Page 152 - 《应用声学》2021年第5期
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1.1 能量收集模块设计 为共振器内的动能集中于颈部空气的运动，而共
能量收集模块为文丘里管，如图 2(a) 所示，文 振器内管道的势能则集中于腔体内空气的弹性势
丘里管是一种先收缩而后逐渐扩大的管道，由收缩 能 [11] 。颈部的空气作用相当于机械运动系统中的
段、喉道以及扩散段组成，收缩角一般为 21 ± 2 ， 振子 [12] 。由此可见，亥姆霍兹共振器可以等效为一
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扩散角一般为 8 ∼ 15 。设计本装置文丘里管收缩 个如图 2(b)的一维振动系统。
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段长 12 mm，喉部截面直径 10 mm、长 5 mm，扩散 亥姆霍兹共振器的共振频率与其各部分尺寸
段长18 mm，收缩角为22.6 ，扩散角为14.5 。 相关，如式(2)所示：
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将空气视为不可压缩流体，根据伯努利方程在 c √ s
f = , (2)
同一流管中有 2π (l + 0.8d)v
1 2 1 2 式(2)中，d为颈部横截面直径，设为4 mm；s为颈部
P 1 + ρv + ρgh 1 = P 2 + ρv + ρgh 2 , (1)
1
2
2 2 截面积；l 为颈部高度，设为 15 mm；v 为腔体体积，
式(1)中，P 为压力，ρ为流体密度，v 为流体流速，脚 在此腔体高度设为 45 mm，截面直径设为 31 mm；
标 1 代表截面积较大的收缩段截面，脚标 2 代表截
计算得共振频率 f 为 246.7 Hz。在日常生活中产生
面积较小的喉部截面。根据文丘里效应：受限流动
的噪声频率范围内 [13] 。
在通过缩小的过流断面时，流体出现流速增大现象。
1.3 能量转换模块设计
所以 v 1 < v 2 ，当两处截面在同一高度 h 时，要使伯
努利方程等式成立则有 P 1 > P 2 ，所以会在文丘里 换能器利用压电效应完成能量的转换，压电效
应本质上是由于压电材料晶格内原子间的特殊排
管喉部产生一个最低负压区。
如图 2(a)，将亥姆霍兹共振器的颈部与文丘里 列方式使得电能与机械能的转换得以实现 [14−15] 。
管中的最低负压区连接，当有气流经过时，由于文丘 当某些压电材料受到某一方向的机械力作用时，使
里效应的作用可使亥姆霍兹共振器腔体中的压力 其内部原本重叠的正负电荷中心发生相对位移，产
产生变化，从而使压电片产生形变，达到利用气流发 生极化现象，此时会在压电材料的表面产生等量的
电的目的，同时文丘里管也可收集声能。 正负相反的电荷 [16] ，当机械力的方向发生改变时，
极化方向发生改变，电荷极性也随之改变 [17] ，这为
ԍႃྟ 正压电效应。将压电片设置在亥姆霍兹共振器的顶
部，声压被亥姆霍兹共振器放大后，压电片在顶部产
ᑿʹ 生振动，根据正压电效应此时压电片产生电压。
采用黏结剂固定压电片，会影响整个系统的换
ᮙᦊ 能效率。在此对压电片固定方式进行改进。每个单
元的亥姆霍兹共振器顶部设有直径 35 mm、深度
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1.2 mm的凹台用来放置压电片，压电片上放置有橡
k 胶垫圈，每层之间通过嵌套结构使用螺钉连接，同时
橡胶垫圈与压电片外圈被压紧，达到固定压电片的
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作用。此种固定方式更加可靠，且排除了使用黏结
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剂时人为因素对边界条件的影响。
图 2 亥姆霍兹共振器三维模型与理论模型对比 1.4 储能模块设计
Fig. 2 Comparison of Helmholtz resonator three-
储能模块由整流桥、电容、电阻、超级电容组成。
dimensional model and theoretical model
由正压电效应可知，在压电片振动时会产生交流电，
1.2 声压放大模块设计 而超级电容只能由直流电为其充电，所以设计了如
利用亥姆霍兹共振器对收集到的声能进行声 图3的储能电路。输入口1、2两端接本换能装置，由
压放大。当沿着亥姆霍兹共振器管道轴线方向传 图中D1 GBJ251型整流桥完成交直流转换，之后将
播的声波波长远大于其几何尺寸时，此时便可认 电能输送到超级电容 C 1 进行储能，由输出口 1、2 两
