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 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，用一種聲電轉(zhuǎn)化裝置將它們轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存起來，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，為紙盤放大圖。揚(yáng)聲器就是以紙盤的前后收縮大道放大聲信號(hào)的效果。過程：聲音通過紙盤產(chǎn)生振動(dòng)使紙盤能前后伸縮，而輕質(zhì)金屬連接在紙盤上，因此紙盤的前后收縮帶動(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。問題：由于紙盤振動(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。問題：實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)液柱并沒有被抬升。問題分析及解決：由于在側(cè)壁開了兩小孔，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，沒有壓強(qiáng)差，液柱自然無法抬升?？衫弥荒軉蜗虼蜷_的輕質(zhì)膜解決這個(gè)問題：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，不能由外向里開。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確定一個(gè)合適的管徑。圖 3 圖 4新的問題：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。問題解決：再次利用半向開膜如圖 4
解決此問題，此輕質(zhì)膜因一窄口向下的阻擋作用，只能向上開。當(dāng)容器內(nèi)壓強(qiáng)增大時(shí)，液柱由下向上升，能成功的沖開輕質(zhì)膜，而當(dāng)水柱下降時(shí)，輕質(zhì)膜無法向下開，因此水只能通過側(cè)壁流入渦輪，這樣一來。就大大提高了水的勢(shì)能利用率（可類比血液中半開膜防止血液倒流的作用，來理解此處膜的作用）。
機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化：上述過程已經(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，再通過導(dǎo)線導(dǎo)出即可。問題：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，利用半開膜解決了多個(gè)問題）。
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。
