Gürültüyü azaltan ve piezoelektrik etki ile enerji hasat eden Helmholtz rezonatörü tasarımı ve analizi

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.