基于低頻聲能量回收的壓電式微型俘能器*

顧 聰, 陳遠晟, 王 浩, 陳 威

(南京理工大學 能源與動力工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引 言

聲能量具有可持續(xù)性、清潔性和廣泛性等優(yōu)點，在世界范圍內(nèi)，聲能的利用正在得到廣泛的發(fā)展。由于體積大、成本高、運行維護困難，傳統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)[1,2]很難與小而獨立的電子系統(tǒng)集成，微型發(fā)電機已經(jīng)成為無線傳感器節(jié)點等微獨立工作的電子解決方案，通過微型發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)微電子系統(tǒng)的應用成為當前研究的熱點。

王曉輝等人[3]提出了一種基于Helmholtz共鳴器和圓形壓電振子的聲能回收裝置，當入射聲壓級為94 dB時可得到的最大輸出功率為12 μW。楊峰等人[4]研究了一種基于Helmholtz共鳴器，懸臂梁和聲波導管的聲能回收裝置，當聲壓在94 dB時，實測最大輸出功率為240 μW。Kim S H等人[5]使用了Helmholtz共振器和電磁發(fā)生器來獲取聲能，在聲壓為140 dB時測量出永磁線圈發(fā)電機的輸出電壓為4 mV。

為了提高裝置的輸出功率，以滿足更多電子器件的工作需要，本文提出了一種基于壓電式微型俘能器，與在距離聲源較遠時，仍有不錯的發(fā)電性能，通過實驗驗證了該俘能器可以遠距離對微型電子器件供能，具有較大的應用前景。

1 俘能器原理

俘能器主要由Helmholtz共鳴器[6,7]、壓電單晶片及接口電路構成，如圖1所示，共鳴器上表面為彈性薄板，其余面為剛性面。當入射聲波頻率與Helmholtz共鳴器的共振頻率相同時，入射聲壓在共鳴器腔體內(nèi)放大，然后作用到薄板上，壓電片貼合固定在薄板上，從上表面引出正負極，薄板帶動壓電片振動，使其產(chǎn)生形變，基于壓電材料的正壓電效應，將機械能轉(zhuǎn)化為電能[8,9]，經(jīng)接口電路輸出直流電能。

圖1 Helmholtz共鳴器結構示意

Helmholtz共鳴器主要由腔體和頸部構成，其一階共振頻率為[7]

(1)

式中S為頸部橫截面積，c為聲速，V為腔體體積，L=l+1.7r，l為頸長，r為頸部截面的半徑。從式中可以看出，共鳴器的共振頻率與頸部的截面積、有效長度及共振腔體積大小有關，與共鳴器自身結構形狀無關。彈性薄板受到聲壓作用時便會產(chǎn)生振動。一般情況下，當介質(zhì)為空氣時，耦合效應很弱，但當結構的特征頻率與諧振器的特征頻率相連時，耦合效應明顯。

當激勵頻率與共鳴器一階頻率相等時，輸出電壓有極大值，由于壓電單晶片與薄板緊密貼合在一起，可以認為薄板與壓電片連接處的剛度為無窮大，即薄板中心的加速度與壓電片加速度相等，此時可以得到該俘能器的輸出電壓和功率為[4]

(2)

(3)

其中

(4)

(5)

C3=RsM+C2ωCeBRe

(6)

C4=C2-ωCeBReRsM

(7)

(8)

(9)

(10)

式中P1為激勵聲壓，N為力電變量器的匝數(shù)，MsM為壓電片等效質(zhì)量，ZeB為壓電阻抗，ZsP為薄板力的阻抗，ZaN為短管的聲阻抗，S為薄板有效面積，CaV為腔體聲順，CeB為壓電電容，Re反映了壓電材料的介質(zhì)損耗，ω1,ω2分別為共鳴器的第一、二階共振頻率，RsM為壓電片的力阻。從式(3)可以看出，負載與聲壓成正比，且存在一個最優(yōu)負載使得輸出功率最大。

2 實驗研究與分析

俘能器實驗平臺如圖2所示，為使壓電片與薄板之間的剛度接近于無窮大，因此使用壓電單晶片作為換能器，其規(guī)格為70 mm×34 mm×0.2 mm。Helmholtz共鳴器由不銹鋼制成，其規(guī)格為20 cm× 20 cm×15 cm(長寬高)，側(cè)面短管的長度為5 cm，直徑為6 cm，頂面薄板厚度為0.5 mm，其余厚度為4 mm。音箱作為聲源輸出不同強度、頻率的聲波，聲源距離短管0.1 m，示波器用于檢測輸出電壓，分貝儀用于檢測聲壓級，實驗平臺如圖2所示。

圖2 實驗平臺

通過在Ansys中對共鳴器進行模態(tài)分析得到其第一、二階共振頻率分別為95.265，114.54 Hz，實驗中，調(diào)節(jié)聲波頻率，發(fā)現(xiàn)在第一、二階共振頻率的實際值為111,154 Hz。接口電路如圖3所示，使用效率較高的二倍壓整流電路，在電源電壓的正半周時，由交流電源、C1、C2構成的閉合回路中，電壓經(jīng)過二極管D1給電容C2充電，直至C2兩端電壓達到電壓峰值Um；負半周時，電壓經(jīng)過D2給C2充電至Um，經(jīng)過幾個周期后，C1和C2兩端電壓逐漸穩(wěn)定在2Um。此電路使用2個二極管，減小了電能的損耗，提高了輸出功率，同時在不需要外部供能的前提下，將輸出電壓升高以滿足更多電子器件的工作需求。

圖3 接口電路

調(diào)節(jié)聲波頻率為111 Hz，俘能器輸出端與示波器相連，當時聲壓級從80 dB增加至110 dB時，開路電壓變化曲線如圖4(a)所示。當頻率一定時,輸出電壓隨聲壓級增大而增大。將俘能器輸出端與接口電路輸入端相連，將負載與接口電路輸出端相連，調(diào)節(jié)負載值不斷變化，其輸出功率隨負載變化曲線如圖4(b)所示。當負載為48 kΩ時，輸出功率最大，此時負載兩端電壓為34 V，輸出功率經(jīng)計算為24 mW。

圖4 開路電壓和輸出功率曲線

在實際應用中，聲源與俘能器的距離通常情況下不可能只有10 cm，為了驗證該俘能器在較遠距離下的輸出性能，使聲源與共鳴器口部位于一條直線上，聲源到共鳴器口部的距離記為a，改變a的值，記錄在不同距離下，俘能器在不同聲壓級下的輸出功率，如圖5所示。當距離從1 m逐漸增加至4 m時，俘能器輸出功率隨之降低，但是幅度并不是很大，當a=1 m時，最大輸出功率為1.17 mW；當a=2 m時，最大輸出功率為0.85 mW；當a=3 m時，最大輸出功率為0.52 mW；當a=4 m時，最大輸出功率為0.38 mW。相對于目前國內(nèi)外學者所研究的聲能回收裝置[10～14]，仍有不錯的輸出性能。

圖5 聲源距離對輸出功率的影響

3 結束語

為實現(xiàn)無線傳感器節(jié)點等微小型獨立工作的電子系統(tǒng)在戶外工作時供能，設計了一種基于低頻聲能量回收的壓電式微型俘能器。對俘能器的聲電轉(zhuǎn)換進行了理論分析，通過實驗找到了最優(yōu)負載，研究了聲源與俘能器之間的距離對俘能器輸出功率的影響。實驗結果表明：當俘能器距離聲源0.1 m時，最大輸出功率高達24 mW，當距離從1 m遞增至4 m后，輸出的有功功率為0.38 mW，證明了該俘能器可以實現(xiàn)遠距離為微電子器件進行獨立供能，具有較大的應用前景。