噪聲發(fā)電在船舶機艙中的應(yīng)用

周飛云

（中國船級社，福州 350007）

0 引言

船舶機艙有大功率的主機及發(fā)電機組，當(dāng)機器開動會產(chǎn)生極大的噪音，這些噪音污染不僅嚴(yán)重影響輪機工作人員的身體健康，而且浪費了大量的能量。噪聲作為一種聲能，當(dāng)噪聲的聲音強度達(dá)到一定能量值時就可以被利用。目前通常采用吸聲的方法來控制噪聲，例如將噪聲能轉(zhuǎn)換為熱能釋放，從而降低聲波強度。如果采用一種聲電轉(zhuǎn)換材料，或者其他的聲電轉(zhuǎn)換裝置，一方面可以吸收噪聲，另一方面則可以將噪聲能量收集起來轉(zhuǎn)換成電能加以利用，根據(jù)相關(guān)研究，這種方法是可行的。如噪聲達(dá)到 160 dB的噴氣式飛機，其聲功率達(dá)到10000 W；噪聲達(dá)到140 dB的大型鼓風(fēng)機，其聲功率為100 W[1]。船舶機艙雖然空間較小，但安裝有上萬千瓦的柴油機（主機）、柴油發(fā)電機組、增壓器等，這些設(shè)備的持續(xù)運行其產(chǎn)生的噪聲能量是很大的，如果能把這種能量進(jìn)行有效收集然后轉(zhuǎn)換為電能，不僅能夠減輕噪音污染，而且能夠產(chǎn)生電能，達(dá)到兩全其美。

噪聲發(fā)電作為一種新型能源，如果能有效開發(fā)利用，對于改善噪聲污染、節(jié)能環(huán)保具有重要意思。國外對噪聲發(fā)電的研究從上世紀(jì)80年代已經(jīng)開始，我國這方面研究也取得了一定成果，例如中科院理化技術(shù)研究所羅二倉等人成功研制出百瓦級的行波熱聲發(fā)電機樣機，這是一種聲能發(fā)電的設(shè)備，伊朗研究者發(fā)明聲波發(fā)電技術(shù)，美國猶他大學(xué)的科學(xué)家發(fā)明了一種可以將熱能變成聲波，進(jìn)而變成可用電能的一種微型熱聲發(fā)電機[1]。

噪聲發(fā)電的主要技術(shù)難題是聲電轉(zhuǎn)換技術(shù)和噪聲源的問題。目前聲電轉(zhuǎn)換技術(shù)日趨成熟，而船舶機艙中的機器設(shè)備所發(fā)出持續(xù)高分貝噪聲，能量可達(dá)120分貝左右，噪聲功率可達(dá)10千瓦以上，滿足噪聲發(fā)電的基本條件。

1 聲電轉(zhuǎn)換技術(shù)

圖1 動圈式聲電轉(zhuǎn)換裝置原理圖

最早的聲電轉(zhuǎn)換是貝爾電話，基本原理就是以振膜感應(yīng)震動，然后把它轉(zhuǎn)換成不同的電信號傳輸，另一端再由電信號轉(zhuǎn)換成聽筒的振膜震動發(fā)聲，目前對于聲電轉(zhuǎn)換研究大多也是基于這一基本原理。其中壓電式聲能發(fā)電和電磁式聲能發(fā)電技術(shù)是目前兩種主要聲電轉(zhuǎn)換技術(shù)，其中壓電式聲能發(fā)電主要采用壓電材料作為聲電換能元件，而電磁式聲能發(fā)電是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，應(yīng)用電磁感應(yīng)方法來實現(xiàn)聲能向電能的轉(zhuǎn)換[2]。應(yīng)用壓電式聲能發(fā)電技術(shù)取得的主要研究成果有：采用環(huán)形硅壓電復(fù)合振膜作為換能元件，S.Horowitz運用微機械加工工藝制作的聲能發(fā)電機，在149 dB的聲壓級下，最大輸出電功率密度達(dá)到0.34 W/cm2。如果進(jìn)一步提高加工設(shè)計工藝，其輸出電功率密度可以達(dá)到250 W/cm2。

圖2 噪聲發(fā)電結(jié)構(gòu)原理圖

圖3 船舶機艙噪聲發(fā)電系統(tǒng)示意圖

采用電磁式聲能發(fā)電技術(shù)取得的主要研究成果有：Tenghsien Lai設(shè)計的具有高電壓輸出特性的聲能微型發(fā)電機，一個9 mm2微型電磁換能器，可獲得最大感應(yīng)電動勢為0.24 mV[2]。

本文采用動圈式聲能發(fā)電技術(shù)。

2 船舶機艙噪聲分析

某船舶機艙主機功率額定安功率為 1200 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min；柴油發(fā)電機組有3臺，一臺備用，其中柴油機為TBD234V6，額定功率為186 kW，額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min;發(fā)電機為1FC6 286-4SA45，額定功率為150 kW[3]。圖4、圖5分別為主機和發(fā)電機組在額定轉(zhuǎn)速下倍頻程各中心頻率處的噪聲聲壓級。

由圖4可以看出柴油機的排氣噪聲為100 dB以上，且呈明顯的低頻特性，聲能量集中在31.5~500 Hz的頻率范圍內(nèi)，其中主要頻率為31.5 Hz和63 Hz，而進(jìn)氣噪聲高達(dá)112.9 dB，且呈明顯的高頻特性，聲能量主要集中在1~16 kHz范圍內(nèi)；由圖5可以看出柴油發(fā)電機組的排氣噪聲為103.7 dB，其主要頻率為63 Hz和125 Hz；而進(jìn)氣噪聲為108 dB以上，其主要頻率為500 Hz~16 kHz[3]。可以看出主機的噪聲能量是船舶機艙的最大噪聲源，還有主機增壓器的噪聲也是比較大的，所以可以根據(jù)需要在主機附近安置較多的聲能接收裝置。另外由于主機等機器設(shè)備的強烈機械震動產(chǎn)生嚴(yán)重的低頻噪聲能量，因此機艙內(nèi)低頻、中頻和高頻噪聲都有，所以如果采用三種不同的聲波接收器，接受不同頻段的噪聲波，從而最大限度的降低噪聲，也提高了聲電轉(zhuǎn)換效率。

圖4 主機進(jìn)排氣噪聲級

圖5 發(fā)電機組進(jìn)排氣噪聲級

3 船舶機艙噪聲發(fā)電綜合分析

動圈式聲電轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，當(dāng)聲壓P作用于振膜從而帶動動圈震動切割磁感線，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，便會在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。根據(jù)圖 2，通過聲電轉(zhuǎn)換器矩陣將噪聲能量轉(zhuǎn)化為電能，送到控制調(diào)節(jié)單元進(jìn)行整流調(diào)節(jié)后通過蓄電池存儲然后供給負(fù)載或者直接供給一些負(fù)載。

船舶正常航行時，一般有兩臺發(fā)電機運行，現(xiàn)取主機與發(fā)電機組的吸氣噪聲排氣噪聲都為X1=X2=X3=X4=100 dB， 由 式 1得 ：Y1=Y2=Y3=Y4=10X/10(mW)=1010W=10 kW。

另外還有渦輪增壓器的噪聲大約估算為Y5=10 kW，則整個機艙噪聲功率至少為：Y=Y1+Y2+Y3+Y4+Y5=50 kW。所以如果將船舶機艙的噪聲能量全部換轉(zhuǎn)為電能，則每小時至少可以發(fā)出50度電。相當(dāng)于一臺小型發(fā)電機的發(fā)電量，但是一方面由于噪聲能量不能完全被聲波接收器吸收，另一方面目前所研究的聲電轉(zhuǎn)換效率都比較低，噪聲發(fā)電量也是比較少。所以為了最大限度的吸收船舶機艙的噪聲能量，選用不同的聲波接受器，并且應(yīng)安裝在機艙合理的位置，以最大限度的吸收不同頻段的噪聲能量。

根據(jù)Tenghsien Lai設(shè)計的聲能微型發(fā)電機，尺寸為3 mm×3 mm省電轉(zhuǎn)換器能夠得帶的最大感應(yīng)電動勢為0.24 mV。如果將這種微型電磁轉(zhuǎn)換器用到船舶機艙中，一個1平方米內(nèi)的空間安裝這樣的微型電磁轉(zhuǎn)換器，則其最大感應(yīng)電動勢為：V=26 V，考慮機艙噪聲頻率的不一致性及空間的復(fù)雜性，假設(shè)其可產(chǎn)生最大感應(yīng)電動勢V=20 V，在船舶機艙中的發(fā)電機組、主機周圍分別安裝八塊1平方米的微型發(fā)電機矩陣，并將各塊發(fā)電機矩陣板串聯(lián)起來，則可得到最大電壓為320 V，考慮電路傳輸損失及控制調(diào)節(jié)單元的功耗，則最后可得最大電壓為V=250 V，見圖3所示。

4 結(jié)論

根據(jù)計算數(shù)據(jù)表明，通過在船舶機艙安裝噪聲發(fā)電裝置，不僅能夠有效減少機艙噪聲污染，而且能夠產(chǎn)生電能。另外如果能根據(jù)機艙噪聲分布的特點，對聲電轉(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，進(jìn)一步提高聲電轉(zhuǎn)換效率，從而充分發(fā)揮噪聲發(fā)電的優(yōu)勢，提高噪聲發(fā)電效率，最大限度的減少機艙噪聲污染。

[1]荀華, 宋長忠, 韓建春. 噪聲發(fā)電研究的展望.能源與環(huán)境, 2010(1).

[2]王云利, 董衛(wèi), 吳宵軍. 聲能發(fā)電系統(tǒng)的理論與實驗研究.能源及環(huán)境, 2009(8).

[3]王術(shù)新, 王斌, 黃興華. 船舶機艙噪聲控制. 艦船科學(xué)技術(shù), 2003, (10).

[4]TenghsienLai, ChanghanHuang, ChingfuTsou, Design and fabrication of acoustic wave actuated microgenerator for portable electronic devices, Symposiumon Design, Test, Integrationand Packaging of MEMS/MOEMS, DTIP2008, Nice, France, p.28-33.