Page 151 - 《应用声学》2021年第5期

第 40 卷 第 5 期 叶俊杰等： 亥姆霍兹效应和文丘里效应复合型换能器设计 795

上述声能发电技术只利用单一的物理效应实
0 引言
现声能到电能的转换，而未考虑将多种物理效应结
合，收集声能的同时利用环境中其他可利用的能量，
现有的无线传感网络以及微型电子设备以电
弥补声能发电电能不足的弊端；现有的基于压电效
池供电为主，电池寿命短，在某些场合下不易更换，
应的声电转换装置中，压电片的固定一般采用黏结
产生的污染较为严重，因此能量的供给限制了相关
剂，人为粘接导致的压电片边界条件的差异，会导致
技术的进一步发展，从环境中汲取能量的新型能获
单元个体间固有频率的不同，影响整个系统的换能
取方式具有重要意义。人类已对能源的收集技术进
效率。本文提出一种将亥姆霍兹共振效应和文丘里
行了广泛的研究 [1] 。声能作为环境中一种普遍存在
效应结合的复合型换能器，在改进压电片固定方式
的能源，虽很少被利用 [2] ，但也逐渐引起了学者的
的基础上，能够分别获取环境中的噪声和气流中蕴
广泛关注。魏娴等 [3] 提出了一种可集成的电磁式声
含的能量并转换为电能，从而改进现有环境能量的
能发电装置。Wang等 [4] 提出了一种使用亥姆霍兹
获取方式。
谐振器和聚偏氟乙烯(PVDF)膜的新型可再生声能
收集隔声板，它主要由亥姆霍兹共振器和压电悬臂
1 复合型换能器方案设计
梁构成，其压电悬臂梁固定方式采用胶粘。Liu等 [5]
提出了一种由周期排列的亥姆霍兹共振器组成的 复合型换能器结构图如图1，其整体长600 mm，
宽带声能收集结构，压电片布置在相邻两个亥姆霍 宽600 mm，厚度40 mm。当噪声作用于该复合型换
兹腔体之间。Hee-Min [6] 设计了一种专用于高速列 能器时，由文丘里管进行收集(能量收集模块)，之后
车车厢内噪声收集的声能收集系统，在100 dB 声压 由亥姆霍兹共振器进行声压放大以及降噪 (声压放
级的噪声下，可以产生 0.7 V 的电压，该装置体积较 大模块)，同时亥姆霍兹顶部压电片产生振动将机械
大，压电片的固定方式为胶粘。Yuan等 [7] 提出了一 能转换为电能 (能量转换模块)；当汽车或高铁运行
种多功能声学元结构来实现低频声音隔离和声能 过程中产生的气流作用于换能器时，气流在文丘里
收集，该结构的主要材料采用金属，具有更强的耐久 效应的作用下使换能器内部产生压力变化，进而带
性，但其成本较高，质量较大。Rezaei等 [8] 研究了一 动压电片振动，由以上两种能量激励压电片产生的
种将非线性恢复力添加到压电悬臂梁上用来调整 交流电经整流桥转换为直流电后储存在超级电容
其固有频率的声能收集装置。Eghbali 等 [9] 提出了 中(能量储存模块)。

一种由声矩形管作为支撑的网格状谐振器，与普通 换能器由多层结构组成，每层共有13个文丘里
谐振器相比声能收集效率提高了10.5倍。Ma等 [10] 管和亥姆霍兹共振器组合的单元，每层之间设有轴
提出了一种二维局部共振超材料声能收集器，最大 向的线槽，同层之间设有横向线槽，顶层和底层设有
电压可达291 mV。 外部接线槽。

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图 1 复合型换能器结构
Fig. 1 Compound transducer structure