在过去二十年里,随着无线传感技术和低功耗电子设备的发展,利用能量收集装置从环境中收集能量给无线传感节点或低功耗电子设备供电已经成为可能。目前,在已有的几类能量回收技术中,基于压电材料的振动能量回收技术具有结构简单、能量密度高、易于集成等优点,已得到广泛的研究和应用。本文主要针对提高压电能量回收装置在低频振动能量回收和宽带频率响应特性两个方面的性能,设计并验证了多种针对具体应用的新型压电能量回收装置。并对压电发电机进行了理论分析、有限元仿真、实验测试以及性能优化等研究。本文的具体研究内容包括:1.针对次声频率(<20 Hz)振动环境,设计了一个可以收集次声频率振动能量的单摆压电发电机,该发电机利用一个简单物理单摆结构来吸收次声振动能量,然后再利用单摆冲击两个压电悬臂梁发电。结合压电本构方程和结构振动的基本理论,简要分析了压电悬臂梁结构参数对发电机性能的影响。建立了一个包括冲击、振动、压电和电路多物理场耦合的有限元模型,利用该模型对发电机进行了仿真研究。最后,对该单摆压电发电机样机地发电性能进行了实验测试。2.基于声学人工超材料原理,设计宽带发电机收集固体中弹性波能量。提出椭圆型和圆型两种声学围栏结构,并基于两种声学围栏结构设计宽带压电发电机来收集薄板内传播的兰姆波能量。利用弹性动力学理论,对存在声学围栏时,薄板内兰姆波的传播进行了简要分析,并利用有限元法和实验对该类型发电机进行了测试和研究。其次,提出基于薄板声子晶体结构设计的兰姆波压电发电机。利用固体能带理论,分析了结构参数对该声子晶体带隙的影响,并对发电机的输出性能进行了样机测试。3.基于声学人工超材料原理,设计宽带发电机收集空气中声波的能量。提出了一种基于反射声栅结构和压电材料设计的宽带声能发电机。利用平面波展开法,对反射声栅的声学特性进行了理论分析和数值计算,研究了反射声栅中产生亚波长类法布里-帕罗谐振效应的物理机制及结构参数对谐振频率的影响。并基于反射声栅结构设计了一种可以工作在亚波长尺度范围内的声能发电机,对该发电机进行了实验和理论研究。最后,对发电机结构参数进行了优化计算,改进了声栅结构,增加了发电机工作带宽。4.为提高发电机的能量存储效率,研究了交流压电发电机经标准全波整流电路给储能电容充电时,在给定充电时间条件下储能电容的最优值问题,以及该最优储能电容值与压电发电机等效电路参数的关系。利用PSPICE电路仿真软件和等效电路法对上述问题进行了仿真分析和研究,并通过实验进行了验证。