刘佳荣，曾以成

(湘潭大学 物理与光电工程学院，湖南 湘潭 411105)

0 引 言

噪声是一种有害的环境污染源，也是一种潜在的有价值能源，是未来微能源领域发展的重要方向之一。随着科技的快速发展，将声能转换为电能并加以利用已经成为现实[1]。特别是在微电子与微制造技术的研究中，为突破微机电系统中的微能源供给难题，声能发电已成为积极探索利用环境中的潜在能源为独立工作的微电子器件供能的重要方法之一[2]。与生物能、机械动能等能量相比，声能不仅分布广，而且不易受地理环境影响。因此，声能发电技术已成为微能源研究的重要内容。

声能发电主要包括声能收集和换能两个过程。换能过程中，实现声能到电能的转换主要有两种方式：电磁式和压电式。按照换能方式的不同，声能发电技术可为两类：电磁式声能发电技术和压电式声能发电技术。电磁式声能发电技术是基于法拉第电磁感应法则，实现声能到电能的转化，其原理简单、成本低，且转换效率较高，但缺点在于要想提高输出功率，则需要增加线圈匝数和增强磁场强度等，受结构尺寸的限制难以实现器件微型化[3]。因此，近年来人们对电磁式关注度有减弱趋势。已有研究中，早期主要应用单一方式进行能量转换[4]，近年来也有部分学者探索将电磁式和压电式集成，或将电磁式或压电式转换机制与其他新型技术集成到一个器件中[5]，称复合式声能发电技术。还出现了利用摩擦起电与氧化石墨烯来研制纳米发电机的研究[6-8]，为基于新型材料实现声电转换的研究提供了新思路。

压电式声能发电基于压电材料的压电效应实现声能与电能的转化。即，当入射声波通过压电材料时，压电材料会产生形变，其内部会产生极化现象，极化现象形成的极化电压促使压电材料中的自由电荷定向流动而产生电能。由于压电材料具有较好的机电耦合效应，以压电材料为换能器的声能发电技术已成为该领域的研究热点。为此，文章主要综述了压电式声能发电技术研究进展，内容包括压电材料、声波聚焦技术、声能采集技术、能量收集接口电路与储能技术。最后，对声能发电技术的发展进行展望，以期为声能发电技术研究提供参考。

1 压电材料

压电材料对声能发电的能量转换效率起着重要作用。一般地，把具有压电性能的材料统称为压电材料，按其结构特征可分为四种类型：压电单晶、压电多晶、压电聚合物和复合压电材料。压电多晶体有时也称压电陶瓷，是由很多细小颗粒构成。压电单晶体和压电陶瓷属于无机压电材料，压电聚合物则属于有机压电材料。

从材料性能角度看，与其它压电材料相比，压电单晶体具有压电常数高、杨氏模量低等优点，但其生产成本高、易破裂且不能用于高强度电场环境，因而较少被选用[9]。目前，常用的压电单晶体材料是铌镁酸铅。压电陶瓷的生产成本则相对较低，由于具有较高的压电常数和易于与其它器件集成等优点，在能量采集方面得到了广泛的应用[10]。压电聚合物是一种具有许多重复结构单元的高分子有机材料，其优点是材质柔、低密度和低阻抗等，但压电常数偏低。其中一种典型材料是聚偏氟乙烯(PVDF)，Wu等[11]探讨了碳纳米管和静电纺丝对PVDF压电性能的影响。在压电性能方面，压电单晶体和压电陶瓷通常比压电聚合物具有更好的压电性能，但受外力作用时变形小而易断裂，稳定性较差。为综合利用各种压电材料的优点，人们将多种压电材料按照一定的方式进行复合，形成压电复合材料。该种材料韧性好、密度低且易加工，在实际应用中最为广泛。例如，Chang等[12]将钛酸钡晶体和M13病毒模板合成研发了一种柔性纳米发电机，在3.5 Hz的频率作用下获得300 nA和6 V的输出。

2 声波聚焦技术

声波聚焦的目的是使声波能量在一定范围内得以汇聚，其原理是通过反射或透射，使声波在一定空间内形成高能量聚束区域，提高声波在特定方向的传播距离与强度。目前，实现声波聚焦的方法主要有：声透镜聚焦法、超声解调声波定向法、多单元相干组阵法、电子相控阵聚焦法及几何曲面反射法等[13-17]。表1对声波聚焦常用的五种方法进行了简要比较。

表1 常见的声波聚焦方法比较

在声能发电领域，2018年李志斌[18]采用旋转式的抛物面反射罩设计了一种噪声发电装置，并对比分析了有无反射罩情形下装置的性能。结果可得，安装与未安装反射罩的装置的最大输出功率分别为0.51 mW和0.31 mW，最大声电转换效率分别为5.1%和1.3%；相同负载条件下，无反射罩的噪声发电装置输出电压与功率都比有反射罩的小。由此可知，反射罩能有效汇聚环境中的噪声能量。

目前，在声能发电领域应用最广泛的是几何曲面反射法，即利用反射罩来实现声波聚焦。相比起其他声波聚焦方法(例如电子相控阵聚焦法和声透镜法等)，由反射罩组成的聚焦系统具有指向性好和稳定性好等优点，有望在国防军工、农业、航天航空等领域得到广泛应用。

3 声能采集技术

在声能利用研究中，利用材料进行声能采集技术创新，是提高能量利用效率的重要手段，近年来受到广泛关注。例如，2020年，金梦[19]提出了一种基于二维声超构材料的超薄宽带声能采集结构。声超构材料是一种具有周期性结构单元的人工微结构，通过参数的灵活设计，能产生许多性能优于自然材料的结构。该研究通过将四个单元排列成混合模式的阵列，独立调节每个单元的几何参数，使它们的共振频率产生差异，来拓宽吸声频带。仿真结果表明，频率在428 Hz～460 Hz时，能获得5.4 μW～11 μW的输出功率。由于环境中的声能处于弥散状态，能否高效吸收声能是影响声能发电装置性能的重要因素。因此，声能采集技术是声能发电研究中的核心。

传统的声能采集大多基于压电悬臂梁结构，如图1所示。悬臂梁固定在基座上，末端固定一重物M作为振子来降低谐振频率，以适应低频工作环境。外界激励的输入使得振子往复振动，压电层因形变在上下表面产生电位差。此后出现了许多相关研究，建立了复合型悬臂梁振子模型、利用外加磁力实现可调频的采集器等[20-21]，但总体而言，基于悬臂梁结构的声能采集器能量收集效率相对较低。

图1 压电悬臂梁声能采集结构

为了提高输出性能，人们对基于谐振器结构的声能采集技术做了广泛的研究。声谐振器是一种具有共振行为的装置，当入射声波的频率与声谐振器固有频率匹配时会发生共振现象，进而提高声波振幅。声谐振器一般有三种：亥姆霍兹谐振器、四分之一波谐振器和声子晶体。文献[22]详细阐述了以上三种谐振器的工作原理和特点，此处不再赘述。以下主要对这三种声谐振器在声能采集技术研究中的应用进行综述。

亥姆霍兹谐振器基于亥姆霍兹效应，可以周期性地放大入射声波[23]。2013年，肖鹏等[24]对两个亥姆霍兹谐振器进行了耦合处理，发现比单个谐振器的输出功率提高了16倍。2019年,Iftikhar Ahmad等[25]利用声能给无线分布式传感器网络供电，采用双亥姆霍兹谐振器来进行声能收集，结构如图2所示。

图2 双亥姆霍兹谐振器

也有研究突破了传统的亥姆霍兹谐振器设计思路，通过改变各项参数来探究最佳方案。2016年，Farid Khan等[26]提出了一种带锥形腔的亥姆霍兹谐振器的声能收集结构，如图3所示。实验数据表明通过改变谐振腔结构可以改善输出性能。

图3 锥形腔亥姆霍兹谐振器

四分之一波谐振器在亥姆霍兹谐振器的基础上进行了优化[27]，可以以较小的体积吸收声能。2013年，Bin Li等[28]设计了一种四分之一波直管声谐振器，通过内部所置的压电悬臂梁实现声电转换。为改善一般装置能量收集方向单一的缺点，2020年，Xincun Ji等[29]提出了一种四分之一球面双亥姆霍兹声能采集结构，如图4所示。该结构由两个颈部开口方向不同的四分之一球形亥姆霍兹谐振器组成，可以在两个方向上采集声能。同年，Pejman Eghbali等[30]提出了一种新的声能收集方法，将矩形声管作为四分之一波谐振器使用，并在入口处加上了辅助结构，如图5所示，这种方法能实现对低频声能的有效收集。

图4 球面双亥姆霍兹谐振器

图5 带辅助结构的矩形声管

声子晶体的组成单元呈周期性排列，特殊的结构使其具有很强的调制、控制和操纵声波的能力[31]。如果将点缺陷引入声子晶体，会出现声波局域化现象，即，缺陷中心及附近的声能量密度增大，使得缺陷处的声压被放大，所以含点缺陷的声子晶体可用于声能采集。2009年，Wu等[32]应用声子晶体研制了一种声能采集器，在频率为4.2 kHz、80 dB～100 dB声压激励下，采集器的输出功率可达37 nW左右。2015年，杨爱超[31]对声子晶体谐振腔进行了深入的研究，提出了一种双层、多层耦合声子晶体谐振腔结构，如图6所示。

图6 多层耦合声子晶体谐振腔结构

该研究将较小声子晶体放置在较大声子晶体的腔体中心位置，层层叠加，构造出双层、多层耦合的新声子晶体谐振腔CPCR。实验中改变多个声子晶体的散射体的大小及数目来进行对比实验，结果表明，谐振腔的声压增益峰值与耦合层的数目呈正相关。这是因为谐振器之间的声波耦合作用增强了整个结构的声波局域化效应，在一定程度上提高了声压增益。

4 能量收集接口电路与储能技术

经过换能元件得到的交流电流十分微弱，不具备直接供能的条件，需通过能量收集接口电路进行管理和调制，最后利用储能元件将电能进行储存。

4.1 能量收集接口电路

能量收集接口电路作为过渡结构，不仅会影响到能量收集电路整体的提取功率和转换效率，而且会反向对压电换能器的工作产生干扰，改变其原始机械运动。

常见的压电能量收集接口电路有以下四种典型类型：标准能量收集电路(SHE)、串联同步开关电感电路(S-SSHI)、并联同步开关电感电路(P-SSHI)和同步电荷提取电路(SECE)。表2对该四种电路进行了简要比较[33-36]。

表2 四种典型的压电接口电路

针对四种经典接口电路所存在的问题，出现了多种经过优化的接口电路[37-40]。人们通过改进电路开关的控制方式、降低二极管阈值电压、组合已有接口电路等方式，开发出了性能更优的接口电路。在所有的接口电路中，并联同步开关电感电路和同步电荷提取电路因具有能量收集效率高等优点得到了广泛的应用。简述如下：

(1)并联同步开关电感电路

冷启动问题一直是影响接口电路性能的重要因素之一，即当外界激励偏低时，系统电路收集到的能量无法对电路正常供电。针对P-SSHI电路中的冷启动问题，2020年唐锁[41]和程波[42]分别提出了一种具有冷启动功能的压电能量收集系统。这些研究中，通过将分离电极与P-SSHI电路结合来提高开路电压，从而解决系统的冷启动问题。其次，如何降低整流过程中的电压损耗也是电路研究的重要内容。2018年，刘帘曦等[43]将P-SSHI电路与降压型DC-DC结合，提出了一种新型电路。为了降低损耗，用有源二极管取代了无源二极管，收集效率提高到了SEH的7倍。2019年，陈福[44]基于P-SSHI电路设计了一种低功耗的压电接口电路，采用同步开关技术，对压电元件的输出进行整流。该电路收集效率是SEH电路的2.87倍且自耗低至10.6 pW。同年，秦刚[45]对电路的自适应性进行了研究，改善了电路的自适应性，提高了输出性能。

(2)同步电荷提取电路

2013年Yipeng Wu等[46]提出了一种优化的SECE电路，不仅结构简单、能自供电，而且在很大的负载范围内，收集功率都得到了提高。2014年，孟莹梅等[47-48]提出了一种新型接口电路(SCEI)，收集功率约是SECE电路的1.5倍。2015年，该团队又通过省去开关并联支路的开关，用四个电子开关代替整流桥，将电路的最大输出功率提高至SECE电路的3倍。2020年，周天烁[49]基于耦合电感设计了一种同步电荷提取和电压翻转接口电路，实现了开关能量自给，负载取用功率提高到SECE电路的1.76倍，但该电路的冷启动功能仍存在不足。

4.2 储能技术

早期，存储电能主要采用电解电容方式[50-52]。但该方式能量密度相对较低，限制了储能元件的输出功率。2005年，Henry A等[53]对电容器和可充电电池(金属氢化镍)两种储能方式的效果进行了比较，发现可充电电池比电容器具有更理想的性能。2008年，Guan等[54]将可充电电池与超级电容的充放电效率作一对比，发现超级电容与可充电电池相比，具有小体积、大电容量、使用寿命长等优点，但其能量密度很低，仅为可充电电池的1/10。

目前，通常用能量收集芯片来实现对电池的充电和管理。很多公司已经开发出了各种各样的能量收集芯片。常用的芯片有BQ25504和LTC3330等。BQ25504芯片是可充电的，可供采集输出为直流电压的能量源的能量，能实现自启动和自供能[55]。LTC3330芯片能收集来自多种能量源的能量，且能延长电池的使用寿命。其中，芯片主要使用二极管整流桥来处理压电换能器输出的电能。但是，二极管整流桥在一定程度上会抑制输出功率的增长，同时这些芯片缺少了MPPT电路部分，这些外部缺陷导致压电式能量收集率相对较低[56]。

5 总结与展望

声能广泛存在于自然界中，当声能密度较大时就成为一种具有相当利用价值的能源。声能发电技术是将声能变为电能以此实现对该能源的利用，在复杂环境下可以取代传统的电池为低能耗独立工作的微型器件或系统供电，应用前景十分广阔。目前，国内外的声能发电技术尚处于研究阶段。近些年来，随着微能源供给难题的研究深入，声能发电技术取得了快速发展，其中基于压电材料换能的压电式声能发电技术是该领域的研究热点。在压电材料、声波聚焦技术、声能采集技术及储能技术等方面出现了许多新成果，为进一步提高声能发电水平提供了理论与技术支撑。但目前声能发电技术仍存在许多难点尚未解决，如装置的声能收集效率较低、吸声频带较窄、集成化水平较低等问题。未来，对声能发电技术研究可以重点考虑如下几个方面：其一、通过对现有材料进行处理或研制新型高性能的材料，以提高装置的换能效率；其二、通过改进声能收集结构及装置整体结构的设计，以适应不同声源特点，实现多方向和宽频带吸声；其三、不断完善加工工艺，提高声能发电装置的集成化水平。