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噪声发电及应用

北极星环境监测网  来源:《现代教育教学导刊》  作者:陈鼎彰 张仁义  2020/1/6 16:02:48  我要投稿  

北极星环境监测网讯:1 研究背景

在生活中,汽车的鸣笛声,机械的轰鸣声,歌舞厅里的音响声,震耳欲聋。然而声音作为一种能量,有时却只能增添喧闹而得不到利用。当声音超过 90 分贝时就可能造成噪声污染,严重影响人们的工作,学习,生活和休息。如果能将这些躁音利用起来,用一种声电转化装置将它们转化为电能储存起来,积少成多,必将节省不少能源。

2 研究目的

在生活中常有一些大功率发生的声源,若再发生处安装这种噪声发电装置,从而减少造影污染,,又获得部分电能,以达到节能低碳、环保的目的。

3 研究过程

3.1 噪声发电可行性的论证。理论:①声音以波的行式传播并具有能量。②一切正在发声的物体都在震动。因此我们只须利用这种震动,将无用的声能,转化为能够利用的机械能进而转化为电能即可。

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实验论证的两种方案:

3.1.1 先在一个密闭的容器里分别放入小收音机或 MP3,MP等能调节声音大小的发声体。然后盖上盖子,在其上的中央插入一支细 V 型玻璃管,内装一小段染色水柱,密封好后,将音量调大,比较染色水柱上升的高度差。还可以调节声音的大小来探究水柱高度差是否随着声音的加大而增大。

3.1.2 在密闭容器里安装一个“0.2V,0.01W”的发动机和轻小扇叶及一个0.15V 的小灯泡,密封好后,再将音量进行调节,观察灯是否在发光,若发光,再调节声音大小,比较发光的亮度关于以上两实验的解释,发声体在振动,则引起气体分子振动即使分子动能和分子势能增加,从而分子内能增大,内能对水柱以及扇叶做功,引起高度差和扇叶的转动以验证声能转化为水柱的重力势能,及机械能的可行性。

3.2 发声装置的设计。

3.2.1 逆用扬声器原理的设计方案。灵感:扬声器作为一种声电转化装置能将电信号转化成声信号,那么是否可以逆用扬声器原理,从而将声信号转化成电信号呢?

设计:如图1 所示,为纸盘放大图。扬声器就是以纸盘的前后收缩大道放大声信号的效果。过程:声音通过纸盘产生振动使纸盘能前后伸缩,而轻质金属连接在纸盘上,因此纸盘的前后收缩带动轻质金属前后收缩,以切割永久磁体的磁感线产生感应电流。问题:由于纸盘振动很微小,所以难以带动轻质金属运动。解决方案:我联想到曾经学习过的放大思想。在学习物体形变时,为了让我们看到物体的微小变化,将形变转化为压强的增大,进而转化为液柱的上升。因此可将纸盆的微小变化转化为压强的变化,利用压强对形变的“敏感”,进而转化为液柱的变化。(声能→势能)

3.2.2 压强变化发电装置:改进方案如图 2。设计:将发声装置对准纸盆,纸盆由于声波振动向内凹陷引起容器内部压强变大,从而将水柱从细管中抬升,抬升后的水柱通过细管两侧的小孔流出,流入小型涡轮中,涡轮的轻质叶片上有几个小孔,水流通过小孔流出,从而产生一个向后的反冲力,以推动叶片旋转。由于发声体声调高低的变化,纸盆前后伸缩,容器压强时刻变化,水柱上抬又下降,转叶从而不断转动,实现声能向机械能转化。问题:实际实验时发现液柱并没有被抬升。问题分析及解决:由于在侧壁开了两小孔,因此管内实际与容器是相通的,固然容器压强增大,管内压强也增大,没有压强差,液柱自然无法抬升。可利用只能单向打开的轻质膜解决这个问题:如图 2 是一个比孔略大的轻质膜,膜上方固定,由于轻质膜比孔略大,因此只能由里向外开,不能由外向里开。平常情况膜闭合(也就阻挡了管内与容器相通),当容器内压强增大时,由于存在压强差,因此被抬升,而水流从内向外流也不会受阻挡,也就成功解决了这一问题。

装置的完善:主要是改进一下材料,容器改为致密的发泡材料,由于材质致密,能少吸收声能从而多反射声能,以减少损失。将纸盆换成 PVC 伸缩膜,由于这种材料轻质,伸缩性好,延展性好,因此将它们做成褶皱形状,比纸盆有更大的优越性。在PVC 膜外加上一个倒置的喇叭型收声装置如图 3,使声能反射到膜上,更集中的作用于膜。另外还要综合考虑管壁对水柱的摩擦及粗细对液柱上升难度的影响来确定一个合适的管径。图 3 图 4新的问题:新实验后又发现管内液柱易“直上直下”,只有少部分从侧壁孔流出,导致大量能量损失。问题解决:再次利用半向开膜如图 4

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解决此问题,此轻质膜因一窄口向下的阻挡作用,只能向上开。当容器内压强增大时,液柱由下向上升,能成功的冲开轻质膜,而当水柱下降时,轻质膜无法向下开,因此水只能通过侧壁流入涡轮,这样一来。就大大提高了水的势能利用率(可类比血液中半开膜防止血液倒流的作用,来理解此处膜的作用)。

机械能向电能的转化:上述过程已经完成了:声能→势能→机械能的转化。再只需利用电磁感应现象完成机械能向电能的转化即可。在小型涡轮的轻质叶片附近用蹄形磁铁环绕半周,当轻质叶片在水流及冲力的作用下转动时产生感应电流,再通过导线导出即可。问题:导线接出后,接在电流计的图5偏转,但因电流很小,在生活中难以应用。解决问题:再次利用放大思想,利用三极管的放大作用,

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如图 5 所示,将导出电流通过此电路放大电流,再接在其他用电器上。至此就完成了声能到电能的全部转化。

4 发展方向

4.1 本次装置的设计渗透了多种科学思想方法:如逆向思维(由扬声器电信号转化为声信号想到逆用扬声器,将声信号转化为电信号);放大思想(将微小的形变放大成为液柱的上升,将微小电流放大成合适的电流);类比思想(巧与血液中的瓣膜类比,利用半开膜解决了多个问题)。

4.2 本项装置的理念:秉持着减少噪音污染,又增加新能源的理念,实现开发能源、环保节能增收的目的,也正符合绿色科学的时代要求。


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