劉佳榮，曾以成

(湘潭大學 物理與光電工程學院，湖南 湘潭 411105)

0 引 言

噪聲是一種有害的環(huán)境污染源，也是一種潛在的有價值能源，是未來微能源領域發(fā)展的重要方向之一。隨著科技的快速發(fā)展，將聲能轉換為電能并加以利用已經成為現(xiàn)實[1]。特別是在微電子與微制造技術的研究中，為突破微機電系統(tǒng)中的微能源供給難題，聲能發(fā)電已成為積極探索利用環(huán)境中的潛在能源為獨立工作的微電子器件供能的重要方法之一[2]。與生物能、機械動能等能量相比，聲能不僅分布廣，而且不易受地理環(huán)境影響。因此，聲能發(fā)電技術已成為微能源研究的重要內容。

聲能發(fā)電主要包括聲能收集和換能兩個過程。換能過程中，實現(xiàn)聲能到電能的轉換主要有兩種方式：電磁式和壓電式。按照換能方式的不同，聲能發(fā)電技術可為兩類：電磁式聲能發(fā)電技術和壓電式聲能發(fā)電技術。電磁式聲能發(fā)電技術是基于法拉第電磁感應法則，實現(xiàn)聲能到電能的轉化，其原理簡單、成本低，且轉換效率較高，但缺點在于要想提高輸出功率，則需要增加線圈匝數(shù)和增強磁場強度等，受結構尺寸的限制難以實現(xiàn)器件微型化[3]。因此，近年來人們對電磁式關注度有減弱趨勢。已有研究中，早期主要應用單一方式進行能量轉換[4]，近年來也有部分學者探索將電磁式和壓電式集成，或將電磁式或壓電式轉換機制與其他新型技術集成到一個器件中[5]，稱復合式聲能發(fā)電技術。還出現(xiàn)了利用摩擦起電與氧化石墨烯來研制納米發(fā)電機的研究[6-8]，為基于新型材料實現(xiàn)聲電轉換的研究提供了新思路。

壓電式聲能發(fā)電基于壓電材料的壓電效應實現(xiàn)聲能與電能的轉化。即，當入射聲波通過壓電材料時，壓電材料會產生形變，其內部會產生極化現(xiàn)象，極化現(xiàn)象形成的極化電壓促使壓電材料中的自由電荷定向流動而產生電能。由于壓電材料具有較好的機電耦合效應，以壓電材料為換能器的聲能發(fā)電技術已成為該領域的研究熱點。為此，文章主要綜述了壓電式聲能發(fā)電技術研究進展，內容包括壓電材料、聲波聚焦技術、聲能采集技術、能量收集接口電路與儲能技術。最后，對聲能發(fā)電技術的發(fā)展進行展望，以期為聲能發(fā)電技術研究提供參考。

1 壓電材料

壓電材料對聲能發(fā)電的能量轉換效率起著重要作用。一般地，把具有壓電性能的材料統(tǒng)稱為壓電材料，按其結構特征可分為四種類型：壓電單晶、壓電多晶、壓電聚合物和復合壓電材料。壓電多晶體有時也稱壓電陶瓷，是由很多細小顆粒構成。壓電單晶體和壓電陶瓷屬于無機壓電材料，壓電聚合物則屬于有機壓電材料。

從材料性能角度看，與其它壓電材料相比，壓電單晶體具有壓電常數(shù)高、楊氏模量低等優(yōu)點，但其生產成本高、易破裂且不能用于高強度電場環(huán)境，因而較少被選用[9]。目前，常用的壓電單晶體材料是鈮鎂酸鉛。壓電陶瓷的生產成本則相對較低，由于具有較高的壓電常數(shù)和易于與其它器件集成等優(yōu)點，在能量采集方面得到了廣泛的應用[10]。壓電聚合物是一種具有許多重復結構單元的高分子有機材料，其優(yōu)點是材質柔、低密度和低阻抗等，但壓電常數(shù)偏低。其中一種典型材料是聚偏氟乙烯(PVDF)，Wu等[11]探討了碳納米管和靜電紡絲對PVDF壓電性能的影響。在壓電性能方面，壓電單晶體和壓電陶瓷通常比壓電聚合物具有更好的壓電性能，但受外力作用時變形小而易斷裂，穩(wěn)定性較差。為綜合利用各種壓電材料的優(yōu)點，人們將多種壓電材料按照一定的方式進行復合，形成壓電復合材料。該種材料韌性好、密度低且易加工，在實際應用中最為廣泛。例如，Chang等[12]將鈦酸鋇晶體和M13病毒模板合成研發(fā)了一種柔性納米發(fā)電機，在3.5 Hz的頻率作用下獲得300 nA和6 V的輸出。

2 聲波聚焦技術

聲波聚焦的目的是使聲波能量在一定范圍內得以匯聚，其原理是通過反射或透射，使聲波在一定空間內形成高能量聚束區(qū)域，提高聲波在特定方向的傳播距離與強度。目前，實現(xiàn)聲波聚焦的方法主要有：聲透鏡聚焦法、超聲解調聲波定向法、多單元相干組陣法、電子相控陣聚焦法及幾何曲面反射法等[13-17]。表1對聲波聚焦常用的五種方法進行了簡要比較。

表1 常見的聲波聚焦方法比較

在聲能發(fā)電領域，2018年李志斌[18]采用旋轉式的拋物面反射罩設計了一種噪聲發(fā)電裝置，并對比分析了有無反射罩情形下裝置的性能。結果可得，安裝與未安裝反射罩的裝置的最大輸出功率分別為0.51 mW和0.31 mW，最大聲電轉換效率分別為5.1%和1.3%；相同負載條件下，無反射罩的噪聲發(fā)電裝置輸出電壓與功率都比有反射罩的小。由此可知，反射罩能有效匯聚環(huán)境中的噪聲能量。

目前，在聲能發(fā)電領域應用最廣泛的是幾何曲面反射法，即利用反射罩來實現(xiàn)聲波聚焦。相比起其他聲波聚焦方法(例如電子相控陣聚焦法和聲透鏡法等)，由反射罩組成的聚焦系統(tǒng)具有指向性好和穩(wěn)定性好等優(yōu)點，有望在國防軍工、農業(yè)、航天航空等領域得到廣泛應用。

3 聲能采集技術

在聲能利用研究中，利用材料進行聲能采集技術創(chuàng)新，是提高能量利用效率的重要手段，近年來受到廣泛關注。例如，2020年，金夢[19]提出了一種基于二維聲超構材料的超薄寬帶聲能采集結構。聲超構材料是一種具有周期性結構單元的人工微結構，通過參數(shù)的靈活設計，能產生許多性能優(yōu)于自然材料的結構。該研究通過將四個單元排列成混合模式的陣列，獨立調節(jié)每個單元的幾何參數(shù)，使它們的共振頻率產生差異，來拓寬吸聲頻帶。仿真結果表明，頻率在428 Hz～460 Hz時，能獲得5.4 μW～11 μW的輸出功率。由于環(huán)境中的聲能處于彌散狀態(tài)，能否高效吸收聲能是影響聲能發(fā)電裝置性能的重要因素。因此，聲能采集技術是聲能發(fā)電研究中的核心。

傳統(tǒng)的聲能采集大多基于壓電懸臂梁結構，如圖1所示。懸臂梁固定在基座上，末端固定一重物M作為振子來降低諧振頻率，以適應低頻工作環(huán)境。外界激勵的輸入使得振子往復振動，壓電層因形變在上下表面產生電位差。此后出現(xiàn)了許多相關研究，建立了復合型懸臂梁振子模型、利用外加磁力實現(xiàn)可調頻的采集器等[20-21]，但總體而言，基于懸臂梁結構的聲能采集器能量收集效率相對較低。

圖1 壓電懸臂梁聲能采集結構

為了提高輸出性能，人們對基于諧振器結構的聲能采集技術做了廣泛的研究。聲諧振器是一種具有共振行為的裝置，當入射聲波的頻率與聲諧振器固有頻率匹配時會發(fā)生共振現(xiàn)象，進而提高聲波振幅。聲諧振器一般有三種：亥姆霍茲諧振器、四分之一波諧振器和聲子晶體。文獻[22]詳細闡述了以上三種諧振器的工作原理和特點，此處不再贅述。以下主要對這三種聲諧振器在聲能采集技術研究中的應用進行綜述。

亥姆霍茲諧振器基于亥姆霍茲效應，可以周期性地放大入射聲波[23]。2013年，肖鵬等[24]對兩個亥姆霍茲諧振器進行了耦合處理，發(fā)現(xiàn)比單個諧振器的輸出功率提高了16倍。2019年,Iftikhar Ahmad等[25]利用聲能給無線分布式傳感器網(wǎng)絡供電，采用雙亥姆霍茲諧振器來進行聲能收集，結構如圖2所示。

圖2 雙亥姆霍茲諧振器

也有研究突破了傳統(tǒng)的亥姆霍茲諧振器設計思路，通過改變各項參數(shù)來探究最佳方案。2016年，F(xiàn)arid Khan等[26]提出了一種帶錐形腔的亥姆霍茲諧振器的聲能收集結構，如圖3所示。實驗數(shù)據(jù)表明通過改變諧振腔結構可以改善輸出性能。

圖3 錐形腔亥姆霍茲諧振器

四分之一波諧振器在亥姆霍茲諧振器的基礎上進行了優(yōu)化[27]，可以以較小的體積吸收聲能。2013年，Bin Li等[28]設計了一種四分之一波直管聲諧振器，通過內部所置的壓電懸臂梁實現(xiàn)聲電轉換。為改善一般裝置能量收集方向單一的缺點，2020年，Xincun Ji等[29]提出了一種四分之一球面雙亥姆霍茲聲能采集結構，如圖4所示。該結構由兩個頸部開口方向不同的四分之一球形亥姆霍茲諧振器組成，可以在兩個方向上采集聲能。同年，Pejman Eghbali等[30]提出了一種新的聲能收集方法，將矩形聲管作為四分之一波諧振器使用，并在入口處加上了輔助結構，如圖5所示，這種方法能實現(xiàn)對低頻聲能的有效收集。

圖4 球面雙亥姆霍茲諧振器

圖5 帶輔助結構的矩形聲管

聲子晶體的組成單元呈周期性排列，特殊的結構使其具有很強的調制、控制和操縱聲波的能力[31]。如果將點缺陷引入聲子晶體，會出現(xiàn)聲波局域化現(xiàn)象，即，缺陷中心及附近的聲能量密度增大，使得缺陷處的聲壓被放大，所以含點缺陷的聲子晶體可用于聲能采集。2009年，Wu等[32]應用聲子晶體研制了一種聲能采集器，在頻率為4.2 kHz、80 dB～100 dB聲壓激勵下，采集器的輸出功率可達37 nW左右。2015年，楊愛超[31]對聲子晶體諧振腔進行了深入的研究，提出了一種雙層、多層耦合聲子晶體諧振腔結構，如圖6所示。

圖6 多層耦合聲子晶體諧振腔結構

該研究將較小聲子晶體放置在較大聲子晶體的腔體中心位置，層層疊加，構造出雙層、多層耦合的新聲子晶體諧振腔CPCR。實驗中改變多個聲子晶體的散射體的大小及數(shù)目來進行對比實驗，結果表明，諧振腔的聲壓增益峰值與耦合層的數(shù)目呈正相關。這是因為諧振器之間的聲波耦合作用增強了整個結構的聲波局域化效應，在一定程度上提高了聲壓增益。

4 能量收集接口電路與儲能技術

經過換能元件得到的交流電流十分微弱，不具備直接供能的條件，需通過能量收集接口電路進行管理和調制，最后利用儲能元件將電能進行儲存。

4.1 能量收集接口電路

能量收集接口電路作為過渡結構，不僅會影響到能量收集電路整體的提取功率和轉換效率，而且會反向對壓電換能器的工作產生干擾，改變其原始機械運動。

常見的壓電能量收集接口電路有以下四種典型類型：標準能量收集電路(SHE)、串聯(lián)同步開關電感電路(S-SSHI)、并聯(lián)同步開關電感電路(P-SSHI)和同步電荷提取電路(SECE)。表2對該四種電路進行了簡要比較[33-36]。

表2 四種典型的壓電接口電路

針對四種經典接口電路所存在的問題，出現(xiàn)了多種經過優(yōu)化的接口電路[37-40]。人們通過改進電路開關的控制方式、降低二極管閾值電壓、組合已有接口電路等方式，開發(fā)出了性能更優(yōu)的接口電路。在所有的接口電路中，并聯(lián)同步開關電感電路和同步電荷提取電路因具有能量收集效率高等優(yōu)點得到了廣泛的應用。簡述如下：

(1)并聯(lián)同步開關電感電路

冷啟動問題一直是影響接口電路性能的重要因素之一，即當外界激勵偏低時，系統(tǒng)電路收集到的能量無法對電路正常供電。針對P-SSHI電路中的冷啟動問題，2020年唐鎖[41]和程波[42]分別提出了一種具有冷啟動功能的壓電能量收集系統(tǒng)。這些研究中，通過將分離電極與P-SSHI電路結合來提高開路電壓，從而解決系統(tǒng)的冷啟動問題。其次，如何降低整流過程中的電壓損耗也是電路研究的重要內容。2018年，劉簾曦等[43]將P-SSHI電路與降壓型DC-DC結合，提出了一種新型電路。為了降低損耗，用有源二極管取代了無源二極管，收集效率提高到了SEH的7倍。2019年，陳福[44]基于P-SSHI電路設計了一種低功耗的壓電接口電路，采用同步開關技術，對壓電元件的輸出進行整流。該電路收集效率是SEH電路的2.87倍且自耗低至10.6 pW。同年，秦剛[45]對電路的自適應性進行了研究，改善了電路的自適應性，提高了輸出性能。

(2)同步電荷提取電路

2013年Yipeng Wu等[46]提出了一種優(yōu)化的SECE電路，不僅結構簡單、能自供電，而且在很大的負載范圍內，收集功率都得到了提高。2014年，孟瑩梅等[47-48]提出了一種新型接口電路(SCEI)，收集功率約是SECE電路的1.5倍。2015年，該團隊又通過省去開關并聯(lián)支路的開關，用四個電子開關代替整流橋，將電路的最大輸出功率提高至SECE電路的3倍。2020年，周天爍[49]基于耦合電感設計了一種同步電荷提取和電壓翻轉接口電路，實現(xiàn)了開關能量自給，負載取用功率提高到SECE電路的1.76倍，但該電路的冷啟動功能仍存在不足。

4.2 儲能技術

早期，存儲電能主要采用電解電容方式[50-52]。但該方式能量密度相對較低，限制了儲能元件的輸出功率。2005年，Henry A等[53]對電容器和可充電電池(金屬氫化鎳)兩種儲能方式的效果進行了比較，發(fā)現(xiàn)可充電電池比電容器具有更理想的性能。2008年，Guan等[54]將可充電電池與超級電容的充放電效率作一對比，發(fā)現(xiàn)超級電容與可充電電池相比，具有小體積、大電容量、使用壽命長等優(yōu)點，但其能量密度很低，僅為可充電電池的1/10。

目前，通常用能量收集芯片來實現(xiàn)對電池的充電和管理。很多公司已經開發(fā)出了各種各樣的能量收集芯片。常用的芯片有BQ25504和LTC3330等。BQ25504芯片是可充電的，可供采集輸出為直流電壓的能量源的能量，能實現(xiàn)自啟動和自供能[55]。LTC3330芯片能收集來自多種能量源的能量，且能延長電池的使用壽命。其中，芯片主要使用二極管整流橋來處理壓電換能器輸出的電能。但是，二極管整流橋在一定程度上會抑制輸出功率的增長，同時這些芯片缺少了MPPT電路部分，這些外部缺陷導致壓電式能量收集率相對較低[56]。

5 總結與展望

聲能廣泛存在于自然界中，當聲能密度較大時就成為一種具有相當利用價值的能源。聲能發(fā)電技術是將聲能變?yōu)殡娔芤源藢崿F(xiàn)對該能源的利用，在復雜環(huán)境下可以取代傳統(tǒng)的電池為低能耗獨立工作的微型器件或系統(tǒng)供電，應用前景十分廣闊。目前，國內外的聲能發(fā)電技術尚處于研究階段。近些年來，隨著微能源供給難題的研究深入，聲能發(fā)電技術取得了快速發(fā)展，其中基于壓電材料換能的壓電式聲能發(fā)電技術是該領域的研究熱點。在壓電材料、聲波聚焦技術、聲能采集技術及儲能技術等方面出現(xiàn)了許多新成果，為進一步提高聲能發(fā)電水平提供了理論與技術支撐。但目前聲能發(fā)電技術仍存在許多難點尚未解決，如裝置的聲能收集效率較低、吸聲頻帶較窄、集成化水平較低等問題。未來，對聲能發(fā)電技術研究可以重點考慮如下幾個方面：其一、通過對現(xiàn)有材料進行處理或研制新型高性能的材料，以提高裝置的換能效率；其二、通過改進聲能收集結構及裝置整體結構的設計，以適應不同聲源特點，實現(xiàn)多方向和寬頻帶吸聲；其三、不斷完善加工工藝，提高聲能發(fā)電裝置的集成化水平。