhuǎn)換器聲 電 轉(zhuǎn) 換 器 是 將 聲 音 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換 為 電 信 號(hào) 的 能 量 轉(zhuǎn) 換 器 件 。 聲 電 轉(zhuǎn) 換 器 按 換 能 原理 大 致 可 以 分 為 ： 電 動(dòng) 式 （ 動(dòng) 圈 式 、 鋁 帶 式 ） ， 電 容 式 （ 直 流 極 化 式 ） 、 壓 電 式 （ 晶體 式 、 陶 瓷 式 ） 、 以 及 電 磁 式 、 碳 粒 式 、 半 導(dǎo) 體 式 等 ； 按 指 向 性 分 為 ： 心 型 、 銳 心 型 、超 心 型 、 雙 向 （ 8 字 型 ） 、 無 指 向 （ 全 向 型 ） 。 常見聲電轉(zhuǎn)換器的原理 動(dòng)圈式聲電轉(zhuǎn)換器的構(gòu)造如圖 所示。由磁鐵和軟鐵組成磁路,磁場(chǎng)集中于芯柱和外圈軟鐵所形成的縫隙中。在軟鐵前面裝有振動(dòng)膜，它上面帶有線圈，正好套在芯柱上，位于強(qiáng)磁場(chǎng)中。當(dāng)振動(dòng)膜受聲波壓力前后振動(dòng)時(shí)，線圈便切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。即把聲波轉(zhuǎn)換成了電能。 圖 動(dòng)圈式聲電轉(zhuǎn)換器但由于線圈（通常稱為音圈）圈數(shù)很少，阻抗很低，輸出的電壓小，不能滿足（與之相連接的）擴(kuò)音機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的要求。因此，動(dòng)圈式聲電轉(zhuǎn)換器中都裝有升壓變壓器，武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4初級(jí)接振動(dòng)膜線圈（音圈），次級(jí)接輸出線，將電壓增大。根據(jù)升壓變壓器初、次級(jí)圈數(shù)比不同，動(dòng)圈式聲電轉(zhuǎn)換器有兩種輸出阻抗：低阻抗為 200～600Ω，高阻抗為幾十千Ω。 動(dòng)圈式聲電轉(zhuǎn)換器頻率響應(yīng)一般 50～10000Hz，輸出電平為50—70dB，無方向性。組合式動(dòng)圈式聲電轉(zhuǎn)換器頻率響應(yīng)可達(dá) 35～15000Hz，并具有不同的方向特性供使用時(shí)選擇。 電容式聲電轉(zhuǎn)換器電容式聲電轉(zhuǎn)換器在整個(gè)音頻范圍內(nèi)具有很好的頻率響應(yīng)特性，靈敏度高、失真小，多用在要求高音質(zhì)的擴(kuò)音、錄音工作中。電 容 式 聲 電 轉(zhuǎn) 換 器 的 膜 片 多 采 用 聚 全 氟 乙 丙 烯 ，其 濕 度 性 能 好 ， 產(chǎn) 生 的 表 面 電 荷 多 ， 受 濕 度 影 響 小 。 普通電容式聲電轉(zhuǎn)換器的構(gòu)造如圖 所示。圖 電容式聲電轉(zhuǎn)換器振動(dòng)膜是一塊質(zhì)量很輕、彈性很強(qiáng)的薄膜，表面經(jīng)過金屬化處理，它與另一極板構(gòu)成一只電容器。由于它們之間的間隙很小，雖然振動(dòng)膜面積不大，但仍可獲得一定的電容量。當(dāng)有聲波傳到振動(dòng)膜上時(shí)，它便隨之振動(dòng)，改變了它與另一極板之間的距離，從而使電容量發(fā)生變化。在這個(gè)電容器的兩端，經(jīng)過電阻 R 接上一直流電壓 E，稱為極化電壓。那么，電容量隨聲音變化時(shí)，電阻 R 兩端便得到交變的電壓降，即把聲波轉(zhuǎn)換成了電能. 電 壓 變 化 的 大 小 ， 反 映 了 外 界 聲 壓 的 強(qiáng) 弱 ， 電 壓 變 化 的 頻 率 反 映 了 外 界 聲 音 的頻 率 。武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）5駐極體聲電轉(zhuǎn)換器由聲電轉(zhuǎn)換和阻抗轉(zhuǎn)換兩部分組成，如圖 所示。聲電轉(zhuǎn)換部分的關(guān)鍵元件是駐極體振動(dòng)膜，它是一個(gè)極薄的塑料膜片，在它上面蒸發(fā)一層純金薄膜，然后經(jīng)高壓電場(chǎng)駐極后，兩面分別駐有異性電荷。膜片的蒸金面向外與金屬外殼相連通，膜片的另一面用薄的絕緣墊圈隔開，這樣蒸金膜面與金屬極板之間就形成了一個(gè)電容器。阻抗轉(zhuǎn)換部分由場(chǎng)效應(yīng)管擔(dān)任，它的主要作用就是把幾十兆歐的阻抗轉(zhuǎn)變?yōu)榕c放大器匹配的阻抗。圖 駐極體聲電轉(zhuǎn)換器場(chǎng)效應(yīng)管的 G 極接金屬極板，D 和 S 極與外接電路連接，其輸出形式如圖 所示。圖 (a)為源極輸出接法，這種接法的輸出阻抗小于 2kΩ，電路比較穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)范圍大，但輸出信號(hào)較弱。圖 (b)為漏極輸出接法，這種接法增益較高，但動(dòng)態(tài)范圍較源極輸出接法要小。圖 駐極體聲電轉(zhuǎn)換器的輸出形式武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）6 壓電式聲電轉(zhuǎn)換器又稱晶體式聲電轉(zhuǎn)換器。其特點(diǎn)是靈敏度較高、構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)低，可作語(yǔ)言傳輸使用。其工作原理為：當(dāng)振膜受聲波的作用而振動(dòng)時(shí)，膜的中心連桿便帶動(dòng)晶片中心，使晶片產(chǎn)生振動(dòng)，使晶體的兩個(gè)面上產(chǎn)生微小的電壓，并通過兩電極將此音頻電壓輸出。其結(jié)構(gòu)如圖 所示，主要由振動(dòng)膜和晶體構(gòu)成，晶體一般由欽酸鋇等材料制成，它是利用晶體的壓電效應(yīng)制成的。 圖 壓電式聲電轉(zhuǎn)換器應(yīng)根據(jù)用途和音響設(shè)備的性能選擇合適的聲電轉(zhuǎn)換器，如聲電轉(zhuǎn)換器的指向性、靈敏度、頻率響應(yīng)，特別要注意阻抗匹配。在需要高質(zhì)量的擴(kuò)音和錄音時(shí)，應(yīng)選擇電容式聲電轉(zhuǎn)換器、鋁帶式聲電轉(zhuǎn)換器、電池式晶體聲電轉(zhuǎn)換器、高質(zhì)量的動(dòng)圈式聲電轉(zhuǎn)換器；作一般語(yǔ)言擴(kuò)音時(shí)，可選用普通動(dòng)圈式聲電轉(zhuǎn)換器、駐極體電容式聲電轉(zhuǎn)換器或膜片式晶體聲電轉(zhuǎn)換器；當(dāng)環(huán)境嘈雜，或需要突出某一聲音時(shí)，可選用方向性較強(qiáng)的（如心形指向）聲電轉(zhuǎn)換器；其他場(chǎng)合可使用手持式無線聲電轉(zhuǎn)換器。 　　 使用時(shí)，高質(zhì)量的聲電轉(zhuǎn)換器應(yīng)選用以雙絞線為芯線的金屬屏蔽線，一般聲電轉(zhuǎn)換器可以使用單芯金屬屏蔽線，不可用普通導(dǎo)線。 　　 在需要同時(shí)使用多只聲電轉(zhuǎn)換器的情況下，應(yīng)配備調(diào)音臺(tái)，每一路聲電轉(zhuǎn)換器信號(hào)單獨(dú)放大后，再混合到一起。不要把多只聲電轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)單地并聯(lián)在一起，這樣會(huì)減小輸出、增加失真，效果反而不好。另外，要選用穩(wěn)固的聲電轉(zhuǎn)換器支架；傳輸線應(yīng)留有余量，不要繃得太緊；布線時(shí)，應(yīng)把傳輸線放到人不易踢到的地方；同時(shí)注意不要和電源線、擴(kuò)音機(jī)輸出線靠近或平行，以防嘯叫聲和交流聲。有人喜歡用吹氣或敲擊的方法試武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）7驗(yàn)聲電轉(zhuǎn)換器，這是最不好的習(xí)慣。這樣做很容易損壞聲電轉(zhuǎn)換器，應(yīng)注意避免。而且，為了防止說話時(shí)的氣流聲，還要在聲電轉(zhuǎn)換器上套上話筒罩。 基于壓電式聲電轉(zhuǎn)換器靈敏度較高、構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)低等特點(diǎn)，出于經(jīng)濟(jì)成本考慮，本畢業(yè)設(shè)計(jì)選用壓電式聲電轉(zhuǎn)換器。按對(duì)聲源方位的靈敏度，聲電轉(zhuǎn)換器可分成全向、雙向和單向（心形指向）三種。不論哪種方向特性的聲電轉(zhuǎn)換器，只有聲源對(duì)準(zhǔn)它的中心線（聲軸）時(shí)，如圖 所示，靈敏度最高、失真最小；兩者之間的偏角越大、高音損失越大。使用聲電轉(zhuǎn)換器有時(shí)會(huì)出現(xiàn)“咝咝”聲，這時(shí)只要把聲電轉(zhuǎn)換器偏轉(zhuǎn)一些角度， “咝咝”聲即可以減弱或消失。圖 聲電轉(zhuǎn)換器的方向特性 而且，當(dāng)聲電轉(zhuǎn)換器始終指向聲源時(shí)，其振動(dòng)膜接收到的噪聲引起的機(jī)械振動(dòng)能量是最大的。為了使系統(tǒng)能充分回收噪聲能，所以有必要確定噪聲源的方向，來相應(yīng)調(diào)整聲電轉(zhuǎn)換器的方向。 噪聲源定位原理人是我們最熟悉的一個(gè)聲源定位系統(tǒng)，人的兩只耳朵是這個(gè)系統(tǒng)的主角。由于耳廓具有非常特殊的形狀，聲音經(jīng)過耳廓的處理后，大腦只需要根據(jù)兩只耳朵所接收到的聲音強(qiáng)度就能大致定位某一個(gè)聲源的位置。然而要模擬制作出耳廓這樣具有特殊結(jié)構(gòu)的傳感器是比較費(fèi)勁的。武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）8人對(duì)聲源的定位主要用到了聲音幅度這個(gè)物理量，而機(jī)器卻可以精確的測(cè)量聲音的相位。由于聲波在空氣中以一定速度傳播，到達(dá)設(shè)置于不同位置的聲電轉(zhuǎn)換器的相位不同，根據(jù)這些聲電轉(zhuǎn)換器對(duì)同一聲音錄制的相位差別，我們可以計(jì)算出同一聲音到達(dá)每對(duì)聲電轉(zhuǎn)換器的時(shí)間差值。如果我們得到了某個(gè)聲源發(fā)出的聲音到達(dá)一對(duì)聲電轉(zhuǎn)換器的時(shí)間差，則這個(gè)聲源就處于以這對(duì)聲電轉(zhuǎn)換器所處的位置為焦點(diǎn)，到達(dá)時(shí)間差所對(duì)應(yīng)的聲音傳輸距離為參數(shù)的雙曲面上。使用多對(duì)聲電轉(zhuǎn)換器得到多個(gè)時(shí)間差，也就得到了多個(gè)雙曲面，聲源位置就處于這些雙曲面的相交點(diǎn)。合適的安排聲電轉(zhuǎn)換器的位置，可以使得雙曲面的交點(diǎn)只有一個(gè)，這點(diǎn)就是我們要的聲源位置。對(duì)于室內(nèi)聲源定位系統(tǒng)中，一般使用基于到達(dá)時(shí)間差的聲源定位算法。室內(nèi)環(huán)境中墻面或者其他物體產(chǎn)生的反射聲與直達(dá)聲會(huì)混迭。但是，一般來說，聲音信號(hào)中起始音附近的一小段存在不含反射聲的純直達(dá)聲部分，我們可以通過分析各路聲音信號(hào)中起始音附近直達(dá)聲的到達(dá)時(shí)間差來定位聲源的位置。大多數(shù)聲源定位是基于到達(dá)時(shí)間差的方法，提高對(duì)到達(dá)時(shí)間差估計(jì)的準(zhǔn)確程度是這種方法的關(guān)鍵。而對(duì)到達(dá)時(shí)間差的估計(jì)方法有很多，比如基于仿生學(xué)的方法、基于構(gòu)造相關(guān)性度量函數(shù)的方法等。 圖 到達(dá)時(shí)間差 t 示意圖這種方法利用不同聲電轉(zhuǎn)換器接收到的來自同一個(gè)聲源的聲音信號(hào)在強(qiáng)度上的差異實(shí)現(xiàn)聲源定位。武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）9圖 平面上基于聲壓幅度比聲源定位示意圖設(shè)第 i 個(gè)聲電轉(zhuǎn)換器上接收到的聲壓幅度為 ，經(jīng)過推理可以得到：()iet （11）21r? （12）342()te根據(jù)位置關(guān)系有： （13） 21()xayr?? （14）2 （15）23()? （16）4xayr聯(lián)合以上式子，可以解出聲源的兩個(gè)位置。再根據(jù)對(duì)聲源的先驗(yàn)知識(shí)(也就是事先大致知道聲源在哪個(gè)方向)，可以確定出聲源的最終位置。而對(duì)于三維空間中的定位，只需要使用不在同一個(gè)平面中的四個(gè)聲電轉(zhuǎn)換器，便可以唯一的確定出聲源在三維空間中的位置。但是，對(duì)于實(shí)際環(huán)境中的聲源定位，噪聲、聲電轉(zhuǎn)換器的不匹配、聲電轉(zhuǎn)換器頭安裝不一致等都會(huì)帶來一些誤差，具體效果如何還要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 太陽(yáng)能電池工作原理和特性太陽(yáng)能是一種輻射能，它必須借助于能量轉(zhuǎn)換器才能轉(zhuǎn)換成為電能。這種把光能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換器，就是太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。以光電效應(yīng)工作的薄膜式太陽(yáng)能電池為主流，而以光化學(xué)效應(yīng)工作的濕式太陽(yáng)能電池則還處于萌芽階段。太陽(yáng)能電池工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)。所謂光生伏打效應(yīng)，簡(jiǎn)武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）10言之，就是當(dāng)物體受到光照時(shí)，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流的一種效應(yīng)。當(dāng)太陽(yáng)光或其他光照射半導(dǎo)體的PN結(jié)時(shí)，就會(huì)在PN結(jié)的兩邊出現(xiàn)電壓，叫做光生電壓。這種現(xiàn)象，就是著名的光生伏打效應(yīng)。使PN結(jié)短路，就會(huì)產(chǎn)生電流。眾所周知，物質(zhì)的原子是由原子核和電子組成的。原子核帶正電，電子帶負(fù)電。電子就像行星圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)一樣，按照一定的軌道圍繞著原子核旋轉(zhuǎn)。單晶硅的原子是按照一定的規(guī)律排列的，硅原子的最外電子殼層中有4個(gè)電子，每個(gè)原子的外層電子都有固定的位置，并受原子核的約束。它們?cè)谕鈦砟芰康募ぐl(fā)下，如受到太陽(yáng)光輻射時(shí)，就會(huì)擺脫原子核的束縛而成為自由電子，同時(shí)在它原來的地方留出一個(gè)空位，即半導(dǎo)體物理學(xué)中所謂的“空穴”。由于電子帶負(fù)電，空穴就表現(xiàn)為帶正電。電子和空穴就是單晶硅中可以運(yùn)動(dòng)的電荷。在純凈的硅晶體中，自由電子和空穴的數(shù)目是相等的。如果在硅晶體中