随着科学技术的发展,人类社会对能源的需求日趋增加,能源短缺和能源使用所带来的环境污染已成为人们必须面对的难题,因此,对于绿色清洁能源的利用开始被世界各国所关注,其中被广泛运用的绿色能源有太阳能、风能、潮汐能、波浪能等。机械振动是一种在自然界和日常生活中常见的物理现象,比如汽车行驶过的路面的振动,火车和地铁运行时铁轨的振动,以及道路边的建筑物也有微弱的振动,作为一种绿色能源形式,机械振动能的能量密度较高,其潜在的能量价值已引起科研人员的关注。为了实现对低频振动能量的收集和利用,并实现较宽频率范围内的机电能量转换,本文设计了一种双矩形螺旋状结构的压电俘能器,该俘能器具有较低的模态频率,在低频范围内模态频率分布集中,可以实现宽频发电的效果。首先,通过理论分析和有限元仿真对双矩形螺旋状多自由度压电俘能器的发电性能进行研究。建立了压电悬臂梁机电耦合模型和压电俘能器系统振动模型,并进行模态仿真,分析压电俘能器前五阶模态振型,验证理论结果合理性。利用有限元仿真软件,分别对双矩形螺旋状多自由度压电俘能器、T形梁压电俘能器、单悬臂梁压电俘能器进行了仿真,探究了压电梁长度及其宽度、金属基片厚度、压电陶瓷片厚度、金属块厚度、压电梁数量对三种压电俘能器各自发电性能的影响。确定了压电片能产生较高的开路电压的三种压电俘能器结构参数,并对具有此结构参数的三种压电俘能器进行模态仿真,分析各阶模态频率及其模态振型。其次,通过实验实际验证双矩形螺旋状多自由度压电俘能器的发电效果。搭建了实验平台,根据仿真确定的结构参数制作了双矩形螺旋状压电俘能器、T形梁压电俘能器和单悬臂梁压电俘能器的实验样机。在2g的激励强度下对三种压电俘能器的发电性能进行了实验,研究不同频率下各压电俘能器每片压电片的开路电压;制作了并联、串联两种标准能量提取电路,研究了压电片串、并联情况下各压电俘能器的输出性能,接入阻值不同的负载研究三种俘能器的最佳匹配阻抗,分析三种压电俘能器的输出电压、输出功率与振动频率的关系。实验结果表明:在2g的激励强度下,双矩形螺旋状多自由度压电俘能器最大的输出功率8.01m W;T形梁压电俘能器最大的输出功率0.15m W;单悬臂梁压电俘能器电最大的输出功率0.053m W。双矩形螺旋状多自由度压电俘能器模态频率分布集中,较优的工作频带为4-18Hz,该频率段内的峰值输出功率均大于4m W,输出功率大于0.1m W的频率段覆盖上述工作频带的33.6%,具有较好的宽频发电性能;T形梁压电俘能器模态频率分布相对分散,具有一定的宽频发电能力,但发电效果远不及双矩形螺旋状多自由度压电俘能器;单悬臂梁压电俘能器在低频范围内只有一个模态频率,且输出功率较低,不适合宽频发电。