城市軌道交通車輛噪聲與振動(dòng)能量采集

毛宇臻++劉冠軒++王奔++莊嚴(yán)

[摘 要]本文針對城市軌道車輛運(yùn)行引發(fā)的噪聲和振動(dòng)能量進(jìn)行機(jī)理分析及實(shí)驗(yàn)研究，提出了基于PVDF壓電片單元以及壓電陶瓷進(jìn)行能量回收的方法，并利用噪聲模擬器與懸臂梁試驗(yàn)臺模擬軌道車輛噪聲源與振動(dòng)源，對不同發(fā)聲頻率和振動(dòng)頻率下的信號進(jìn)行了響應(yīng)分析，實(shí)驗(yàn)成果對城市軌道交通車輛的噪聲與振動(dòng)能量采集具有一定指導(dǎo)意義。

[關(guān)鍵詞]軌道車輛；振動(dòng)能量回收；噪音能量回收；壓電效應(yīng)

中圖分類號：TB535；U270 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）07-0125-02

1 引言

由于軌道車輛在高密度運(yùn)行過程中，會(huì)產(chǎn)生巨大的噪聲車輛以及軌道的強(qiáng)烈振動(dòng)，這些噪聲與振動(dòng)能量則被軌道本身所吸收并無價(jià)值的耗散掉。軌道交通產(chǎn)生的環(huán)境效益和節(jié)能問題也逐漸得到更多人的關(guān)注[1]。目前，制約軌道交通發(fā)展的主要環(huán)境問題便是振動(dòng)與噪聲。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一個(gè)以PVDF壓電片單元以及壓電陶瓷為回收單元的簡易系統(tǒng)，分別利用噪聲模擬器與懸臂梁試驗(yàn)臺來模擬噪音源與振動(dòng)源。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

2.1 噪聲能量回收原理以及研究現(xiàn)狀

目前的有關(guān)軌道運(yùn)行引發(fā)的噪聲能量的采集和回收有關(guān)的資料較少，軌道車輛噪聲能量的采集主要是利用聲電能量轉(zhuǎn)換技術(shù)。聲能發(fā)電系統(tǒng)是由聲能收集裝置和換能器兩部分組成，換能器是聲能發(fā)電裝置的核心部件，聲能發(fā)電裝置主要分為壓電式、電磁式和靜電式三種形式。由于電磁式尺寸較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；靜電式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要啟動(dòng)電壓；而壓電式結(jié)構(gòu)簡單，能量輸出大，故現(xiàn)較多使用壓電式發(fā)電裝置。如今對于聲電轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究，國內(nèi)外一些科研院也所取得了一定的科研成果；但針對例如軌道噪聲等噪聲能量回收的研究仍停留在想法實(shí)施或初步設(shè)計(jì)狀態(tài)；并且對于已有的能量回收裝置也處于效率不高的地步，遠(yuǎn)未達(dá)到可以大范圍使用的程度。

噪聲能量采集器主要包括聲壓放大裝置和壓電式聲電能量轉(zhuǎn)換裝置；其中聲壓放大裝置采用Helmholtz（亥姆霍茲）共鳴器；壓電式聲電能量轉(zhuǎn)換裝置采用懸臂梁壓電振子作為理論模型。其共振頻率可參照的公式如下：

共鳴器共振頻率為，

聲壓放大倍數(shù)為。

式中，fr為共振器頻率，c0為聲速，An為頸或開口的截面積，VC為容器的容積，Leff為共振器長度。

然后再對噪聲能量回收系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，根據(jù)模型，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式驗(yàn)證理論；通過理論與實(shí)踐的對比，一步步修正理論模型，最終通過正交實(shí)驗(yàn)得出來噪聲能量回收的最終方案。[3]（圖1）

2.2 振動(dòng)能量回收原理以及研究現(xiàn)狀

軌道振動(dòng)的研究已經(jīng)較為完善，如西南交通大學(xué)的翟婉明教授所提出的車輛-軌道耦合模型，華東交通大學(xué)的雷曉燕教授提出的高速鐵路軌道振動(dòng)的傅里葉變換法。目前將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能的典型方法主要有三種，電磁轉(zhuǎn)換、靜電轉(zhuǎn)換、壓電轉(zhuǎn)換。電磁感應(yīng)主要是利用磁鐵和線圈的相對運(yùn)行產(chǎn)生電能，但是其構(gòu)造復(fù)雜，體積也較大；靜電轉(zhuǎn)換需要一個(gè)獨(dú)立電源初始化過程；壓電轉(zhuǎn)換不存在這些問題，且轉(zhuǎn)換電壓較高，無需變壓器，并可達(dá)到相對較高的功率密度（圖2）。

實(shí)驗(yàn)使用了小型的懸臂梁試驗(yàn)臺模擬振動(dòng)源，通過PVDF聚四氟乙烯壓電薄膜來實(shí)現(xiàn)對振動(dòng)能量的回收。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 噪音系統(tǒng)輸出電壓信號

將噪聲能量回收系統(tǒng)固定在與喇叭直接相連的PVC管中央并且讓亥姆霍茲共鳴器伸入PVC管內(nèi)部，以便最大程度吸收噪聲，將壓電陶瓷的正負(fù)極接入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集儀，同樣以matlab軟件將數(shù)據(jù)采集器采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖并比較（圖3-圖7）。

去除噪音回收系統(tǒng)的本底噪聲，在給予500/750/1000/2000赫茲噪音源情況下，噪音回收系統(tǒng)輸出的電壓波形如圖五所示，噪音源1000赫茲時(shí)最高輸出電壓最大為0.28V，回收效果最好。噪音源為2000赫茲的最高輸出電壓最小為0.013V，回收效果最差。在500到2000赫茲的頻率下，輸出電壓波形在1000Hz前逐漸升高，之后快速衰弱。

3.2 振動(dòng)系統(tǒng)輸出電壓信號

將壓電片正負(fù)極接入數(shù)據(jù)采集儀，向懸臂梁實(shí)驗(yàn)臺通入+5V，+12V，-12V的電壓并調(diào)整振動(dòng)頻率。用matlab軟件將數(shù)據(jù)采集器采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖并比較（圖8-圖11）。

分別以9赫茲，12赫茲，15赫茲，18赫茲為振動(dòng)源時(shí)，通過振動(dòng)回收系統(tǒng)回收的輸出電壓波形如圖3/4/5/6所示，由于壓電片分別固定在懸臂梁的正反面，實(shí)驗(yàn)中會(huì)出現(xiàn)正反兩個(gè)輸出信號，兩個(gè)信號相位相反，幅值相同。在12赫茲的振動(dòng)源激勵(lì)下，輸出電壓最高，能達(dá)到0.32V，能量回收效果最好。在18赫茲振動(dòng)源激勵(lì)下輸出電壓僅能達(dá)到0.12V，能量回收效果最差。在9-18赫茲的實(shí)驗(yàn)頻率中，輸出電壓在9-12赫茲區(qū)間內(nèi)逐漸升高，之后隨著輸入頻率的升高，輸出電壓逐漸降低。

4.結(jié)論

本文通過對噪聲與振動(dòng)能量回收的研究，為能量來源提供了一份新的方向，同時(shí)也為我國綠色節(jié)能環(huán)保事業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)了一份力量。但是，對于軌道噪聲與振動(dòng)能量的回收依舊有很長的路要走，仍然還有很多不足的地方可以完善：采用新形式的聲壓放大裝置代替現(xiàn)在的Helmholtz共鳴器，如聲子晶體、微穿孔板等；由于線性系統(tǒng)諧振響應(yīng)的頻帶較窄的局限性，可以嘗試采用非線性系統(tǒng)，拓寬噪聲能量采集器的諧振頻帶，提高噪聲能量采集器的聲能采集效率；結(jié)合噪聲能量采集器的電能輸出特性，進(jìn)一步設(shè)計(jì)與之比配的電能回收接口電路以及儲能電路，提高能量回收的功率，進(jìn)行理論仿真和實(shí)驗(yàn)研究；對比不同結(jié)構(gòu)壓電振子在軌道振動(dòng)作用下的發(fā)電效果，從中優(yōu)選出最適合軌道振動(dòng)的壓電振子；嘗試其他結(jié)構(gòu)的壓電振子[4]等等。探索基于城市軌道車輛運(yùn)行的軌道振動(dòng)與噪音能量回收方法的新途徑，為軌道振動(dòng)能量回收、存儲和再利用的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。希望本項(xiàng)目所制作的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對于當(dāng)前國際和國內(nèi)能源短缺的現(xiàn)狀以及城市軌道交通系統(tǒng)的完善有一定幫助以及指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 彭勝群.地鐵振動(dòng)污染防治對策[J].鐵道勘測與設(shè)計(jì)，2004（2）：71-73.

[2] 袁天辰，楊儉，宋瑞剛，等.基于壓電陶瓷的軌道振動(dòng)能量采集方法[J].城市軌道交通研究，2012，15（12）：91-96.

[3] 翟婉明.車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)研究的新進(jìn)展[J].中國鐵道科學(xué)，2002，23（2）：2-14.

[4] 袁天辰.基于車輛運(yùn)行的軌道振動(dòng)能量回收系統(tǒng)研究.U211.3，2014.