声电转换装置设计与实现

声电转换装置设计实现

[摘要] 声音是以声波的形式在媒质中传播的，所以声音中蕴含着振动能量。本文的目的是研究声电转换装置，将外界噪声转换成电能，并储存起来加以利用。首先理论上阐述声音能量及声电转换器件的原理，通过大量对比实验研究其特性。然后根据应用场景选择合适的器件，设计电路并实现了声电转换装置。实验结果证明该装置可以采集声音，转换得到3.29V的充电电压和5.01mA的充电电流，满足正常充电的要求。

[关键字]声音能量 机械能 声电转换

目录

引言 (1)

第1章 声音的特性 (2)

1.1声音的特性 (2)

1.2声音具有能量 (2)

1.2.1声音能量的衡量 (2)

1.3声音能量中的噪声问题 (3)

1.3.1噪声的来源 (3)

1.3.2噪声的危害 (4)

1.3.3噪声的能量 (4)

1.4 本章小结 (4)

第2章 声电转换 (5)

2.1声电转换材料 (5)

2.1.1概述 (5)

2.1.2声电转换材料的分类 (5)

2.1.3声电转换材料的选择 (6)

2.1.4压电型声电转换材料 (6)

2.2声电转换方案 (8)

2.2.1设计方案 (8)

2.2.2设计方案的选择 (10)

2.3 本章小结 (10)

第3章 声电转换装置的仿真与调试 (12)

3.1声电转换装置的仿真 (12)

3.1.1 LTC3588-1简介 (12)

3.1.2能量收集电路仿真 (13)

3.1.3电池充电电路的仿真 (14)

3.2声电转换的调试 (15)

3.2.1压电薄膜的测试 (15)

3.2.2 压电薄膜能量收集电路的调试 (16)

3.2.3 压电薄膜能量收集电路结果分析 (20)

3.2.3 蜂鸣器能量收集装置调试 (21)

3.3电池充电装置的调试 (25)

3.4本章小结 (29)

第4章 声电转换装置的改进和应用 (30)

4.1 声电转换装置的改进 (30)

4.1.1 持续充电的改进 (30)

4.1.2 充电时间长的改进 (31)

4.2声电转换装置的应用 (31)

4.3本章小结 (32)

结论 (33)

致谢语 .................................................. 错误！未定义书签。参考文献 . (35)

附录 (36)

引言

过去的几年中，人们把研究的目光越来越多地集中在利用环境中的能源来发电，其研究成果主要是对环境中的光能、热能和声能的利用研究。声能作为一种潜在的能源，有广阔的发展前景。而声能中的噪声又是一种对人们生活和健康有相当大危害的声源，且噪声的来源非常广泛，比较常见的噪声源有机器噪声、交通噪声、风扇噪声和排气噪声等。但噪声也是一种具有相当能量值的潜在能源。例如噪声达到160dB 的喷气式飞机，其声功率约为10kW；噪声达到140dB 的大型鼓风机，其声功率约为100W；其他各种情况如汽车、音响等声源产生的噪声也具有很大的能量值[1]。

为了将这部分能量回收利用，我们可以采用声电转换装置，将环境中的声能转化为电能，这样不仅可以有效地降低环境中的噪声，起到保护环境的作用，而且还可以变噪声污染为有益资源加以利用，解决能源问题。

本论文主要围绕将道路上的噪声经过声电转换装置转换为我们所需的电能，再对电池充电的研究，主要由两个模块组成：第一个模块是通过声电转换器件将道路噪声转换成尽可能大的电压或电流，然后经过专业的能量收集芯片LTC3588-1把能量收集起来，输出3.3V的直流电压。第二个模块是利用LTC3588-1电路输出的3.3V直流电压为电池充电，此模块包括了指示电路，电池电量未充满时，指示灯亮；充电完成后，指示灯灭。

论文主要结构如下：第1章介绍声音的特性、能量，以及噪声的危害和能量。第2章介绍声电转换原理，声电转换材料的对比选择，声电转换方案的选择。第3章主要是介绍对LTC3588-1电路的仿真与调试以及电池充电部分的仿真与调试。第4章则介绍对装置的改进和应用前景。最后给出全文结论，并对未来的研究工作做进一步展望。

第1章 声音的特性

声音是由物体振动发生的,正在发声的物体叫做声源。它表达了物体的振动，当声音传递到人耳引起耳鼓膜振动时，我们可以感觉到声音，它是一种看不到、摸不着的声波，所以声音是具有能量的。声音的能量是以声波的形式在媒质中传播，一方面使媒质质点在平衡位子附近往复运动、产生动能。另一方面又使媒质产生压缩和膨胀，生成的压缩和膨胀的疏密过程，使媒质具有形变的势能。

1.1声音的特性

1、响度：人主观上感觉声音的大小（俗称音量），由“振幅”和人离声源的距离决定，振幅越大响度越大，人和声源的距离越近，响度越大（单位：分贝dB）。

2、音调：声音音调的高低由“频率”决定，频率越高音调越高（频率单位Hz，人耳听觉范围20～20000Hz。 20Hz以下称为次声波，20000Hz以上称为超声波）。

3、音色：声音的特性，由发声物体本身材料、结构决定。又称音品。

4、乐音：有规则的让人愉悦的声音。

5、噪音：从物理学的角度看，由发声体作无规则振动时发出的声音；从环境保护角度看，凡是干扰人们正常工作、学习和休息的声音，以及对人们要听的声音起干扰作用的声音。

1.2声音具有能量

1.2.1声音能量的衡量

1.3声音能量中的噪声问题

人类的生活与声音有着十分密切的关系。人们利用声音进行交流、表达感情以及开展各种活动。但有些声音也会给人类带来危害。例如震耳欲聋的机器声、呼啸而过的飞机声、尖锐刺耳的喇叭声等等。像这种人们不需要的和讨厌的声音称之为噪声。从物理学观点来看，声波的频率和强弱变化毫无规律、杂乱无章的声音就是噪声，噪声是声波的一种，具有声波的一切特征。

1.3.1噪声的来源

噪声的来源主要有三种，它们是交通噪声、工业噪声和生活噪声。

1、交通噪声

交通噪声主要是由交通工具在运行时发出来的。如汽车、飞机、火车等都是交通噪声源。调查表明，机动车辆噪声占城市交通噪声的85%。车辆噪声的传播与道路的多少及交通量度大小有密切关系。在通路狭窄、两旁高层建筑物栉比的城市中，噪声来回反射，显得更加吵闹。同样的噪声源在街道上较空旷地上，听起来要大5-10分贝。在机动车辆中，载重汽车、公共汽车等重型车辆的噪声在89-92分贝，而轿车、吉普车等轻型车辆噪声约有82-85分贝，以上声级均为距车7.5米处测量。汽车速度与噪声大小也有较大关系，车速越快，噪声越大，车速提高1倍，噪声增加6-10分贝。

2、工业噪声

工业噪声主要来自生产和各种工作过程中机械振动、摩擦、撞击以及气流扰动而产生的声音。城市中各种工厂的生产运转以及市政和建筑施工所造成的噪声振动，其影响虽然不及交通运输广，但局部地区的污染却比交通运输严重得多。因此，这些噪声振动对周围环境的影响也是很大的。

3、生活噪声

生活噪声主要指街道和建筑物内部各种生活设施、人群活动等产生的声音。如在居室中，儿童哭闹，大声播放收音机、电视和音响设备；户外或街道人声喧哗，宣传或做广告用高音喇叭等。这些噪声又可以分为居室噪声和公共场所噪声两类，它们一般在80