船舶机舱中的噪声发电减噪技术
摘要：处理好机舱的噪声对解决船舶的噪声问题具有重大意义。噪声治理技术至今仍不能满足噪声标准。所以，利用声能转换技术将噪声变为电能，不仅能够削减噪声，而且能够变废为宝，從而改善了船舶机舱的环境。
关键词：船舶机舱 噪声 声电转换
1 前言
通常，在全90dB的噪声环境下长期工作，就会导致人听觉迟钝和永久性听觉损伤，造成噪声耳聋。如以听力和健康保护为标准，世界各国都规定8h的工作日允许暴露噪声级为85dB（A），而就目前状况而言，大部分船舶机舱中的噪声都为达到这一标准。
在船舶机舱中，其机电设备是船舶最大的噪声源。处理好机舱的噪声对解决船舶的噪声问题具有重大意义。机舱的噪声级是由各个机械设备产生的噪声决定的。具体地说：①机械设备附近的噪声级主要由它直接辐射的空气噪声决定；②离机械设备一定距离的噪声级主要由舱室壁反射的空气噪声决定，取决于机舱的混响时间；③相邻舱室中的噪声级一般地说，主要由机械设备传递的结构噪声决定，同时亦与透射过舱壁的空气噪声有关。下表列出了一些机械典型设备的噪声级。
從表1可以看出，巨大噪音一直是改善船舶机舱环境的一个重要难题，这严重影响了船舶机舱工作人员的身体健康及工作环境，但噪声也具有相当大的潜在能量。根据相关研究，我们可以采用声电转换装置，将噪声转化为电能。这样便可减少船舶机舱中的噪音，同时变废为宝。
2 声功率和声压级
声功率是指单位时间某生源发出的声能，声压是指传播介质中有声场与无声场时的压强差。声功率级是声功率对基准声功率之比，其常用对数的10倍称为声功率级，声压级是声压对基准声压之比，其常用对数的二十倍即为声压级。
声功率级计算公式为：Lw=101g（W/W0）。其中Lw：声功率级（单位：dh）；W：声功率（单位：w）；W0：基准声功率，即1皮瓦（10～12w）。
声压级计算公式Lp=201g（p/p0）其中Lp：声压级（单位：dB）；p：声压（单位：pa）；p0：基准声压，即20微帕（2X10-5Pa）。
两者关系公式：Lw=Lp+10Log S。其中S：包围声源的面积，按照半球面面积计算，单位是m2；如若S不好确定，也可用下式Lp=Lw-20LogR-11。其中R：声源到测点的距离，单位是m。
3 声电转换技术
国外对噪声发电的研究较早，我国在这方面也取得了相当多的成果。例如中科院的罗二仓等人成功研制出的行波热声发电机样机。随着技术的发展，声电转换装置日趋成熟。目前声电转换装置有3种类型：动圈式、电容式和压电式。
3.1动圈式
动圈式声电转换装置是依据法拉第电磁感应定律实现的。其工作原理为：声波振动→引起膜片振动→带动线圈振动→线圈切割永久磁体的磁场产生感应电电动势。然后经过整流将产生的电能存在蓄电池内。
一般来说动圈式声电转换装置结构复杂，灵敏度较低。
3.2电容式
电容式声电转换装置的工作原理是：将一个活动的振膜作为前极板，后极板固定。前极板和后极板距离较近，构成一个小型的可变电容。当声波振动引起振膜振动时，电容便会发生变化，产生电压。
由于电容式声电转换价格便宜、体积较小，具有很高的灵敏性，所以应用较为普遍。其缺点是需要另外增加电源为电容的两个极板供电。
3.3压电式
压电式声电转换装置的发电原理是利用极化材料的压电效应将声能转化为电能。该装置的主要研究成果有：S.Horowitz以环形硅压电复合振膜作为换能元件，运用微机械加工工艺制作成的声能发电机；美国Florida州立大学的HorowitzS B等人于2005年研发的'微型机电霍尔姆兹声能发电机等。
与动圈式和电容式声电转换装置相比，压电式装置无需额外供电，无需平面线圈等附属结构，结构较为简单，是声电转换装置的理想选择。
4 噪声发电在船舶机舱中的应用分析
鉴于压电式声电转换装置的各种优势，下面我们以压电式噪声发电装置为例，来探讨一下噪声发电在船舶机舱中的应用。
美国Florida州立大学的HorowitzS B等人于2005年研发了一种微型机电霍尔姆兹声能发电机，将飞机引擎噪声转换为电能为电池系统充电，该电池系统驱动一个抑制飞机引擎噪音的无线活动声衬。声能发电装置的示意图如图1所示，由柔性的压电复合振膜取代霍尔姆兹共鸣器的刚性背板，以霍尔姆兹共鸣器为声压放大器，精细加工的环形硅压电复合振膜为换能元件，在霍尔姆兹共鸣器内产生一个耦合共振系统，再由压电效应将声能转换为电能，整合后被存储在电池中。为进行测试实验，系统连接一个平面波导管，入射声波撞击声学换能器如图示虚线部分。如图2所示，声源有一个BMS4590P的同轴压缩驱动产生，采用双传感器法测量输入声功，通过互换传感器来消除独立传感器的校准误差。实验得到了系统的谐振频率和处于谐振状态时的最优电阻负载，即在149dB的声压级下’系统最大输出电功密度达到0.34μW/cm2。在原有设计基础上，提高加工工艺水平，潜在的输出电功密度最高可以达到250μW/cm2。
倘若我们将这项技术应用在船舶机舱中，就能很好地实现噪声和电能的转换。
在船舶机舱中，产生噪音最大设备为柴油机和发电机。柴油机发出的噪声主要为其吸气噪声和排气噪声。船舶正常航行时，一般有两台发电机运行。根据表1，现取柴油机的吸气噪声排气噪声都为X1=X2=100dB；两台发电机的噪声都为X3=X4=100dB。其噪声功率根据声压级和声功率的换算公式可得：Y1=Y2=Y3=Y4=8kW。则整个机舱噪声功率至少为：Y=Y1+Y2+Y3+Y4=32kW。
如果将船舶机舱中的噪声全部转换为电能，则每小时至少可以发出大约32度电，该发电量已经相当可观。但由于噪声能量不能完全被吸收，目前的声电转换装置效率也较低，故噪声发电量比较少。为了最大限度的吸收船舶机舱的噪声能量，应将声电转换装置安装在机舱合理的位置，以最大限度的吸收噪声能量。
5 结论
综上所述，将噪声发电技术应用在船舶机舱中，不仅能够有效的减少机舱噪声，而且能够产生电能，变废为宝。如果根据机舱噪声分布的特点，对声电转换装置进行合理的布局，选择更高性能的声电转换材料，便可进一步提高声电转换效率，從而最大限度的减少机舱噪声污染，改善船舶机舱的环境。
参考文献：
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