随着传统石化资源的枯竭和新型清洁能源的不断发展,近年来关于能源利用的研究更多地集中在收集环境中可用的潜在能量,包括机械能、太阳能、热能、潮汐能、生物质能和声能等。与其他能源相比,声能分布广泛,例如隧道、铁路、机场、高速公路、大型购物中心、工厂等环境中都存在大量的噪声。日常生活中,高分贝的噪声会对人们的日常生活和身体健康产生影响,因此,噪声的控制和声能的收集与利用就显得尤为重要。此外,与光能、热能和太阳能等新型清洁能源不同,声能不受地点、天气等自然条件的限制,因此利用声电换能系统将声能直接转换成电能,用于低功率微型电子设备供电具有广阔的应用前景。为了有效地收集环境中存在的噪声,本文提出了一种声电换能系统,该系统由耦合型Helmholtz谐振腔单元组成。压电复合片粘附在两个耦合腔之间的壁上,利用压电材料的正压电效应可以将声能转化为电能。论文的主要研究内容和创新点如下:1.利用等效电路理论和声学基础的相关知识,结合压电材料的压电特性,设计了两种新型的基于耦合型Helmholtz谐振腔单元的声能收集结构,一种是在腔内设有延长颈的耦合型Helmholtz谐振腔结构,一种是底部设有倾角的耦合型Helmholtz谐振腔结构。2.建立了两种新型的耦合型Helmholtz谐振腔声能收集系统的有限元模型,对腔内的声压分布进行了深入的分析,比较了在相同体积条件下,腔内设有延长颈的和底部设有倾角的耦合型Helmholtz谐振腔结构与平底的耦合型Helmholtz谐振腔结构的声压分布情况以及发电特性。同时,采用控制变量法,改变腔内延长颈、底部倾斜角以及压电振子的几何参数,研究了这些几何参数对声能收集器输出电压的影响。仿真研究结果表明,内设延长颈可以调节耦合型Helmholtz谐振腔的谐振频率,提高输出电压。底部具有倾斜角的耦合型Helmholtz谐振腔,相邻的两腔声压相位完全相反,粘接在两腔之间侧壁上的压电复合片同时受到两侧相反声压引起的推拉力共同作用,相较于底部没有倾角的平底耦合Helmholtz谐振腔,底部具有倾角的耦合Helmholtz谐振腔中的声反射效应使得压电振子附近具有较大的声压密度,产生了较高的输出电压。3.制作了底部具有倾角的耦合型Helmholtz谐振腔声能收集器和底部没有倾角的耦合型Helmholtz谐振腔声能收集器的实物模型,利用阻抗分析仪和驻波管对声能收集系统的发电性能进行了实验测试,并将实验测试结果与有限元仿真结果进行了对比。结果表明,实验测试结果与有限元仿真结果基本一致。在耦合型Helmholtz谐振腔底部设置倾斜角能增大压电振子附近的声压,从而提高声能收集器的输出电压,解决压电式声能收集装置在工作时效率较低的问题。