基于低频声能量回收的压电式微型俘能器*

顾 聪, 陈远晟, 王 浩, 陈 威

(南京理工大学 能源与动力工程学院，江苏 南京 210094)

0 引 言

声能量具有可持续性、清洁性和广泛性等优点，在世界范围内，声能的利用正在得到广泛的发展。由于体积大、成本高、运行维护困难，传统的发电系统[1,2]很难与小而独立的电子系统集成，微型发电机已经成为无线传感器节点等微独立工作的电子解决方案，通过微型发电系统实现微电子系统的应用成为当前研究的热点。

王晓辉等人[3]提出了一种基于Helmholtz共鸣器和圆形压电振子的声能回收装置，当入射声压级为94 dB时可得到的最大输出功率为12 μW。杨峰等人[4]研究了一种基于Helmholtz共鸣器，悬臂梁和声波导管的声能回收装置，当声压在94 dB时，实测最大输出功率为240 μW。Kim S H等人[5]使用了Helmholtz共振器和电磁发生器来获取声能，在声压为140 dB时测量出永磁线圈发电机的输出电压为4 mV。

为了提高装置的输出功率，以满足更多电子器件的工作需要，本文提出了一种基于压电式微型俘能器，与在距离声源较远时，仍有不错的发电性能，通过实验验证了该俘能器可以远距离对微型电子器件供能，具有较大的应用前景。

1 俘能器原理

俘能器主要由Helmholtz共鸣器[6,7]、压电单晶片及接口电路构成，如图1所示，共鸣器上表面为弹性薄板，其余面为刚性面。当入射声波频率与Helmholtz共鸣器的共振频率相同时，入射声压在共鸣器腔体内放大，然后作用到薄板上，压电片贴合固定在薄板上，从上表面引出正负极，薄板带动压电片振动，使其产生形变，基于压电材料的正压电效应，将机械能转化为电能[8,9]，经接口电路输出直流电能。

图1 Helmholtz共鸣器结构示意

Helmholtz共鸣器主要由腔体和颈部构成，其一阶共振频率为[7]

(1)

式中S为颈部横截面积，c为声速，V为腔体体积，L=l+1.7r，l为颈长，r为颈部截面的半径。从式中可以看出，共鸣器的共振频率与颈部的截面积、有效长度及共振腔体积大小有关，与共鸣器自身结构形状无关。弹性薄板受到声压作用时便会产生振动。一般情况下，当介质为空气时，耦合效应很弱，但当结构的特征频率与谐振器的特征频率相连时，耦合效应明显。

当激励频率与共鸣器一阶频率相等时，输出电压有极大值，由于压电单晶片与薄板紧密贴合在一起，可以认为薄板与压电片连接处的刚度为无穷大，即薄板中心的加速度与压电片加速度相等，此时可以得到该俘能器的输出电压和功率为[4]

(2)

(3)

其中

(4)

(5)

C3=RsM+C2ωCeBRe

(6)

C4=C2-ωCeBReRsM

(7)

(8)

(9)

(10)

式中P1为激励声压，N为力电变量器的匝数，MsM为压电片等效质量，ZeB为压电阻抗，ZsP为薄板力的阻抗，ZaN为短管的声阻抗，S为薄板有效面积，CaV为腔体声顺，CeB为压电电容，Re反映了压电材料的介质损耗，ω1,ω2分别为共鸣器的第一、二阶共振频率，RsM为压电片的力阻。从式(3)可以看出，负载与声压成正比，且存在一个最优负载使得输出功率最大。

2 实验研究与分析

俘能器实验平台如图2所示，为使压电片与薄板之间的刚度接近于无穷大，因此使用压电单晶片作为换能器，其规格为70 mm×34 mm×0.2 mm。Helmholtz共鸣器由不锈钢制成，其规格为20 cm× 20 cm×15 cm(长宽高)，侧面短管的长度为5 cm，直径为6 cm，顶面薄板厚度为0.5 mm，其余厚度为4 mm。音箱作为声源输出不同强度、频率的声波，声源距离短管0.1 m，示波器用于检测输出电压，分贝仪用于检测声压级，实验平台如图2所示。

图2 实验平台

通过在Ansys中对共鸣器进行模态分析得到其第一、二阶共振频率分别为95.265，114.54 Hz，实验中，调节声波频率，发现在第一、二阶共振频率的实际值为111,154 Hz。接口电路如图3所示，使用效率较高的二倍压整流电路，在电源电压的正半周时，由交流电源、C1、C2构成的闭合回路中，电压经过二极管D1给电容C2充电，直至C2两端电压达到电压峰值Um；负半周时，电压经过D2给C2充电至Um，经过几个周期后，C1和C2两端电压逐渐稳定在2Um。此电路使用2个二极管，减小了电能的损耗，提高了输出功率，同时在不需要外部供能的前提下，将输出电压升高以满足更多电子器件的工作需求。

图3 接口电路

调节声波频率为111 Hz，俘能器输出端与示波器相连，当时声压级从80 dB增加至110 dB时，开路电压变化曲线如图4(a)所示。当频率一定时,输出电压随声压级增大而增大。将俘能器输出端与接口电路输入端相连，将负载与接口电路输出端相连，调节负载值不断变化，其输出功率随负载变化曲线如图4(b)所示。当负载为48 kΩ时，输出功率最大，此时负载两端电压为34 V，输出功率经计算为24 mW。

图4 开路电压和输出功率曲线

在实际应用中，声源与俘能器的距离通常情况下不可能只有10 cm，为了验证该俘能器在较远距离下的输出性能，使声源与共鸣器口部位于一条直线上，声源到共鸣器口部的距离记为a，改变a的值，记录在不同距离下，俘能器在不同声压级下的输出功率，如图5所示。当距离从1 m逐渐增加至4 m时，俘能器输出功率随之降低，但是幅度并不是很大，当a=1 m时，最大输出功率为1.17 mW；当a=2 m时，最大输出功率为0.85 mW；当a=3 m时，最大输出功率为0.52 mW；当a=4 m时，最大输出功率为0.38 mW。相对于目前国内外学者所研究的声能回收装置[10～14]，仍有不错的输出性能。

图5 声源距离对输出功率的影响

3 结束语

为实现无线传感器节点等微小型独立工作的电子系统在户外工作时供能，设计了一种基于低频声能量回收的压电式微型俘能器。对俘能器的声电转换进行了理论分析，通过实验找到了最优负载，研究了声源与俘能器之间的距离对俘能器输出功率的影响。实验结果表明：当俘能器距离声源0.1 m时，最大输出功率高达24 mW，当距离从1 m递增至4 m后，输出的有功功率为0.38 mW，证明了该俘能器可以实现远距离为微电子器件进行独立供能，具有较大的应用前景。