毛宇臻++刘冠轩++王奔++庄严
[摘 要]本文针对城市轨道车辆运行引发的噪声和振动能量进行机理分析及实验研究，提出了基于PVDF压电片单元以及压电陶瓷进行能量回收的方法，并利用噪声模拟器与悬臂梁试验台模拟轨道车辆噪声源与振动源，对不同发声频率和振动频率下的信号进行了响应分析，实验成果对城市轨道交通车辆的噪声与振动能量采集具有一定指导意义。
[关键词]轨道车辆；振动能量回收；噪音能量回收；压电效应
中图分类号：TB535；U270 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）07-0125-02
1 引言
由于轨道车辆在高密度运行过程中，会产生巨大的噪声车辆以及轨道的强烈振动，这些噪声与振动能量则被轨道本身所吸收并无价值的耗散掉。轨道交通产生的环境效益和节能问题也逐渐得到更多人的关注[1]。目前，制约轨道交通发展的主要环境问题便是振动与噪声。该项目设计了一个以PVDF压电片单元以及压电陶瓷为回收单元的简易系统，分别利用噪声模拟器与悬臂梁试验台来模拟噪音源与振动源。
2 系统设计原理
2.1 噪声能量回收原理以及研究现状
目前的有关轨道运行引发的噪声能量的采集和回收有关的资料较少，轨道车辆噪声能量的采集主要是利用声电能量转换技术。声能发电系统是由声能收集装置和换能器两部分组成，换能器是声能发电装置的核心部件，声能发电装置主要分为压电式、电磁式和静电式三种形式。由于电磁式尺寸较大，结构复杂；静电式结构复杂，需要启动电压；而压电式结构简单，能量输出大，故现较多使用压电式发电装置。如今对于声电转换技术的研究，国内外一些科研院也所取得了一定的科研成果；但针对例如轨道噪声等噪声能量回收的研究仍停留在想法实施或初步设计状态；并且对于已有的能量回收装置也处于效率不高的地步，远未达到可以大范围使用的程度。
噪声能量采集器主要包括声压放大装置和压电式声电能量转换装置；其中声压放大装置采用Helmholtz（亥姆霍兹）共鸣器；压电式声电能量转换装置采用悬臂梁压电振子作为理论模型。其共振频率可参照的公式如下：
共鸣器共振频率为，
声压放大倍数为。
式中，fr为共振器频率，c0为声速，An为颈或开口的截面积，VC为容器的容积，Leff为共振器长度。
然后再对噪声能量回收系统进行仿真分析，根据模型，通过实验验证的方式验证理论；通过理论与实践的对比，一步步修正理论模型，最终通过正交实验得出来噪声能量回收的最终方案。[3]（图1）
2.2 振动能量回收原理以及研究现状
轨道振动的研究已经较为完善，如西南交通大学的翟婉明教授所提出的车辆-轨道耦合模型，华东交通大学的雷晓燕教授提出的高速铁路轨道振动的傅里叶变换法。目前将振动能量转换为电能的典型方法主要有三种，电磁转换、静电转换、压电转换。电磁感应主要是利用磁铁和线圈的相对运行产生电能，但是其构造复杂，体积也较大；静电转换需要一个独立电源初始化过程；压电转换不存在这些问题，且转换电压较高，无需变压器，并可达到相对较高的功率密度（图2）。
实验使用了小型的悬臂梁试验台模拟振动源，通过PVDF聚四氟乙烯压电薄膜来实现对振动能量的回收。
3.实验结果分析
3.1 噪音系统输出电压信号
将噪声能量回收系统固定在与喇叭直接相连的PVC管中央并且让亥姆霍兹共鸣器伸入PVC管内部，以便最大程度吸收噪声，将压电陶瓷的正负极接入实验数据采集仪，同样以matlab软件将数据采集器采集到的实验数据进行绘图并比较（图3-图7）。
去除噪音回收系统的本底噪声，在给予500/750/1000/2000赫兹噪音源情况下，噪音回收系统输出的电压波形如图五所示，噪音源1000赫兹时最高输出电压最大为0.28V，回收效果最好。噪音源为2000赫兹的最高输出电压最小为0.013V，回收效果最差。在500到2000赫兹的频率下，输出电压波形在1000Hz前逐渐升高，之后快速衰弱。
3.2 振动系统输出电压信号
将压电片正负极接入数据采集仪，向悬臂梁实验台通入+5V，+12V，-12V的电压并调整振动频率。用matlab软件将数据采集器采集到的实验数据进行绘图并比较（图8-图11）。
分别以9赫兹，12赫兹，15赫兹，18赫兹为振动源时，通过振动回收系统回收的输出电压波形如图3/4/5/6所示，由于压电片分别固定在悬臂梁的正反面，实验中会出现正反两个输出信号，两个信号相位相反，幅值相同。在12赫兹的振动源激励下，输出电压最高，能达到0.32V，能量回收效果最好。在18赫兹振动源激励下输出电压仅能达到0.12V，能量回收效果最差。在9-18赫兹的实验频率中，输出电压在9-12赫兹区间内逐渐升高，之后随着输入频率的升高，输出电压逐渐降低。
4.结论
本文通过对噪声与振动能量回收的研究，为能量来源提供了一份新的方向，同时也为我国绿色节能环保事业的发展贡献了一份力量。但是，对于轨道噪声与振动能量的回收依旧有很长的路要走，仍然还有很多不足的地方可以完善：采用新形式的声压放大装置代替现在的Helmholtz共鸣器，如声子晶体、微穿孔板等；由于线性系统谐振响应的频带较窄的局限性，可以尝试采用非线性系统，拓宽噪声能量采集器的谐振频带，提高噪声能量采集器的声能采集效率；结合噪声能量采集器的电能输出特性，进一步设计与之比配的电能回收接口电路以及储能电路，提高能量回收的功率，进行理论仿真和实验研究；对比不同结构压电振子在轨道振动作用下的发电效果，从中优选出最适合轨道振动的压电振子；尝试其他结构的压电振子[4]等等。探索基于城市軌道车辆运行的轨道振动与噪音能量回收方法的新途径，为轨道振动能量回收、存储和再利用的应用奠定基础。希望本项目所制作的实验系统对于当前国际和国内能源短缺的现状以及城市轨道交通系统的完善有一定帮助以及指导意义。
参考文献
[1] 彭胜群.地铁振动污染防治对策[J].铁道勘测与设计，2004（2）：71-73.
[2] 袁天辰，杨俭，宋瑞刚，等.基于压电陶瓷的轨道振动能量采集方法[J].城市轨道交通研究，2012，15（12）：91-96.
[3] 翟婉明.车辆-轨道耦合动力学研究的新进展[J].中国铁道科学，2002，23（2）：2-14.
[4] 袁天辰.基于车辆运行的轨道振动能量回收系统研究.U211.3，2014.
