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，有時卻只能增添喧鬧而得不到利用。當(dāng)聲音超過 90 分貝時就可能造成噪聲污染，嚴重影響人們的工作，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。因此我們只須利用這種震動，將無用的聲能，轉(zhuǎn)化為能夠利用的機械能進而轉(zhuǎn)化為電能即可。
實驗論證的兩種方案：
3.1.1 先在一個密閉的容器里分別放入小收音機或 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 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“0.2V，0.01W”的發(fā)動機和輕小扇葉及一個0.15V 的小燈泡，密封好后，再將音量進行調(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)于以上兩實驗的解釋，發(fā)聲體在振動，則引起氣體分子振動即使分子動能和分子勢能增加，從而分子內(nèi)能增大，內(nèi)能對水柱以及扇葉做功，引起高度差和扇葉的轉(zhuǎn)動以驗證聲能轉(zhuǎn)化為水柱的重力勢能，及機械能的可行性。
3.2 發(fā)聲裝置的設(shè)計。
3.2.1 逆用揚聲器原理的設(shè)計方案。靈感：揚聲器作為一種聲電轉(zhuǎn)化裝置能將電信號轉(zhuǎn)化成聲信號，那么是否可以逆用揚聲器原理，從而將聲信號轉(zhuǎn)化成電信號呢？
設(shè)計：如圖1 所示，為紙盤放大圖。揚聲器就是以紙盤的前后收縮大道放大聲信號的效果。過程：聲音通過紙盤產(chǎn)生振動使紙盤能前后伸縮，而輕質(zhì)金屬連接在紙盤上，因此紙盤的前后收縮帶動輕質(zhì)金屬前后收縮，以切割長久磁體的磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流。問題：由于紙盤振動很微小，所以難以帶動輕質(zhì)金屬運動。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，為了讓我們看到物體的微小變化，將形變轉(zhuǎn)化為壓強的增大，進而轉(zhuǎn)化為液柱的上升。因此可將紙盆的微小變化轉(zhuǎn)化為壓強的變化，利用壓強對形變的“敏感”，進而轉(zhuǎn)化為液柱的變化。（聲能→勢能）
3.2.2 壓強變化發(fā)電裝置：改進方案如圖 2。設(shè)計：將發(fā)聲裝置對準紙盆，紙盆由于聲波振動向內(nèi)凹陷引起容器內(nèi)部壓強變大，從而將水柱從細管中抬升，抬升后的水柱通過細管兩側(cè)的小孔流出，流入小型渦輪中，渦輪的輕質(zhì)葉片上有幾個小孔，水流通過小孔流出，從而產(chǎn)生一個向后的反沖力，以推動葉片旋轉(zhuǎn)。由于發(fā)聲體聲調(diào)高低的變化，紙盆前后伸縮，容器壓強時刻變化，水柱上抬又下降，轉(zhuǎn)葉從而不斷轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)聲能向機械能轉(zhuǎn)化。問題：實際實驗時發(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)實際與容器是相通的，固然容器壓強增大，管內(nèi)壓強也增大，沒有壓強差，液柱自然無法抬升。可利用只能單向打開的輕質(zhì)膜解決這個問題：如圖 2 是一個比孔略大的輕質(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)壓強增大時，由于存在壓強差，因此被抬升，而水流從內(nèi)向外流也不會受阻擋，也就成功解決了這一問題。
裝置的完善：主要是改進一下材料，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水柱的摩擦及粗細對液柱上升難度的影響來確定一個合適的管徑。圖 3 圖 4新的問題：新實驗后又發(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)壓強增大時，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，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）。
機械能向電能的轉(zhuǎn)化：上述過程已經(jīng)完成了：聲能→勢能→機械能的轉(zhuǎn)化。再只需利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象完成機械能向電能的轉(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)動時產(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)計滲透了多種科學(xué)思想方法：如逆向思維（由揚聲器電信號轉(zhuǎn)化為聲信號想到逆用揚聲器，將聲信號轉(zhuǎn)化為電信號）；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問題）。
4.2 本項裝置的理念：秉持著減少噪音污染，又增加新能源的理念，實現(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)的時代要求。
