مبدل آکوستیک – الکتریک با جمع‌کننده الگوبرداری شده از گوش

نوع مقاله : مقاله ترویجی

نویسندگان

دانشکده مهندسی برق، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

چکیده

امروزه به دلیل دسترسی محدود به بعضی نقاط و یا شرایط نامساعد آب و هوایی انتقال توان از نیروگاه و ذخیره‌سازی در باطری بسیار پرهزینه است. این امر باعث شده تا محققان راهی برای حل این مشکل پیدا کنند، بنابراین استفاده از انرژی محیطی[i] از جمله نوفه، حرکت (یا جابه‌جایی)، نور، باد، و غیره توانسته باب جدیدی به روی مهندسان باز کند. در این مقاله یک صفحه پیزوالکتریک با الگوبرداری از پرده گوش انسان طراحی و شبیه‌سازی شده است. این صفحه یکی از اجزا مبدل آکوستیک-الکتریک است که قادر به جمع‌آوری نوفه محیط‌های شلوغ و پر تردد و تبدیل آنها به انرژی الکتریکی است. با ضبط و تحلیل سیگنال‌های صوتی دو مکان با آلودگی بالا در نرم‌افزار متلب[ii]، دو فرکانس که بیشترین وزن صدا در آنها رخ داده بود، به عنوان فرکانس تشدید درنظر گرفته شد. سپس با استفاده از نرم‌افزار کامسول[iii] و داده‌های به‌دست آمده، فرکانس طبیعی مد اول هندسه مبدل، برابر با فرکانس تشدید صوت قرار داده شده است. قطر بهینه صفحه پیزوالکتریک 8 سانتی‌متر انتخاب شد و انرژی معادل با 5/10 میکرووات بر ثانیه و تغییرات ولتاژی برابر 12 ولت به‌دست آمد. جهت ذخیره‌ و استفاده از ولتاژ به‌دست آمده، مداری به همین منظور ارائه شده است.



[i]. Energy Harvesting


[ii]. MATLAB


[iii]. COMSOL

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Acoustic-Electric Converter with Ear-Patterned Collector

نویسندگان [English]

  • Ali Moulavi
  • Alireza Hassanzadeh
  • Amir Panahi
Department of Electrical Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
چکیده [English]

Today, due to limited access to some places or unfavorable weather conditions, power transmission from the power plant and storage in the battery is very expensive. This has led researchers to find a way to solve this problem, so the use of environmental energy such as noise, motion (or displacement), light, wind, etc. has opened a new chapter for engineers. In this paper, a piezoelectric plate is designed and simulated by modeling a human eardrum. This plate is one of the components of the acoustic-electric converter, which is able to collect the noise of crowded and busy environments and convert them into electrical energy. By recording and analyzing audio signals from two highly polluted locations in MATLAB software, the two frequencies at which the highest sound weight occurred were considered as the intensification frequency. Then, using the software of the COMSOL and the obtained data, the natural frequency of the first mode shape of the converter geometry is equal to the frequency of the amplified sound. The most optimal diameter of the piezoelectric plate was 8 cm and the energy was equal to 10.5 microwatts per second and the voltage changes were 12 volts. In order to store and use the obtained voltage, a circuit is provided for this purpose.

کلیدواژه‌ها [English]

  • noise pollution
  • acoustic-electric converter
  • Piezoelectric
  • green energy
[1] Lam, Kin-Che, Sai-Leung Ng, Wing-Chi Hui, and Pak-Kin Chan, "Environmental quality of urban parks and open spaces in Hong Kong", Environmental monitoring and assessment, 2005, Vol.111, no.1-3, pp.55-73.
[2] Wang, Zhong Lin, "On Maxwell's displacement current for energy and sensors: the origin of nanogenerators", Materials Today, 2017, Vol.20, no.2, pp.74-82.
[3] Leventhall, Geoff, Peter Pelmear, and Stephen Benton, "A review of published research on low frequency noise and its effects", 2003.
[4] Cha, Seung Nam, Ju‐Seok Seo, Seong Min Kim, Hyun Jin Kim, Young Jun Park, Sang‐Woo Kim, and Jong Min Kim, "Sound‐driven piezoelectric nanowire‐based nanogenerators", Advanced materials, 2010, Vol.22, no.42, pp.4726-4730.
[5] Lee, Ju-Hyuck, Keun Young Lee, Brijesh Kumar, Nguyen Thanh Tien, Nae-Eung Lee, and Sang-Woo Kim, "Highly sensitive stretchable transparent piezoelectric nanogenerators", Energy & Environmental Science, 2013, Vol.6, no.1, pp.169-175.
[6] Manjula, Y., R. Rakesh Kumar, P. Missak Swarup Raju, G. Anil Kumar, T. Venkatappa Rao, A. Akshaykranth, and P. Supraja, "Piezoelectric flexible nanogenerator based on ZnO nanosheet networks for mechanical energy harvesting", Chemical Physics, 2020, Vol.533, p.110699.
[7] Yang, Lu, Qiuying Zhao, Kaineng Chen, Yizhou Ma, Yipeng Wu, Hongli Ji, and Jinhao Qiu, "PVDF-Based Composition-Gradient Multilayered Nanocomposites for Flexible High-Performance Piezoelectric Nanogenerators", ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, Vol.12, no.9, pp.11045-11054.
[8] Ma, Guancong, Min Yang, Songwen Xiao, Zhiyu Yang, and Ping Sheng, "Acoustic metasurface with hybrid resonances", Nature materials, 2014, Vol.13, no.9, pp.873-878.
[9] Fan, Feng-Ru, Zhong-Qun Tian, and Zhong Lin Wang, "Flexible triboelectric generator", Nano energy, 2012, Vol.1, no.2, pp.328-334.
[10] Zhao, Luming, Qiang Zheng, Han Ouyang, Hu Li, Ling Yan, Bojing Shi, and Zhou Li, "A size-unlimited surface microstructure modification method for achieving high performance triboelectric nanogenerator", Nano Energy, 2016, Vol.28, pp.172-178.
[11] اصغر زاده، جهانی، کمال، آرمان کیانپور، و همایون صادقی، "بررسی برداشت انرژی از ارتعاشات تیر ذوزنقه‌ای با یک لایه پیزوالکتریک با استفاده از روش پارامتر‌های توزیع شده"، مهندسی مکانیک مدرس (فنی و مهندسی مدرس)، دوره 14، شماره 15,صص96-102.
[12] Hartmann, William M., “Signals, sound, and sensation”, Springer Science & Business Media, 2004.
[13] Zannin, Paulo Henrique Trombetta, Andressa Maria Coelho Ferreira, and Bani Szeremetta, "Evaluation of noise pollution in urban parks", Environmental monitoring and assessment, 2006, Vol.118, no.1-3, pp.423-433.
[14] Fletcher, Harvey, and Wilden A. Munson, "Loudness, its definition, measurement and calculation", Bell System Technical Journal, 1933, Vol.12, no.4, pp.377-430.