废热驱动手机扬声器发电实验设计

戴莹 赵小娟

摘 要：热声效应是指可压缩流体的声振荡与固体介质之间换热而产生的能量效应。本项研究尝试利用普遍存在的温度在300℃左右的工业或民用设施的低品质非集中废热资源，通过加热封闭小空间的空气介质，使其产生热致声波，并通过推动串联在一起的手机微型扬声器的动圈，从而感生出电流发电。

关键词：热声效应;废热;扬声器;发电

一、前言

热致声驱动装置采用手机扬声器作为功能转换器，用热产生声波来驱动与微制造技术结合的热声元件（手机扬声器）和谐振腔，利用高频热声过程来实现由声振荡引起工质压力和温度的振荡，驱动手机扬声器音圈运动，从而实现废热发电。其工作频率一般较高，应用于非集中的低品质废热回收利用，也可通过阵列化方式实现较大规模的工业废热回收发电。其特点是体积小，无振动、无精密运动部件、成本低。图1所示为一热致声驱动发电装置示意图。

热致声驱动发电装置根据波形式的不同，有驻波型和行波型两种形式。目前大部分是以驻波型为主的结构。

二、需求分析

随着微电子技术的进步，在单位面积上可集成的芯片和电路越来越多，因此在系统尺寸不断缩小的同时，单位面积的散热功率也在不断增大（10～50W/cm^2）。由此带来的过高温度会降低芯片的工作稳定性，增加出错率，同时模块内部与其外部环境间所形成的热应力会直接影响到芯片的电性能、工作頻率、机械强度及可靠性。电子元器件的寿命与其工作温度具有直接的关系，元件PCB板的热循环和热梯度所产生的热应力与变形最终导致疲劳失效。把工作温度与温度梯度降到最低限度是电子产品设计人员面临的最大挑战。因此微电子元件和系统的散热问题已成为了制约其发展的主要障碍之一。

现代复杂装置，电子化程度的高低在一定程度上决定了先进性，在实际较为苛刻的使用环境中，如果使用微型热回收装置作为微电子芯片和电路系统的热量管理手段，将会大大提高设备的性能。所以研制热致声驱动装置，并将集成电路芯片与微型热声发电系统集成在一起，是解决未来集成电子电路的冷却及散热问题的理想方案。图2为热致声驱动发电装置与电子芯片的耦合示意图。

三、研究步骤

热致声驱动发电装置，具有热声元件的微型化特点，作为原理性工作，为简化设计，在设计、制造和测试方面尽量采用成熟材料和工艺，首先实现原理性突破，以下问题是在热致声驱动发电装置研究中需要解决的关键问题：

热声板叠的间隙与声频成反比，因此寻找适合的板叠材料和微加工技术是微型热声发电装置的关键，如图3;

声驱动系统与热声谐振腔系统的阻抗匹配，以及热声谐振腔系统、发电负荷的阻抗匹配及声功输出界面的耦合也是重要的问题。本项目发电装置中使用的手机扬声器为音圈式结构，它是阻性的，阻抗较小，相比之下，与气体工作介质的热声谐振腔的阻抗有一定差距，因此优化系统部件间阻抗的匹配，才能使声驱动器输出最大的声功率、发电负荷得到最大的输出功率，提高整个装置系统的性能。

本项研究针对以上关键问题和目前的条件，研究了如下内容：

进行热致声驱动发电装置试验研究，结构简图如图4所示。

四、结论

利用现代规模量产技术得到的低成本功能转换器-手机扬声器，结合古老的热致声物理原理，将工民用生产中产生的废热加以回收利用发电，为废旧物资和低品位热源的综合利用提供了思路，通过进一步的研究和开发，具有良好的商业化应用前景。

参考文献

[1]于可利，邱金凤，张艳会，刘强，我国废旧手机回收行业现状、挑战及对策，资源再生，2016（10）

[2]叶滴清，浅谈电脑手机等电子废弃物的回收利用，资源节约与环保，2014（1）

本文系2018年度兰州市“十三五”教育科学规划课题《废弃手机扬声器用于废热回收发电装置的研究》研究成果，课题立项号LZ〔2018〕GH639