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船舶機(jī)艙中的噪聲發(fā)電減噪技術(shù)
摘要：處理好機(jī)艙的噪聲對(duì)解決船舶的噪聲問題具有重大意義。噪聲治理技術(shù)至今仍不能滿足噪聲標(biāo)準(zhǔn)。所以，利用聲能轉(zhuǎn)換技術(shù)將噪聲變?yōu)殡娔�，不僅能夠削減噪聲，而且能夠變廢為寶，從而改善了船舶機(jī)艙的環(huán)境。
關(guān)鍵詞：船舶機(jī)艙 噪聲 聲電轉(zhuǎn)換
1 前言
通常，在全90dB的噪聲環(huán)境下長(zhǎng)期工作，就會(huì)導(dǎo)致人聽覺遲鈍和永久性聽覺損傷，造成噪聲耳聾。如以聽力和健康保護(hù)為標(biāo)準(zhǔn)，世界各國(guó)都規(guī)定8h的工作日允許暴露噪聲級(jí)為85dB（A），而就目前狀況而言，大部分船舶機(jī)艙中的噪聲都為達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)。
在船舶機(jī)艙中，其機(jī)電設(shè)備是船舶最大的噪聲源。處理好機(jī)艙的噪聲對(duì)解決船舶的噪聲問題具有重大意義。機(jī)艙的噪聲級(jí)是由各個(gè)機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的噪聲決定的。具體地說：①機(jī)械設(shè)備附近的噪聲級(jí)主要由它直接輻射的空氣噪聲決定；②離機(jī)械設(shè)備一定距離的噪聲級(jí)主要由艙室壁反射的空氣噪聲決定，取決于機(jī)艙的混響時(shí)間；③相鄰艙室中的噪聲級(jí)一般地說，主要由機(jī)械設(shè)備傳遞的結(jié)構(gòu)噪聲決定，同時(shí)亦與透射過艙壁的空氣噪聲有關(guān)。下表列出了一些機(jī)械典型設(shè)備的噪聲級(jí)。
從表1可以看出，巨大噪音一直是改善船舶機(jī)艙環(huán)境的一個(gè)重要難題，這嚴(yán)重影響了船舶機(jī)艙工作人員的身體健康及工作環(huán)境，但噪聲也具有相當(dāng)大的潛在能量。根據(jù)相關(guān)研究，我們可以采用聲電轉(zhuǎn)換裝置，將噪聲轉(zhuǎn)化為電能。這樣便可減少船舶機(jī)艙中的噪音，同時(shí)變廢為寶。
2 聲功率和聲壓級(jí)
聲功率是指單位時(shí)間某生源發(fā)出的聲能，聲壓是指?jìng)鞑ソ橘|(zhì)中有聲場(chǎng)與無聲場(chǎng)時(shí)的壓強(qiáng)差。聲功率級(jí)是聲功率對(duì)基準(zhǔn)聲功率之比，其常用對(duì)數(shù)的10倍稱為聲功率級(jí)，聲壓級(jí)是聲壓對(duì)基準(zhǔn)聲壓之比，其常用對(duì)數(shù)的二十倍即為聲壓級(jí)。
聲功率級(jí)計(jì)算公式為：Lw=101g（W/W0）。其中Lw：聲功率級(jí)（單位：dh）；W：聲功率（單位：w）；W0：基準(zhǔn)聲功率，即1皮瓦（10～12w）。
聲壓級(jí)計(jì)算公式Lp=201g（p/p0）其中Lp：聲壓級(jí)（單位：dB）；p：聲壓（單位：pa）；p0：基準(zhǔn)聲壓，即20微帕（2X10-5Pa）。
兩者關(guān)系公式：Lw=Lp+10Log S。其中S：包圍聲源的面積，按照半球面面積計(jì)算，單位是m2；如若S不好確定，也可用下式Lp=Lw-20LogR-11。其中R：聲源到測(cè)點(diǎn)的距離，單位是m。
3 聲電轉(zhuǎn)換技術(shù)
國(guó)外對(duì)噪聲發(fā)電的研究較早，我國(guó)在這方面也取得了相當(dāng)多的成果。例如中科院的羅二倉等人成功研制出的行波熱聲發(fā)電機(jī)樣機(jī)。隨著技術(shù)的發(fā)展，聲電轉(zhuǎn)換裝置日趨成熟。目前聲電轉(zhuǎn)換裝置有3種類型：動(dòng)圈式、電容式和壓電式。
3.1動(dòng)圈式
動(dòng)圈式聲電轉(zhuǎn)換裝置是依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)的。其工作原理為：聲波振動(dòng)→引起膜片振動(dòng)→帶動(dòng)線圈振動(dòng)→線圈切割永久磁體的磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電電動(dòng)勢(shì)。然后經(jīng)過整流將產(chǎn)生的電能存在蓄電池內(nèi)。
一般來說動(dòng)圈式聲電轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，靈敏度較低。
3.2電容式
電容式聲電轉(zhuǎn)換裝置的工作原理是：將一個(gè)活動(dòng)的振膜作為前極板，后極板固定。前極板和后極板距離較近，構(gòu)成一個(gè)小型的可變電容。當(dāng)聲波振動(dòng)引起振膜振動(dòng)時(shí)，電容便會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生電壓。
由于電容式聲電轉(zhuǎn)換價(jià)格便宜、體積較小，具有很高的靈敏性，所以應(yīng)用較為普遍。其缺點(diǎn)是需要另外增加電源為電容的兩個(gè)極板供電。
3.3壓電式
壓電式聲電轉(zhuǎn)換裝置的發(fā)電原理是利用極化材料的壓電效應(yīng)將聲能轉(zhuǎn)化為電能。該裝置的主要研究成果有：S.Horowitz以環(huán)形硅壓電復(fù)合振膜作為換能元件，運(yùn)用微機(jī)械加工工藝制作成的聲能發(fā)電機(jī)；美國(guó)Florida州立大學(xué)的HorowitzS B等人于2005年研發(fā)的微型機(jī)電霍爾姆茲聲能發(fā)電機(jī)等。
與動(dòng)圈式和電容式聲電轉(zhuǎn)換裝置相比，壓電式裝置無需額外供電，無需平面線圈等附屬結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，是聲電轉(zhuǎn)換裝置的理想選擇。
4 噪聲發(fā)電在船舶機(jī)艙中的應(yīng)用分析
鑒于壓電式聲電轉(zhuǎn)換裝置的各種優(yōu)勢(shì)，下面我們以壓電式噪聲發(fā)電裝置為例，來探討一下噪聲發(fā)電在船舶機(jī)艙中的應(yīng)用。
美國(guó)Florida州立大學(xué)的HorowitzS B等人于2005年研發(fā)了一種微型機(jī)電霍爾姆茲聲能發(fā)電機(jī)，將飛機(jī)引擎噪聲轉(zhuǎn)換為電能為電池系統(tǒng)充電，該電池系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)一個(gè)抑制飛機(jī)引擎噪音的無線活動(dòng)聲襯。聲能發(fā)電裝置的示意圖如圖1所示，由柔性的壓電復(fù)合振膜取代霍爾姆茲共鳴器的剛性背板，以霍爾姆茲共鳴器為聲壓放大器，精細(xì)加工的環(huán)形硅壓電復(fù)合振膜為換能元件，在霍爾姆茲共鳴器內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)耦合共振系統(tǒng)，再由壓電效應(yīng)將聲能轉(zhuǎn)換為電能，整合后被存儲(chǔ)在電池中。為進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)連接一個(gè)平面波導(dǎo)管，入射聲波撞擊聲學(xué)換能器如圖示虛線部分。如圖2所示，聲源有一個(gè)BMS4590P的同軸壓縮驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生，采用雙傳感器法測(cè)量輸入聲功，通過互換傳感器來消除獨(dú)立傳感器的校準(zhǔn)誤差。實(shí)驗(yàn)得到了系統(tǒng)的諧振頻率和處于諧振狀態(tài)時(shí)的最優(yōu)電阻負(fù)載，即在149dB的聲壓級(jí)下’系統(tǒng)最大輸出電功密度達(dá)到0.34μW/cm2。在原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，提高加工工藝水平，潛在的輸出電功密度最高可以達(dá)到250μW/cm2。
倘若我們將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在船舶機(jī)艙中，就能很好地實(shí)現(xiàn)噪聲和電能的轉(zhuǎn)換。
在船舶機(jī)艙中，產(chǎn)生噪音最大設(shè)備為柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)。柴油機(jī)發(fā)出的噪聲主要為其吸氣噪聲和排氣噪聲。船舶正常航行時(shí)，一般有兩臺(tái)發(fā)電機(jī)運(yùn)行。根據(jù)表1，現(xiàn)取柴油機(jī)的吸氣噪聲排氣噪聲都為X1=X2=100dB；兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的噪聲都為X3=X4=100dB。其噪聲功率根據(jù)聲壓級(jí)和聲功率的換算公式可得：Y1=Y2=Y3=Y4=8kW。則整個(gè)機(jī)艙噪聲功率至少為：Y=Y1+Y2+Y3+Y4=32kW。
如果將船舶機(jī)艙中的噪聲全部轉(zhuǎn)換為電能，則每小時(shí)至少可以發(fā)出大約32度電，該發(fā)電量已經(jīng)相當(dāng)可觀。但由于噪聲能量不能完全被吸收，目前的聲電轉(zhuǎn)換裝置效率也較低，故噪聲發(fā)電量比較少。為了最大限度的吸收船舶機(jī)艙的噪聲能量，應(yīng)將聲電轉(zhuǎn)換裝置安裝在機(jī)艙合理的位置，以最大限度的吸收噪聲能量。
5 結(jié)論
綜上所述，將噪聲發(fā)電技術(shù)應(yīng)用在船舶機(jī)艙中，不僅能夠有效的減少機(jī)艙噪聲，而且能夠產(chǎn)生電能，變廢為寶。如果根據(jù)機(jī)艙噪聲分布的特點(diǎn)，對(duì)聲電轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行合理的布局，選擇更高性能的聲電轉(zhuǎn)換材料，便可進(jìn)一步提高聲電轉(zhuǎn)換效率，從而最大限度的減少機(jī)艙噪聲污染，改善船舶機(jī)艙的環(huán)境。
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