具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明。

如图1所示，一种基于频率自适应的噪声发电系统，包括：霍尔姆兹腔体1、频率自适应装置2、压电式声电换能器3、机械能-电能转换装置、储能电池组4、位移传感器5、执行机21；所述霍尔姆兹腔体1内表面安装有N个压电式声电换能器3，N个压电式声电换能器3并联后与储能电池组4电连接；霍尔姆兹腔体1的颈口上安装有位移传感器5和执行机构21，频率自适应装置安装在霍尔姆兹腔体内，位移传感器5和执行机构21分别与频率自适应装置电连接；机械能-电能转换装置的一端连接霍尔姆兹腔体1，机械能-电能转换装置的另一端连接储能电池组4。

所述位移传感器用于实时检测霍尔姆兹腔体颈口长度的实际值L；

所述频率自适应装置用于根据外界输入噪声的频率f以及霍尔姆兹腔体颈口长度的实际值L，通过自适应控制输出霍尔姆兹腔体颈口长度的期望值L₀；

所述执行机构用于根据期望值L₀实时调节霍尔姆兹腔体颈口的长度；

所述压电式声电换能器用于将噪声信号转换为电能，并将电能传输给储能电池组；

所述机械能-电能转换装置用于将霍尔姆兹腔体振动产生的机械能转换为电能，并将电能传输给储能电池组；

所述储能电池组用于存储电能。

所述机械能-电能转换装置包括圆柱腔体6、移动活塞7、弹簧振子8、静电式压电薄膜I9、静电式压电薄膜II10、绝缘腔体11；所述霍尔姆兹腔体1圆弧面的底端开有端口并连通圆柱腔体6，移动活塞7安装在圆柱腔体6内，静电式压电薄膜I9、静电式压电薄膜II10平行安装在绝缘壳体内，可移动的静电式压电薄膜I9与移动活塞7相连，固定在绝缘壳体内的静电式压电薄膜II10与储能电池组4电连接。

所述频率自适应装置包括声电转换装置12、A/D转换模块13、微处理器14；所述A/D转换模块13的一端与声电转换装置12电连接，A/D转换模块13的另一端与微处理器14电连接；

所述声电转换装置用于将噪声信号转换为电信号；

所述A/D转换模块用于将模拟量的电信号转换为数字量，并传输给微处理器；

所述微处理器用于将接收到的数字量信号经过傅里叶变换得到能量最大对应的的共振频率，利用PID控制器自适应控制颈口的长度使得霍尔姆兹腔体与噪声形成共振。

当所述噪声发电系统控制负载时，还包括稳压电路15、电池充电控制芯片16、分布式主动均衡控制器17、负载18；所述稳压电路15的输入端连接静电式压电薄膜II10，负载18和电池充电控制芯片16的输入端并联后接入稳压电路15的输出端，分布式主动均衡控制器17的输出端连接负载18；

所述稳压电路用于将接收到的电压调节到负载所需要的工作电压；

所述电池充电控制芯片用于控制储能电池组的充电状态；

所述分布式主动均衡控制器用于控制储能电池组的放电状态。

所述微处理器还用于生成控制电池充电控制芯片、分布式主动均衡控制器工作的控制规则，所述控制规则表述为：

计算负载的额定电压U₀与实际工作电压U的差值e，即e＝U-U₀；

当e>0、时，控制电池充电控制芯片对储能电池组进行充电；

当e>0、时，控制电池充电控制芯片与储能电池组处于断路状态；

当e<0、时，控制电池充电控制芯片与储能电池组处于断路状态；

当e<0、时，控制分布式主动均衡控制器使储能电池组处于放电状态；

当e＝0、时，控制分布式主动均衡控制器使储能电池组处于断路状态。

所述微处理器还用于生成控制分布式主动均衡控制器工作的工作模式；所述工作模式包括直通模式、Boost升压模式、Buck降压模式、容错模式；

当且|U_load-U_BAT|<ε时，控制分布式主动均衡控制器处于直通模式，其中，U_max为储能电池组中的最大单体电压，U_min为储能电池组中的最小单体电压，为设定的电压阈值，U_load为负载的工作电压，U_BAT为储能电池组的输出电压，ε为设定阈值；

当且U_load>U_BAT+ε时，控制分布式主动均衡控制器处于Boost升压模式；

当且U_load<U_BAT-ε时，控制分布式主动均衡控制器处于Buck降压模式；

当时，控制分布式主动均衡控制器处于容错模式。

本实施方式中各元器件的具体型号为：压电式声电换能器为PZT-5H压电陶瓷片，位移传感器为GEERT-HM-A2，静电式压电薄膜材质为聚偏氟乙烯，声电转换装置为驻极体麦克风 52DB-9*7mm，A/D转换模块为MAX197，微处理器为PDSP16510，电池充电控制芯片为CN3717，执行机构为直流电机JGB37-520。其中，压电式声电换能器并联的等效电路图如图3所示；电池充电控制芯片与储能电池的接线原理图如图4所示；分布式主动均衡控制器的接线原理图如图5所示；不同稳压电路的接线原理图如图6所示；静电式压电薄膜电容片正极与LM2596的Vin端子相连，电容负极片与LM2596的GND端子相连，LM2596的输出端子Vout与CN3717 15号引脚VCC相连，LM2596的GND与CN3717芯片的3号引脚GND 相连；同时稳压电路的Vout，GND直接接负载，CN3717芯片的BAT处与电池组正负极分别相连，储能电池的正负极同时接入分布式主动均衡控制器，电池组的正负极与BAT正负极对应相连，分布式主动均衡控制器的负载输出端口与负载端口L₊、L_-直接相连。

工作原理如下：位移传感器放置在霍尔姆兹腔体颈口处，霍尔姆兹腔体内表面放置PZT-5H 压电陶瓷阵列，占据腔体内表面90％的表面积，外接频率自适应装置，可根据外界输入噪声频率的不同来调节颈口长度，弹簧振子与静电式压电薄膜相连，最后将产生的电能经CN3717 芯片存储到储能电池中，采用霍尔姆兹共鸣式噪声收集装置来收集噪声，该装置由抛物面型塑料壳组成，使其可以收集到尽可能多的噪声，同时对声波进行声学聚焦，对噪声进行滤波，实现最大化的有效利用。其焦距为5cm，深度为20cm，口径为40cm。在内表面涂敷丙烯酸乳液涂料以增加反射能力。将噪声有效收集利用，霍尔姆兹腔体大的开口与前述抛物面型塑料壳相接，小的开口作为输出与后续弹簧机械振子相连，同时将声能放大，便于为后续的系统提供尽可能多的能量来源，使得最后输出的能量更多，达到提高效率的效果。

当该装置用于公路附近时，经相关研究发现，公共交通的噪声频率主要集中在500HZ左右，所以设置霍尔姆兹腔体初始状态的固有频率为500HZ，从而实现噪声输入频率与腔体的共振频率一致，最大化的利用噪声，提高利用率；而当该装置用于其他场合时，如机械工产附近，输入噪声频率会改变，这时可以安装上PDSP处理器，首先由驻极体麦克风将声信号转换为电信号，当有噪声输入时，就会引起驻极体的薄膜振动产生位移，使得电容之间的距离就会改变，所以电容值就变化，但其容纳的电荷不变，即Q不变，而Q＝CU，所以就会引起电容两端的电压改变，就输出电信号，再将电信号放大，就实现了声电转换的功能；再用MAX197芯片对电压采样，基于PDSP16510芯片作傅里叶变换(简称FFT)频谱分析，基于PID控制器来动态调节颈口长度，与输入频率匹配，产生更大的能量。由于使用PDSP16510芯片会涉及到数学运算，消耗电能，所以这种可装卸的设置使得实用性更强，在大多数时候不用PDSP16510处理器处理，而在特定情况下才使用PDSP16510进行计算。

在霍尔姆兹腔体内部贴上50块PZT-5H材质的压电陶瓷片，每块压电陶瓷片长60mm，宽30mm，高0.2mm，密度为7500kg/m³，压电应变常数为2.7×10^-10C/N，弹性模量为 7.5×10¹⁰Pa。每块压电陶瓷片可等效为一个电荷源和一个极间电容并联，当有声源输入时，就会在两侧产生电压，但是由于噪声的输入没有规律，时大时小，所以加一个桥式整流电路，使其变成直流电，然后用一个超级电容将电能存储起来，但是由于输出的电流较低，将所有的压电陶瓷并联起来以提高输出电流，增强驱动能力，其等效电路图如图3所示。

在霍尔姆兹共鸣腔体的尾部内放置弹簧振子，振子另一端连接聚偏氟乙烯静电式压电薄膜，使其在有声能输入的情况下，引起弹簧振子来回振动，使得压电薄膜随其移动，从而达到产生电荷的功能。采用聚偏氟乙烯的静电式声电换能器，表层周围是绝缘材料，一块压电薄膜与上述弹簧机械振子相连，另一块压电薄膜置于表层壳体内部，两块压电薄膜分别引出两根导线作为电能输出。

将上述输出电能的两根导线与电池控制器连接，电池控制器控制CN3717芯片的使能和分布式主动均衡控制器的工作模式，使整个系统稳定安全，延长电池的使用寿命，提高对噪声的利用率。

CN3713的连接电路图如图4所示，CN3713芯片的控制充电过程如下：

1)涓流充电模式

当VCC管脚电压大于低压锁存阈值4.2V，并且大于电池电压时，就对电池充电。电池电压低于过充电电压的75.6％，此时就进入涓流充电模式，充电电流为恒流充电的19％。其中过充电电压为I_B为FB管脚的偏置电流，恒流充电大小为：

2)恒流充电模式

当电池电压大于过充电电压的75.6％时，进入恒流充电模式，电流大小为

3)过充电模式

当电池电压接近过充电电压时，进入过充电模式，此时充电电流逐渐减小。

4)浮充电模式

当过充电模式下的电流逐渐减小至过充电的结束电流时，进入浮充电模式，此时漏极开路输出管脚内部的晶体管关断，输出为高阻态，引脚内部晶体管导通，输出为低电平，指示浮充电状态。其中过充电的结束电流为：

5)自动再充电

当电池电压降低到过充电电压的82.2％时，转到涓流充电模式.

为了防止电池的温度过高，在芯片的TEMP引脚与地之间连接负温度系数的热敏电阻，在温度过高时中断充电过程来保护电池。CN3717芯片是铅酸电池充电管理专用集成电路，独立地对铅酸电池进行自动管理，具有较宽的输入电压范围，输入可在7.5V至28V之间，且可检测电池温度，防止电池温度过高降低寿命。在TEMP引脚与地之间接一个负温度系数的热敏电阻，当电池的温度过高时，片外的P沟道MOS场效应晶体管被自动关断，就会切断充电电路，直到电池温度回复正常范围才开始充电。TEMP引脚的电压范围是175mV～1600mV，对应电池温度的最大值和最小值，如此便可对电池充电时的温度进行检测，达到保护电池的作用。

分布式主动均衡控制器将电池组和负载相连，电路图如图5所示，其工作模式受电池控制器控制，有4种工作模式，具体如下：

模式1：直通模式

电池组内的最大单体电压与最小单体电压的差值小于0.5V时，电池组的一致性较好，无需对电池作均衡管理，D₂、D₃断开，D₁、D₄闭合，电池直接与母线上的负载相通。

模式2：Boost升压模式

当负载功率较大，负载所需母线电压高于电池组电压时，此时D₂断开，D₁闭合，D₃、D₄交替闭合，使其处于Boost升压模式，设D₃的占空比为α，则电池给负载供电并升高母线的电压，平衡负载。

模式3：Buck降压模式

当负载功率较小，负载所需母线电压低于电池组电压时，此时D₄处于闭合状态，D₃处于断开状态，D₁、D₂交替工作，使其处于Buck降压模式，设D₁的占空比为α，则电池给负载供电并降低母线的电压。

模式4：容错模式

当母线电压正负波动较小时，为了避免电池组处于频繁充放电状态，延长电池的使用寿命，将电池组从电路中断开，使其不接入电路，这时D₁、D₂断开，D₃、D₄闭合，电池与母线负载不存在电气连接。

分布式主动均衡控制器将系统分为5种工作模式，设用户设置的母线电压为U₀，U₀可取值为3.3V、5V、12V，采样得到的实际母线电压为U，所以电压误差 e＝U-U₀，根据电压误差e、的值电池控制器输出不同的控制信号，具体控制对应关系如表1所示。

表1分布式主动均衡控制器的控制策略对应关系表

如图2所示，一种采用基于频率自适应的噪声发电系统的自适应控制方法，包括：

步骤1：将声电转换装置采集到的声音信号通过A/D转换模块转换为电信号，并将模拟量的电信号转换为数字量；

步骤2：利用傅里叶变换计算声音频率中能量最大对应的信号频率值作为与霍尔姆兹腔体形成的共振频率f₀；

步骤3：根据霍尔姆兹腔体的共振频率计算公式，计算得到共振频率f₀对应的颈口长度的期望值L₀；所述霍尔姆兹腔体的共振频率计算公式为：

式中，f为腔体的共振频率，c为声速，S为颈口的横截面积，L为颈口的有效长度，V为腔体的有效体积；

步骤4：通过位移传感器实时采集霍尔姆兹腔体颈口长度的实际值L，并传输给微处理器；

步骤5：将期望值L₀与实际值L的差值作为PID控制器的输入，通过PID控制器实时输出长度值的调节值；即差值e(t)表示为：

步骤6：根据长度值的调节值控制执行机构自适应调节颈口的长度。

本发明采用抛物面型霍尔姆兹腔体作为噪声的收集装置，具有较好的聚焦效果，指向性好，发散声线较少，对噪声的汇聚作用较显著。基于声波聚焦的方法得出抛物面型噪声收集装置的口径选取为0.4m，深焦比焦距z_F＝5.0cm，深度d＝0.2m,口径为0.4m，可以达到良好的噪声收集效果。

当有声源输入时，在抛物面型霍尔姆兹腔体内就会有效收集到噪声，而且在内表面涂敷了丙烯酸材料的反射涂料，增强了声源的反射效果，使得位于其内的压电陶瓷片组产生电压，当有外力F施加在单个压电陶瓷片上时，在陶瓷片的两极就会形成电势差U，g 为压电陶瓷片的电场应力系数，h为压电陶瓷片的厚度，S为压电陶瓷片的有效受力面积。设压电材料的等效极间电容为C_in，所以产生的电荷为：Q＝UC_in，所以Q＝gFεε₀，其中ε为压电陶瓷片的介电常数，ε₀为真空介电常数。这里选用的压电陶瓷片长60mm，宽 30mm，高0.2mm，密度为7500kg/m³，压电应变常数为2.7×10^-10C/N，弹性模量为7.5×10¹⁰Pa。所有的压电陶瓷片组进行并联以提高输出电流，现以两个并联来分析，如图3所示。假设这两块压电陶瓷片的输出电压分别为U_in1和U_in2，超级电容C_s端的电压为当时，则二极管D₁₂、D₁₃、D₂₂、D₂₃导通；当时，则二极管D₁₁、D₁₄、D₂₂、D₂₃导通；当时，二极管D₁₂、D₁₃、D₂₁、D₂₄导通，此三种情况均给超级电容充电，而当时，8个二极管均截止。同理。将所有的压电陶瓷片并联起来后，可计算出电压之间的关系。设电阻两端的电压为U_r，第i 块压电陶瓷片的电荷为Q_i，等效极间电容为C_i，经过整流电路后输出电流是I_i，有：由此就可算出可得到的电量。

根据霍尔姆兹腔体的共振频率计算公式，f为腔体的共振频率，c是声速，取340m/s，S是颈口的横截面积，L是颈口的有效长度，V是腔体的有效体积，所以根据计算公式改变颈口的有效长度或腔体的有效体积就可以改变共振频率，使得腔体得共振频率与输入得最大频率对应，达到共振放大信号的效果。具体实现是由驻极体麦克风将声信号转换为电压信号，通过MAX197芯片进行采样，该芯片支持8路AD装换，用单一DC5V电源即可，转换速度快，功耗小，其电源供电由LM2596稳压芯片提供，电路连接图如图6所示；再将转换后的数字量输入给PDSP16510芯片作FFT运算，PDSP支持1024个点、256个点等多种方式的FFT计算，且计算速度快，能在微秒级别内计算出来结果，是专用的FFT计算处理芯片，该芯片使用DC5V供电，也由电池组经过LM2596稳压芯片供电，得出输入中携带最大能量成分对应的频率；再通过PID控制器调节颈口的长度，其中PID计算公式为：其中，f即是FFT算出来的最大能量对应的频率，c_(t)是由位移传感器测出的颈口长度，如此便可构成闭环控制系统，实现共振频率可调的噪声发电系统。其中参数K_p是比例调节参数，用于快速调节颈口的长度，参数T_I是积分调节参数，用于减小稳态误差，参数T_D是微分调节参数，用于加快调节速度。考虑到噪声输入也是实时变化的，所以每5分钟重新计算f，防止输入噪声对应的最大频率改变，最后使得腔体的共振频率与之对应。其控制流程图如图2所示。

其次，在霍尔姆兹腔体的尾部连有弹簧振子，所以会带动弹簧振子移动，弹簧振子的另一端连着聚偏氟乙烯材料的压电薄膜片，在装置底部固定了另一块聚偏氟乙烯压电式薄膜，这两块压电式薄膜形成一对电容，在弹簧振子的移动过程中，由于极间电容的大小会改变，所以在两块压电式薄膜上产生电荷；而有了弹簧振子的引入，使得弹簧振子振动时会有反弹的效果，这样就可以产生交流电，从两块压电式薄膜表面引出两根导线作为能量输入的正极于负极，输入给后续的储能转置。

静电式声电换能器可等效为一个交流电源和一个电容器并联，当有压力作用在其表面时，压电薄膜片就会产生相应的电荷，当压力撤销后，其表面的电荷就会消失，所以为了存储电荷，本发明还需外接也该大的电容来存储。当外力F作用在压电材料的表面时，产生的电荷为：Q＝g₃₃FS_p，g₃₃为压电材料的电场应力常数，S_p为压电材料的等效受力面积，单位为平方米，本发明选取的聚偏氟乙烯的电场应力系数为：174×10^-3Vom·N^-1，所以相同的外力F 会产生更多的电荷。产生的电荷就会形成电压，其大小为单位为伏特，C_p是压电材料极间电容，而由于本发明这里有了前述的电压输入，就可以给储能装置进行充电，这里选用超级电容作为一级存电装置，铅蓄电池作为最终能量存储装置，但是由于噪声是无规律的输入，而且时大时小，这就对充电设备而言有要求，本发明采用专用充电芯片CN3717 来控制，其电路原理图如图4所示，用户可以通过观察指示灯的颜色来得知充电设备的所处工作状态，当正在给蓄电池充电时红灯亮起，充满电时绿灯亮起，而无输入时两个指示灯均不亮，该芯片还可以检测电池的温度，防止电池发热减短寿命。

将能量存储起来后，需要输出给用户使用时，用户需要稳定的电压输出，本发明这里使用了稳压芯片LM2596，其稳压输出支持DC3.3V、DC12V和DC1.2-35V可调电压等稳压输出，可以通过调节输出端来控制输出电压，操作简单，其硬件连接图如图6所示。最后本发明提供了不同的输出接口来给用户提供不同的输出电压，方便用户的不同设备使用。

将该装置置于一般的生活环境中，如公路旁，商场等，由于这是大众的环境，据相关研究表明，此时的噪声主要集中在500HZ左右，因此可将颈口长度手动调节为20cm，而不连接频率自适应装置，因为频率自适应装置涉及到芯片的运算，为提高发电效率，此种情况下可不连接，以减少自身电能的损耗。当噪声输入后，并联的PZT-5H压电片受其影响产生电荷，静电式薄膜也会在弹簧振子的往返运动下产生电荷，再将所有的电荷经导线送至CN3717 给电池充电，控制其充放电的大小以保护电池；LM2596则是稳压输出芯片，使用者可根据自身需要来手动调节输出稳压值。

在KTV、大型机械公厂附近，由于此时的集中的噪声频率与平时的不同，这是可以接上自适应频率装置，输入噪声经过驻极体麦克风将声信号转换为电压信号，由MAX197给电压 A/D转换采样，输出为数字量，再送给PDSP16510作FFT计算，得出此时的频率，最后通过 PID自动调节霍尔姆兹腔体的颈口长度，从而达到发电量最大化的目的。

与现有的装置对比，该装置的特点在于，有如下增益效果：

1.霍尔姆兹腔体的固有频率可动态调整，自适应外界环境。

2.分布式主动均衡控制器均衡电池组、负载和和输入电能，且防止电池组工作时单体电压差值大，延长电池使用寿命。

3.电池充电芯片控制规则由算法生成控制信号，在满足负载需求的同时避免电池频繁的充放电。

4.使用MAX197采样和PDSP16150作FFT运算，结合PID控制器，必要时才使用该方式运算，减少自身能量消耗。

5.采用抛物面型收集装置，有效收集并放大噪声。

6.采用CN3713芯片控制铅蓄电池充电，使其储电效率提高，控制精准。输出时经过稳压芯片LM2596，使得输出的电压稳定，且电压等级多样化。

7.采用聚偏氟乙烯材料制作静电式声电换能装置,提高发电效率。

8.压电式和静电式声电换能器复用，提高发电效率。