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發(fā)布日期:2022-10-21 點(diǎn)擊率:41
DQZHAN技術(shù)訊:噪聲發(fā)電及應(yīng)用
1 研究背景
在生活中,汽車的鳴笛聲,機(jī)械的轟鳴聲,歌舞廳里的音響聲,震耳欲聾。然而聲音作為一種能量,有時(shí)卻只能增添喧鬧而得不到利用。當(dāng)聲音超過(guò) 90 分貝時(shí)就可能造成噪聲污染,嚴(yán)重影響人們的工作,學(xué)習(xí),生活和休息。如果能將這些躁音利用起來(lái),用一種聲電轉(zhuǎn)化裝置將它們轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存起來(lái),積少成多,必將節(jié)省不少能源。
2 研究目的
在生活中常有一些大功率發(fā)生的聲源,若再發(fā)生處安裝這種噪聲發(fā)電裝置,從而減少造影污染,,又獲得部分電能,以達(dá)到節(jié)能低碳、環(huán)保的目的。
3 研究過(guò)程
3.1 噪聲發(fā)電可行性的論證。理論:①聲音以波的行式傳播并具有能量。②一切正在發(fā)聲的物體都在震動(dòng)。因此我們只須利用這種震動(dòng),將無(wú)用的聲能,轉(zhuǎn)化為能夠利用的機(jī)械能進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能即可。
實(shí)驗(yàn)論證的兩種方案:
3.1.1 先在一個(gè)密閉的容器里分別放入小收音機(jī)或 MP3,MP等能調(diào)節(jié)聲音大小的發(fā)聲體。然后蓋上蓋子,在其上的中央插入一支細(xì) V 型玻璃管,內(nèi)裝一小段染色水柱,密封好后,將音量調(diào)大,比較染色水柱上升的高度差。還可以調(diào)節(jié)聲音的大小來(lái)探究水柱高度差是否隨著聲音的加大而增大。
3.1.2 在密閉容器里安裝一個(gè)“0.2V,0.01W”的發(fā)動(dòng)機(jī)和輕小扇葉及一個(gè)0.15V 的小燈泡,密封好后,再將音量進(jìn)行調(diào)節(jié),觀察燈是否在發(fā)光,若發(fā)光,再調(diào)節(jié)聲音大小,比較發(fā)光的亮度關(guān)于以上兩實(shí)驗(yàn)的解釋,發(fā)聲體在振動(dòng),則引起氣體分子振動(dòng)即使分子動(dòng)能和分子勢(shì)能增加,從而分子內(nèi)能增大,內(nèi)能對(duì)水柱以及扇葉做功,引起高度差和扇葉的轉(zhuǎn)動(dòng)以驗(yàn)證聲能轉(zhuǎn)化為水柱的重力勢(shì)能,及機(jī)械能的可行性。
3.2 發(fā)聲裝置的設(shè)計(jì)。
3.2.1 逆用揚(yáng)聲器原理的設(shè)計(jì)方案。靈感:揚(yáng)聲器作為一種聲電轉(zhuǎn)化裝置能將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成聲信號(hào),那么是否可以逆用揚(yáng)聲器原理,從而將聲信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)呢?
設(shè)計(jì):如圖1 所示,為紙盤(pán)放大圖。揚(yáng)聲器就是以紙盤(pán)的前后收縮大道放大聲信號(hào)的效果。過(guò)程:聲音通過(guò)紙盤(pán)產(chǎn)生振動(dòng)使紙盤(pán)能前后伸縮,而輕質(zhì)金屬連接在紙盤(pán)上,因此紙盤(pán)的前后收縮帶動(dòng)輕質(zhì)金屬前后收縮,以切割長(zhǎng)久磁體的磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流。問(wèn)題:由于紙盤(pán)振動(dòng)很微小,所以難以帶動(dòng)輕質(zhì)金屬運(yùn)動(dòng)。解決方案:我聯(lián)想到曾經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)的放大思想。在學(xué)習(xí)物體形變時(shí),為了讓我們看到物體的微小變化,將形變轉(zhuǎn)化為壓強(qiáng)的增大,進(jìn)而轉(zhuǎn)化為液柱的上升。因此可將紙盆的微小變化轉(zhuǎn)化為壓強(qiáng)的變化,利用壓強(qiáng)對(duì)形變的“敏感”,進(jìn)而轉(zhuǎn)化為液柱的變化。(聲能→勢(shì)能)
3.2.2 壓強(qiáng)變化發(fā)電裝置:改進(jìn)方案如圖 2。設(shè)計(jì):將發(fā)聲裝置對(duì)準(zhǔn)紙盆,紙盆由于聲波振動(dòng)向內(nèi)凹陷引起容器內(nèi)部壓強(qiáng)變大,從而將水柱從細(xì)管中抬升,抬升后的水柱通過(guò)細(xì)管兩側(cè)的小孔流出,流入小型渦輪中,渦輪的輕質(zhì)葉片上有幾個(gè)小孔,水流通過(guò)小孔流出,從而產(chǎn)生一個(gè)向后的反沖力,以推動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)。由于發(fā)聲體聲調(diào)高低的變化,紙盆前后伸縮,容器壓強(qiáng)時(shí)刻變化,水柱上抬又下降,轉(zhuǎn)葉從而不斷轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)聲能向機(jī)械能轉(zhuǎn)化。問(wèn)題:實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)液柱并沒(méi)有被抬升。問(wèn)題分析及解決:由于在側(cè)壁開(kāi)了兩小孔,因此管內(nèi)實(shí)際與容器是相通的,固然容器壓強(qiáng)增大,管內(nèi)壓強(qiáng)也增大,沒(méi)有壓強(qiáng)差,液柱自然無(wú)法抬升??衫弥荒軉蜗虼蜷_(kāi)的輕質(zhì)膜解決這個(gè)問(wèn)題:如圖 2 是一個(gè)比孔略大的輕質(zhì)膜,膜上方固定,由于輕質(zhì)膜比孔略大,因此只能由里向外開(kāi),不能由外向里開(kāi)。平常情況膜閉合(也就阻擋了管內(nèi)與容器相通),當(dāng)容器內(nèi)壓強(qiáng)增大時(shí),由于存在壓強(qiáng)差,因此被抬升,而水流從內(nèi)向外流也不會(huì)受阻擋,也就成功解決了這一問(wèn)題。
裝置的完善:主要是改進(jìn)一下材料,容器改為致密的發(fā)泡材料,由于材質(zhì)致密,能少吸收聲能從而多反射聲能,以減少損失。將紙盆換成 PVC 伸縮膜,由于這種材料輕質(zhì),伸縮性好,延展性好,因此將它們做成褶皺形狀,比紙盆有更大的優(yōu)越性。在PVC 膜外加上一個(gè)倒置的喇叭型收聲裝置如圖 3,使聲能反射到膜上,更集中的作用于膜。另外還要綜合考慮管壁對(duì)水柱的摩擦及粗細(xì)對(duì)液柱上升難度的影響來(lái)確定一個(gè)合適的管徑。圖 3 圖 4新的問(wèn)題:新實(shí)驗(yàn)后又發(fā)現(xiàn)管內(nèi)液柱易“直上直下”,只有少部分從側(cè)壁孔流出,導(dǎo)致大量能量損失。問(wèn)題解決:再次利用半向開(kāi)膜如圖 4
解決此問(wèn)題,此輕質(zhì)膜因一窄口向下的阻擋作用,只能向上開(kāi)。當(dāng)容器內(nèi)壓強(qiáng)增大時(shí),液柱由下向上升,能成功的沖開(kāi)輕質(zhì)膜,而當(dāng)水柱下降時(shí),輕質(zhì)膜無(wú)法向下開(kāi),因此水只能通過(guò)側(cè)壁流入渦輪,這樣一來(lái)。就大大提高了水的勢(shì)能利用率(可類比血液中半開(kāi)膜防止血液倒流的作用,來(lái)理解此處膜的作用)。
機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化:上述過(guò)程已經(jīng)完成了:聲能→勢(shì)能→機(jī)械能的轉(zhuǎn)化。再只需利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象完成機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化即可。在小型渦輪的輕質(zhì)葉片附近用蹄形磁鐵環(huán)繞半周,當(dāng)輕質(zhì)葉片在水流及沖力的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流,再通過(guò)導(dǎo)線導(dǎo)出即可。問(wèn)題:導(dǎo)線接出后,接在電流計(jì)的圖5偏轉(zhuǎn),但因電流很小,在生活中難以應(yīng)用。解決問(wèn)題:再次利用放大思想,利用三極管的放大作用,
如圖 5 所示,將導(dǎo)出電流通過(guò)此電路放大電流,再接在其他用電器上。至此就完成了聲能到電能的全部轉(zhuǎn)化。
4 發(fā)展方向
4.1 本次裝置的設(shè)計(jì)滲透了多種科學(xué)思想方法:如逆向思維(由揚(yáng)聲器電信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲信號(hào)想到逆用揚(yáng)聲器,將聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào));放大思想(將微小的形變放大成為液柱的上升,將微小電流放大成合適的電流);類比思想(巧與血液中的瓣膜類比,利用半開(kāi)膜解決了多個(gè)問(wèn)題)。
4.2 本項(xiàng)裝置的理念:秉持著減少噪音污染,又增加新能源的理念,實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)能源、環(huán)保節(jié)能增收的目的,也正符合綠色科學(xué)的時(shí)代要求。
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