بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به افزایش جمعیت، پیشرفت تکنولوژی و در نتیجه ازدیاد آلودگی صوتی یکی از انرژیهایی که در محیط اطراف ما به راحتی هدر میرود انرژی آکوستیکی میباشد. در این پژوهش از برداشتکنندهآکوستیکی شامل رزوناتور ربعطولموج و ترانسدیوسر پیزوالکتریک استفاده خواهیم کرد. امواج آکوستیکی موجود در فضا در فرکانس تشدید وارد رزوناتور شده، تیرهای پیزوالکتریک درون رزوناتور را به حرکت درآورده و در نتیجه انرژی آکوستیکی امواج فرکانسپایین به انرژی الکتریکی تبدیل خواهد شد. پس از ارائه فرکانس طبیعی رزوناتور و تیر پیزوالکتریکی از طریق مدلسازی و مقایسه آن با تئوری، به تحلیل مکانیکی ساختار کلی برداشتکننده آکوستیکی خواهیم پرداخت. در انتها بهترین مکان برای بیشترین جابهجایی و درنتیجه بیشینه خروجی الکتریکی ارائه خواهد شد.
کلمات کلیدی: برداشتکننده آکوستیکی؛ رزوناتور ربعطولموج؛ ترانسدیوسر پیزوالکتریک؛ فرکانس طبیعی
1.مقدمه
شیوع آلودگی صوتی در محیط اطراف، انرژی آکوستیکی را به یکی از منابع انرژی نوینی مورد توجه در سالهای اخیر، تبدیل کردهاست .[1] چالش بزرگی که برداشتکنندههای آکوستیکی با آن روبهرو هستند قدرت خروجی پایین این منبع میباشد. تحقیقات پیشین نشان میدهد که با استفاده از رزوناتور هلمهلتز1 و لایه پیزوالکتریکی2 میتوان از موج آکوستیکی 149 دسیبلی در فرکانس 13/5 کیلوهرتز، 20 میکرووات انرژی دریافت کرد .[2] در آزمایش دیگر با استفاده از رزوناتور کریستال صوتی و لایه پیزوالکتریکی برای تراز فشارآکوستیکی 45 دسیبل، 40 میکرووات خروجی الکتریکی دریافت شدهاست.[3] لی با ارائه رزوناتور ربعطولموج3 و قراردادن تیرپیزوالکتریکی در آن، 12/69 میلیوات در فرکانس تشدید 199 هرتز تولید کرد4]،.[5
خان با استفاده از قانون فارادی4 و الکترومغناطیس 1/96 میلیوات قدرت الکتریکی برداشت کرد .[6] همچنین با توجه به اینکه رزوناتور و ترانسدیوسر از اجزاء اصلی برداشتکننده آکوستیکی به حساب میآیند و هرکدام از این اجزاء انواع مختلفی دارند، از نمونههای تلفیقی نیز میتوان بهره برد. به عنوان مثال در طرحی با ترکیب رزوناتور هلمهلتز و کریستالصوتی با استفاده از ترانسدیوسرپیزوالکتریکی از موج 110 دسیبلی 429 میکرووات قدرت تولید شدهاست .[7] طرح دیگر که به ترکیب ترانسدیوسر الکترومغناطیس و پیزوالکتریکی پرداخته، 49 میکرووات خروجی الکتریکی از 130 دسیبل تراز فشار، انرژی دریافت کردهاست .[8]
در حالی که تمامی طرحهایگفتهشده در یک فرکانس خاص کارآیی داشتند، پنگ امکان برداشت انرژی آکوستیکی در یک بازه فرکانسی را مطرح نمود .[9]همانطور که ذکر شد طرحهای برداشتکنندههای آکوستیکی متناسب با فرکانس تشدید و تراز فشار صوتی چه در ساختار و چه در قدرت خروجی گستره وسیعی را شامل میشود. در این پژوهش ابتدا اجزاء یک نمونه برداشتکننده آکوستیکی معرفی و قوانین تئوری حاکم بر آن بیان میشود. با استفاده از مدلسازی در نرمافزار به تحلیل فرکانسی برداشتکننده و اجزاء خواهیم پرداخت. سپس بهترین شرایط برای بیشترین خروجی انرژی ارائه خواهد شد.
2.معرفی و بررسی تئوری ساختار برداشتکننده
با توجه به اینکه دو جزء اصلی برداشتکننده آکوستیکی شامل رزوناتور و ترانسدیوسر میباشد، در این قسمت به به بررسی تئوری حاکم بر هر بخش خواهیم پرداخت.
2,1جزءاوّل ساختار؛ رزوناتور
رزوناتورهای صوتی هم جهت کاهش نوفههای مزاحم و هم به منظور افزایش صوت مورد استفاده قرار میگیرند 10]،[11 که در همه موارد وظیفه جمعآوری امواج را برعهده دارد. به طور کلی در برداشتکنندههای آکوستیکی چهار نوع رزوناتور کاربرد دارد؛ رزوناتور هلمهلتز، ربعطولموج، نیمطولموج و کریستالصوتی. یک رزوناتور هلمهلتز که بیشترین پیشینه تاریخی را دارد از یک قسمت دهانه و یک قسمت حفره تشکیل میشود. با فرض اینکه طولموج ورودی از ابعاد رزوناتور هلمهلتز بزرگتر باشد برای فرکانس طبیعی مد اوّل این رزوناتور را میتوان با استفاده از اجزاء محدود به یک سیستم جرمفنردمپر مدلسازی کرد .[12]
برعکس رزوناتور هلمهلتز، رزوناتور ربعطولموج به دلیل کوتاهتر بودن ابعاد آن از طولموج، قابلیت مدلسازی اجزاء محدودی را ندارد. همچنین نتایج آزمایشها نشان میدهد، در حالت فرکانس و ابعاد برابر بازده انرژی آکوستیکی جمعآوری شده توسط رزوناتور ربعطولموج در حدود سه برابر رزوناتور نیمطولموج است. همچنین در حالت برابر بودن انرژی آکوستیکی جمعآوری شده، رزوناتور هلمهلتز حجم بیشتری از فضا را نسبت به رزوناتور ربعطولموج اشغال میکند 4]،.[13 مسئلهای که استفاده از رزوناتور کریستالصوتی را با مشکل روبهرو کردهاست، فضای اشغالی زیاد آن، شرایط ساخت شبکه کریستالی و همچنین پایینبودن خروجی الکتریکی آن به دلیل محدودیت فضای ترانسدیوسر میباشد. بنابراین انتظار میرود که رزوناتور ربعطولموج بهترین گزینه برای جمعآوری امواج باشد.با توجه به اینکه c0 سرعت صوت، n نشانگر شماره مد فرکانسی و L طول رزوناتور میباشد، فرکانس رزوناتور نیز با کمی سادهسازی از رابطه - 1 - بدست میآید.
در قسمت بعد به بررسی تیر پیزوالکتریکی به عنوان جزء دوم ساختار برداشتکننده آکوستیکی میپردازیم.
2,2 جزء دوم ساختار؛ ترانسدیوسرپیزوالکتریکی
طبق استاندارد IEEE از تیرپیزوالکتریکی به سه طریق کلی تکلایه، دولایه موازی و دولایه سری میتوان استفاده کرد .[14] در این مطالعه از دولایه ترنسدیوسرپیزوالکتریکی که به صورت سری در دوطرف یک لایه کربن قرار میگیرد به منظور تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی استفاده شدهاست. از آنجا که ساختار بیشتر مواد پیزوالکتریکی شکننده میباشد بنابراین یک لایه کربن انعطاف پذیری را افزایش داده و درنتیجه مقاومت سازه در مقابل تغییرات ناگهانی فشار، زیاد میشود. به علاوه در این مطالعه از نوع خاص پیزوالکتریک یا PZT به دلیل دارا بودن خواص برتری نظیر بالابودن خاصیت پیزوالکتریکی، پایینبودن تلفات دیالکتریک و تغییر بعد برگشتپذیر 0/1 درصدی استفاده شدهاست.
بر طبق تئوری تیر اولر-برنولی میتوان نوشت:
که t p ، p ، tc ، c به ترتیب ضخامت و چگالی لایه پیزوالکتریکی و کربن است. w عرض، I ممان اینرسی و E مدول یانگ می باشد. به دلیل ثابت بودن این مولفه ها برای تیرپیزوالکتریکی روابط - 4 - تا - 6 - را میتوان استفاده کرد.
با استفاده از توابع تفکیکپذیر مسئله به صورت روابط - 7 - تا - 9 - نوشته میشود.
با توجه به یکسرگیردار-یکسرآزاد بودن تیر شرایط مرزی روابط - 10 - الف تا پ اعمال میشود.
