基于压电元件的声能量收集装置设计

摘要

声能回收技术是新能源研究开发的方向之一，尤其是近年来微机电系统与物联网等技术的快速发展，促使无线传感器、无线通信、射频识别（RFID）和嵌入式系统等为代表的低功耗高新技术突飞猛进，如何实现这种清洁无污染能源为低功耗设备供能，成为世界各国研究的热点。 基于此，本文研究了一种基于Helmholtz谐振器和圆形压电振子组成的声能回收器。谐振器的入射声波经Helmholtz谐振器进行放大，被放大的声波作用于Helmholtz谐振器底部的圆形压电振子，由声压作用后圆形压电振子产生振动，通过压电片的压电效应将声能转换为电能。建立了附有压电片的圆形金属衬底压电换能器的等效集中参数理论模型，分析声能回收器的声电转换原理，研究压电片半径对声能回收器的影响。仿真结果表明，压电片半径与金属衬底半径比为0.8时，发电效果最好。在入射声压为1Pa（94dB），声波频率为1188Hz，负载电阻为3.7KΩ时，最大输出功率为12.7μW。 此外，本文提出了一种新型的Helmholtz谐振器与压电悬臂梁组成的声能回收装置，巧妙的将声波导管作为压电悬臂梁的质量块，达到了功能复用的效果；新型声能量回收装置具有较好的声波放大与发电效果，实验表明在谐振状态下可将声波放大7倍，在入射声压为2Pa(100dB)，频率为150Hz时，声能回收装置的最大输出功率为2.4μW。

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