Gürültüyü azaltan ve piezoelektrik etki ile enerji hasat eden Helmholtz rezonatörü tasarımı ve analizi
Design and analysis of Helmholtz resonator that reduces noise and harvests energy with piezoelectric effect
Yazar: ALİ ÖZERMİŞ
Danışman: DOÇ. DR. GÖZDE SARI
Manisa Celal Bayar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Akustik = Acoustic ; Enerji hasadı = Energy harvest ; Gürültü azaltma = Noise reduction ; Helmholtz rezonatörleri = Helmholtz resonators ; Piezoelektrik = Piezoelectric

Özet:
Enerji hasadı üzerine yapılan çalışmalar son zamanlarda büyük bir ilgi uyandırmaktadır. Bu çalışmalar, atık enerjilerin faydalı enerjiye dönüştürülmesi açısından büyük önem arz etmektedir. Akustik enerji geri dönüştürülebilme potansiyeline sahip enerji türlerinden biridir. Ses dalgaları birçok gürültü kaynağı tarafından üretilebilmektedir. Bu nedenle, hayatımızın neredeyse her yerinde boşa harcanan enerjiler bulunmaktadır. Akustik enerji hasadı ile boşa giden ses dalgaları kullanılarak, düşük güç ihtiyacına sahip cihazların enerji ihtiyacı karşılanabilmektedir. Aynı zamanda çevre dostu olan bu sistem mikro elektro mekanik sistem (MEMS) cihazlarının pillerini değiştirme potansiyeline de sahiptir. 
Bu tez kapsamında, akustik ses basıncı kullanılarak piezoelektriksel etki ile enerji hasat etme üzerine bir sistem kurulmuştur. Sistemden elde edilecek enerjiyi arttırmak için 15 farklı Helmholtz rezonatörü tasarlanmıştır. Helmholtz rezonatörleri akustik basınca maruz kalırken, rezonans boşluklarındaki titreşim arttırıcı etkisiyle elde edilecek enerjiyi arttırma potansiyellerine sahiptir. Ayrıca bu rezonatörlerin sönümleyici etkileri de bulunmaktadır. Bu nedenle birçok alanda gürültü azaltıcı etkileri üzerine çalışmalar yapılmaktadır. Bu tez çalışmasında Helmholtz rezonatörlerinin, akustik enerji hasadı üzerinde yaptığı etkilerinin yanında, ayrıca gürültü azaltıcı etkileri de incelenmiştir. Bu bilgiler ışığında tez çalışmasının amacı; literatürle uyumlu ancak farklı boyun çapları, boyun uzunlukları ve koni giriş çaplarına göre gruplandırılmış 15 adet Helmholtz rezonatörünün, farklı frekanslar altında akustik enerji hasadı ve gürültü azaltıcı etkilerini gözlemlemek ve nasıl geliştirilebileceği üzerine çözümler sunmaktır.
Deneyde kullanılan Helmholtz rezonatörleri, üç boyutlu yazıcı teknolojisi kullanılarak üretilmiştir. Rezonatörlerin üretiminde; üç boyutlu yazıcı ile üretiminin sorunsuz olması, maliyetinin düşük olması ve doğal kaynaklardan elde edilebilir olması gibi nedenlerden dolayı polilaktik asit (PLA) kullanılmıştır. Helmholtz rezonatörleri ve piezoelektrik diski sabitlemek için 60x60x0.4 mm alüminyum plak kullanılmıştır. Deneyler dört aşamadan oluşmuştur. Bunlardan ilki zorlayıcı olarak kullanılan hoparlör cihazının ses basıncı ölçüm deneyidir. Bu deneyde belirlenen frekanslardaki ses basınçları ölçülmüş ve ses basıncı seviyeleri elde edilmiştir. İkinci aşamada ise akustik ses basıncı altındaki rezonatörlerde ve plakta oluşan frekans-ivme değerlerine bakılmıştır. Ses dalgaları prototipe doğrudan etki ederken, lazer vibrometre yardımıyla Helmholtz rezonatörlerinde ve plak üzerinde lazer odaklanarak frekans-ivme ölçümleri yapılmıştır. Deneylerin üçüncü aşamasında akustik enerji hasadı gerçekleştirilmiştir. Plak üzerine rijit bağlanan piezoelektrik disk ve rezonatörler, hoparlör ile ses basıncına maruz bırakılmışlardır. Oluşan ses basınçları, rezonatör boşluğunda bulunan piezoelektrik disk üzerinde titreşime neden olmaktadır. Titreşim nedeniyle oluşan şekil değiştirme enerjisi, piezoelektrik disk ile elektrik enerjisine dönüştürülmüş ve osiloskop yardımıyla voltaj-zaman grafikleri elde edilmiştir. Bu deney sırasında prototiplerin yanlarına yerleştirilen mikrofon ile ses basıncı ölçümü yapılmıştır. Ölçüm sonucunda frekans-ses basıncı seviyesi grafikleri elde edilmiştir. Elde edilen bu veriler ile akustik enerji hasadı yapan sistemlerin, aynı zamanda gürültü azaltıcı etkileri incelenmiştir. Çalışmalar sonucunda Helmholtz rezonatörlerinin gürültü azaltıcı etkisi gözlemlenmiştir. Literatürde ilk defa geniş bir frekans aralığında rezonatörün etkinliği araştırılmıştır. Frekans değiştikçe rezonatörlerin etkinliği de değişmektedir. Frekansa göre değişen bu etkinliğin nedenleri, yapılan kapsamlı deneysel analizlerle açıklanmıştır. Sistemin geliştirilebilmesi için, her Helmholtz rezonatörü özelinde uygun frekans aralıklarında spesifik çalışmalar yapılması gerekmektedir. Yapılan bu geniş kapsamlı çalışmada, birçok analiz yöntemine bakılarak, tasarlanan Helmholtz rezonatörlerinin akustik enerji hasadı ve gürültü azaltıcı sistemlerde kullanılabileceği ortaya konmuştur.

Abstract:
Research into energy harvesting has recently received a lot of interest. These research are critical for transforming waste energy into usable energy. Acoustic energy is a type of energy that has the potential to be recycled. Sound waves can be produced by a variety of noise sources, wasting energy in practically every part of our daily life. By harvesting acoustic energy from these discarded sound waves, it is possible to meet the energy requirements of low-power devices. Furthermore, this eco-friendly approach has the potential to replace the batteries in microelectromechanical systems (MEMS) devices.
This thesis describes a mechanism for harvesting energy utilizing the piezoelectric effect and sound pressure. To boost the system's energy output, 15 distinct Helmholtz resonators were built. When subjected to acoustic pressure, Helmholtz resonators have the ability to increase the energy gained through the vibrational amplifying effect in resonance cavities. These resonators also have damping effects, thus they are being studied for noise reduction in a variety of sectors. This thesis investigates the impact of Helmholtz resonators on both acoustic energy harvesting and noise reduction. In the context of this information, the goal of this thesis is to investigate the effects of noise reduction and acoustic energy harvesting on 15 Helmholtz resonators arranged based on various cone inlet diameters, neck lengths and neck diameters at different frequencies, and to offer suggestions for improvement.
The Helmholtz resonators utilized in the experiment were made with 3D printing technology. The resonators were produced of polylactic acid (PLA) material using a 3D printer due to its ease of manufacture, low cost, and availability from natural sources. The Helmholtz resonators and piezoelectric discs were secured with aluminum plates measuring 60x60x0.4 mm. The experiments had four stages. The first of these is the sound pressure measurement experiment of the speaker device used as a force. In this experiment, sound pressures in the specified frequency range were measured and sound pressure levels were obtained. In the second stage, the frequency-acceleration values in the resonators and on the plate were measured under acoustic pressure. While sound waves had a direct impact on the prototype, laser vibrometry was utilized to quantify frequency acceleration on the Helmholtz resonators and plate by focussing the laser. The third stage involved acoustic energy collection. Piezoelectric discs and resonators rigidly mounted to the plate were subjected to sound pressure from a speaker. The sound pressures created vibrations on the piezoelectric disk in the resonator cavity. The piezoelectric disc transformed the vibration-induced deformation energy into electrical energy, and an oscilloscope was used to obtain voltage-time graphs. During this experiment, sound pressure measurements were made with a microphone placed near the prototypes and frequency-sound pressure level graphs were generated. The gathered data were utilized to investigate the noise-reduction effects of acoustic energy harvesting systems. The experiments revealed that Helmholtz resonators had a noise-reducing impact. For the first time in the literature, the resonator's effectiveness was tested throughout a large frequency range. The efficiency of the resonators varies with frequency. Comprehensive experimental investigations were used in this thesis to explain why this frequency-dependent efficacy exists. To improve the system, specialized research on the proper frequency ranges for each Helmholtz resonator are required. This long study demonstrated, via the application of numerous analysis methodologies, that the developed Helmholtz resonators can be employed in acoustic energy harvesting and noise reduction systems.