Page 155 - 《应用声学》2021年第5期

第 40 卷 第 5 期 叶俊杰等： 亥姆霍兹效应和文丘里效应复合型换能器设计 799

3.2 负载驱动实验 丘里管作为声波导管使换能器单元的电压提升了
为验证换能器在噪声所收集转换的电能对负 24.8%。
载的驱动能力，制作光敏电阻测量单元，测量发光 1.0 6 600
二极管的亮度大小，为测量精确，选用电阻较小的 450
5506 型光敏电阻，整流后的直流电直接为二极管 0.5 4 300
150
供电。 ԍႃྟႃԍ/V ፙႃ٨଍҄ηՂ/V 0 ԍႃྟ૝үͯረ/µm
经测量在设置扬声器发出声压级为110 dB、频 0 2 -150
率为 205 ∼ 325 Hz 时发光二级管被点亮。图 9 为声 -300
-450
压级 110 dB、频率 255 Hz 噪声作用下点亮发光二 -0.5 0 -600
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
极管效果图，发光二极管两端电压为2.43 V，电路电
௑ᫎ/s
流为5.3 µA，计算得功率为128.79 µW。
图 10 压电片电压、继电器控制信号及压电片振动
位移变化对比
Fig. 10 Comparison of piezoelectric sheet voltage,
relay control signal and piezoelectric sheet vibra-
tion displacement change

4 结论
图 9 点亮发光二极管
(1) 本文提出了一种将亥姆霍兹共振器与文丘
Fig. 9 Light up the LED
里管相结合的复合型能量收集装置，本装置以声能

3.3 气电转换实验 发电为主、以气流发电为辅，声能发电实验以及对文
丘里管与亥姆霍兹共振器组合单元进行声学仿真
在空气压缩机气压为 2 kPa的情况下向换能器
验证其共振频率为 246.7 Hz，实验误差为 3.2%，并
进行间断性气流供给，单片机向继电器发出信号，
由实验得出橡胶圈固定压电片的方式可使共振频
继电器控制电磁阀的开闭，由电磁阀控制供给气流
率处的电压提升8.8%。
的通断，设置单片机程序通断间隔为 1 s，利用数据
(2) 对文丘里管与亥姆霍兹共振器组合单元进
采集卡收集压电片产生的电压信号以及继电器控
行流固耦合仿真分析，结果表明，在文丘里效应作用
制信号，并同时利用激光测振仪测量压电片振动位
下换能器单元可以产生 0.0044 ∼ 0.0268 J 的电能；
移，利用其配套的数据采集卡采集压电片振动位移
气流发电实验表明在空气压缩机气压为2 kPa的气
数据，采集 10 s数据，结果如图 10，由于实验中继电
流作用下可产生 0.1148 V 电压，进一步验证气流发
器为低电平导通高电平截止，所以当继电器断电时，
电的可行性，并通过普通声波导管与文丘里管作为
电磁阀开启，气流通过，在文丘里效应作用下，压电
声波到过的对比实验得出：文丘里管作为声波导管
片振动并产生电压，提取偶数秒时间的电压值，利用
使换能器单元的电压提升了24.8%。
rms 程序计算有效值得 0.1148 V；当继电器通电时，
(3) 对本装置进行声 -结构 -电多域耦合仿真以
电磁阀关闭，无文丘里效应产生，压电片不振动，两
及负载驱动实验，验证噪声发电性能，得出本装置在
端电压为 0。通过对比可得换能器单元在气流的作
110 dB、255 Hz 噪声的激励下可产生的电能功率为
用下可产生0.1148 V 的电压。
128.79 µW，实验共振频率与理论计算频率偏差为
在进行气流激励的同时添加声波激励，在空气
3.36%。
压缩机气压仍为 2 kPa 的情况下，调整声波频率为
255 Hz，音量大小设置为 90 dB，利用万用表测得换
参 考 文 献
能器单元压电片两端电压为 0.176 V，将换能器单
元的文丘里管换为直管后利用同样的声波以及气
[1] Shehata N, Hassanin A H, Elnabawy E, et al. Acous-
流进行激励，测得电压为0.141 V。对比可知利用文 tic energy harvesting and sensing via electrospun PVDF