噪声发电在船舶机舱中的应用

周飞云

（中国船级社，福州 350007）

0 引言

船舶机舱有大功率的主机及发电机组，当机器开动会产生极大的噪音，这些噪音污染不仅严重影响轮机工作人员的身体健康，而且浪费了大量的能量。噪声作为一种声能，当噪声的声音强度达到一定能量值时就可以被利用。目前通常采用吸声的方法来控制噪声，例如将噪声能转换为热能释放，从而降低声波强度。如果采用一种声电转换材料，或者其他的声电转换装置，一方面可以吸收噪声，另一方面则可以将噪声能量收集起来转换成电能加以利用，根据相关研究，这种方法是可行的。如噪声达到 160 dB的喷气式飞机，其声功率达到10000 W；噪声达到140 dB的大型鼓风机，其声功率为100 W[1]。船舶机舱虽然空间较小，但安装有上万千瓦的柴油机（主机）、柴油发电机组、增压器等，这些设备的持续运行其产生的噪声能量是很大的，如果能把这种能量进行有效收集然后转换为电能，不仅能够减轻噪音污染，而且能够产生电能，达到两全其美。

噪声发电作为一种新型能源，如果能有效开发利用，对于改善噪声污染、节能环保具有重要意思。国外对噪声发电的研究从上世纪80年代已经开始，我国这方面研究也取得了一定成果，例如中科院理化技术研究所罗二仓等人成功研制出百瓦级的行波热声发电机样机，这是一种声能发电的设备，伊朗研究者发明声波发电技术，美国犹他大学的科学家发明了一种可以将热能变成声波，进而变成可用电能的一种微型热声发电机[1]。

噪声发电的主要技术难题是声电转换技术和噪声源的问题。目前声电转换技术日趋成熟，而船舶机舱中的机器设备所发出持续高分贝噪声，能量可达120分贝左右，噪声功率可达10千瓦以上，满足噪声发电的基本条件。

1 声电转换技术

图1 动圈式声电转换装置原理图

最早的声电转换是贝尔电话，基本原理就是以振膜感应震动，然后把它转换成不同的电信号传输，另一端再由电信号转换成听筒的振膜震动发声，目前对于声电转换研究大多也是基于这一基本原理。其中压电式声能发电和电磁式声能发电技术是目前两种主要声电转换技术，其中压电式声能发电主要采用压电材料作为声电换能元件，而电磁式声能发电是根据法拉第电磁感应定律，应用电磁感应方法来实现声能向电能的转换[2]。应用压电式声能发电技术取得的主要研究成果有：采用环形硅压电复合振膜作为换能元件，S.Horowitz运用微机械加工工艺制作的声能发电机，在149 dB的声压级下，最大输出电功率密度达到0.34 W/cm2。如果进一步提高加工设计工艺，其输出电功率密度可以达到250 W/cm2。

图2 噪声发电结构原理图

图3 船舶机舱噪声发电系统示意图

采用电磁式声能发电技术取得的主要研究成果有：Tenghsien Lai设计的具有高电压输出特性的声能微型发电机，一个9 mm2微型电磁换能器，可获得最大感应电动势为0.24 mV[2]。

本文采用动圈式声能发电技术。

2 船舶机舱噪声分析

某船舶机舱主机功率额定安功率为 1200 kW，额定转速为1 000 r/min；柴油发电机组有3台，一台备用，其中柴油机为TBD234V6，额定功率为186 kW，额定转速为1500 r/min;发电机为1FC6 286-4SA45，额定功率为150 kW[3]。图4、图5分别为主机和发电机组在额定转速下倍频程各中心频率处的噪声声压级。

由图4可以看出柴油机的排气噪声为100 dB以上，且呈明显的低频特性，声能量集中在31.5~500 Hz的频率范围内，其中主要频率为31.5 Hz和63 Hz，而进气噪声高达112.9 dB，且呈明显的高频特性，声能量主要集中在1~16 kHz范围内；由图5可以看出柴油发电机组的排气噪声为103.7 dB，其主要频率为63 Hz和125 Hz；而进气噪声为108 dB以上，其主要频率为500 Hz~16 kHz[3]。可以看出主机的噪声能量是船舶机舱的最大噪声源，还有主机增压器的噪声也是比较大的，所以可以根据需要在主机附近安置较多的声能接收装置。另外由于主机等机器设备的强烈机械震动产生严重的低频噪声能量，因此机舱内低频、中频和高频噪声都有，所以如果采用三种不同的声波接收器，接受不同频段的噪声波，从而最大限度的降低噪声，也提高了声电转换效率。

图4 主机进排气噪声级

图5 发电机组进排气噪声级

3 船舶机舱噪声发电综合分析

动圈式声电转换器的结构如图1所示，当声压P作用于振膜从而带动动圈震动切割磁感线，根据法拉第电磁感应定律，便会在线圈中产生感应电动势。根据图 2，通过声电转换器矩阵将噪声能量转化为电能，送到控制调节单元进行整流调节后通过蓄电池存储然后供给负载或者直接供给一些负载。

船舶正常航行时，一般有两台发电机运行，现取主机与发电机组的吸气噪声排气噪声都为X1=X2=X3=X4=100 dB， 由 式 1得 ：Y1=Y2=Y3=Y4=10X/10(mW)=1010W=10 kW。

另外还有涡轮增压器的噪声大约估算为Y5=10 kW，则整个机舱噪声功率至少为：Y=Y1+Y2+Y3+Y4+Y5=50 kW。所以如果将船舶机舱的噪声能量全部换转为电能，则每小时至少可以发出50度电。相当于一台小型发电机的发电量，但是一方面由于噪声能量不能完全被声波接收器吸收，另一方面目前所研究的声电转换效率都比较低，噪声发电量也是比较少。所以为了最大限度的吸收船舶机舱的噪声能量，选用不同的声波接受器，并且应安装在机舱合理的位置，以最大限度的吸收不同频段的噪声能量。

根据Tenghsien Lai设计的声能微型发电机，尺寸为3 mm×3 mm省电转换器能够得带的最大感应电动势为0.24 mV。如果将这种微型电磁转换器用到船舶机舱中，一个1平方米内的空间安装这样的微型电磁转换器，则其最大感应电动势为：V=26 V，考虑机舱噪声频率的不一致性及空间的复杂性，假设其可产生最大感应电动势V=20 V，在船舶机舱中的发电机组、主机周围分别安装八块1平方米的微型发电机矩阵，并将各块发电机矩阵板串联起来，则可得到最大电压为320 V，考虑电路传输损失及控制调节单元的功耗，则最后可得最大电压为V=250 V，见图3所示。

4 结论

根据计算数据表明，通过在船舶机舱安装噪声发电装置，不仅能够有效减少机舱噪声污染，而且能够产生电能。另外如果能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，进一步提高声电转换效率，从而充分发挥噪声发电的优势，提高噪声发电效率，最大限度的减少机舱噪声污染。

[1]荀华, 宋长忠, 韩建春. 噪声发电研究的展望.能源与环境, 2010(1).

[2]王云利, 董卫, 吴宵军. 声能发电系统的理论与实验研究.能源及环境, 2009(8).

[3]王术新, 王斌, 黄兴华. 船舶机舱噪声控制. 舰船科学技术, 2003, (10).

[4]TenghsienLai, ChanghanHuang, ChingfuTsou, Design and fabrication of acoustic wave actuated microgenerator for portable electronic devices, Symposiumon Design, Test, Integrationand Packaging of MEMS/MOEMS, DTIP2008, Nice, France, p.28-33.