CN103314520A - 收集交通工具振动能量的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于收集交通工具振动能量的方法、系统和设备，以及用于将能量定位在交通工具上的方法。一个收集设备包括振动能量收集器，其耦合到交通工具结构元件的基本上最大的振动位移节点，并调谐到最大振动位移节点的振动频率。该收集器可以是多种收集装置中的一种，如压电装置。还提供方法定位适于振动能量收集的结构元件。

Description

收集交通工具振动能量的系统和方法

技术领域

本发明主要涉及从交通工具结构元件收集振动能量，并更具体地涉及确定在交通工具如飞机内结构元件上振动能量收集装置的放置和配置。

背景技术

燃料效率是交通工具如飞机的主要考虑因素。当考虑燃料效率选择发动机设计、交通工具主体设计、材料选择和其它方面时，改进燃料效率的其它技术、机制和能量来源不断地进行探索。

在飞机中，高交通工具速，发动机或其它机械引起的强烈机械破坏，以及其它效果和结构产生飞机内遍及各种结构元件的大量振动能量。许多系统和装置已开发从而试图通过各种装置减少振动（例如，通过使用一定的材料，或通过机械装置）。

发明内容

有益的是重新捕获交通工具中存在的至少一些振动能量，并将其转换为电能以供机载系统使用。因此，本发明提供了用于从交通工具内/上各种结构元件收集振动能量的系统和方法。

本发明考虑的实施例主要包括耦合单独的振动能量收集装置或这类装置的集群，到合适的交通工具振动结构元件上。本发明的讲授可以应用于各种不同类型的交通工具，例如但不限于飞机、航天器或地面交通工具。

包括合适振动结构元件的示例区域将在下面进一步详细描述，但其一般包括整流罩面板，其平整特定区域上方的气流，以及强烈空气动力流冲击的区域，如由震荡单元噪音冲击的机翼的飞机后部区域。

能量可从“主要”结构收集，其中振动由直接或紧密冲击这些结构的效果产生。例如，由于湍流边界层的环绕，整流罩面板可振动。能量也可从“次级”结构收集，其位于如主要结构的下游并从主要结构接收能量。例如，支持可由笼形结构组成的整流罩面板的框架，其可机械地耦合到整流罩面板上，并因此可接收从整流罩面板流出的主要部分的振动能量。本发明的实施例考虑从这类次级结构收集能量，并也考虑这类次级结构的识别方法。

通过仔细选择收集装置的放置位置，可以获得好处。分析方法，如有限元分析可用于确定具体的结构振动特性。这类特性可包括正常的振动模式，最大的振动位移位置，以及正常振动模式的振动频率。其它分析方法也可用于确定振动特性。

额外的好处可通过调谐收集装置到一个或多个频率上而获得，所述一个或多个频率由结构元件的振动特性支配。在一个方面中，调谐收集装置到它们连接的结构元件的一个或多个共振频率上，从而帮助最大化收集的能量，这是有益的。

另一方面，进一步是有益的是提供了将收集装置发生的电信号转换为更适合机载/内部系统使用形式的收集电路。这类电路一般包括将高压AC输出转换到较低电压DC输出的信号处理电路，并可包括存储或利用收集能量的电路。

在本发明提供的示例实施例中，上述方法和系统的使用在飞机的说明中描述。更具体地，在所附的实施例中，飞机上的机翼-机身整流罩面板和环绕结构提供可收集的位移和/或振动能量。机翼-机身整流罩面板周围的区域经受几乎遍及所有飞行阶段的很高水平的振动。在一个实施例中，能量从这些面板提取，所述面板可补充、减少或更换机载飞机系统如电灯、咖啡机、厨房烤箱和贯穿整个飞行的其它机载电器的电力。

在一个实施例中，公开了用于从具有振动能量的交通工具结构元件收集振动能量的系统。该系统包括振动能量收集器，其耦合到结构元件的位置上，并调谐到结构元件的一个或多个振动频率上。优选地，振动能量收集器位于结构元件最大振动位移节点处或其附近。

在另一个实施例中，公开了从交通工具收集振动能量的方法。该方法包括识别适于振动能量收集的结构元件，识别所述结构元件的位置，调谐收集装置到结构元件的振动频率上，以及耦合所述收集装置到所述结构元件的所述位置上。优选地，所述位置是所述结构元件的最大振动位移节点。

在另一个实施例中，公开了收集飞机上振动能量的系统。该系统包括机翼-机身整流罩面板，所述机翼-机身整流罩面板位于邻近并通常环绕机翼-机身接合区域的区域；压电装置，其约在所述面板的最大振动位移节点处，位于所述机翼-机身整流罩面板上，所述最大振动位移节点通过建立计算机模型，获得飞行测试得到的飞行数据，并提供所述计算机模型和所述飞行测试数据到有限元分析程序，从而被确定。

在另一个实施例中，公开了用于从机翼-机身整流罩面板收集振动能量的方法。该方法包括识别利用机翼-机身整流罩面板的飞机飞行期间机翼-机身整流罩面板的最大振动位移节点，调谐所述振动能量收集装置到机翼-机身整流罩面板的一个或多个共振频率上，以及耦合压电装置到机翼-机身整流罩面板的所述最大的振动位移节点上。

已讨论的特征、功能和优点可在这里公开的各种实施例中独立地实现，或可以在其它实施例中组合，参考下面的描述和附图，可以看出进一步的细节。这里公开的实施例的其它特征和优点将参考附图，在下面的详细描述中解释。

附图说明

图1是方框图，其示出从交通工具上的振动结构收集能量的系统。

图2是利用收集振动能量系统的交通工具上的一个或多个设备的示例的图示说明。

图3是收集交通工具的振动能量的方法步骤的图示说明。

图4是确定从其中可收集能量的“次级”结构的方法步骤的图示说明。

图5是确定收集器最佳放置的方法步骤的图示说明。

图6是示例收集器的图示说明。

图7是用于收集交通工具能量的示例收集电路的图示说明。

图8是适于收集能量的示例飞机的图示说明，其示出机翼-机身整流罩面板。

图9是飞机的机翼-机身整流罩区域的图示说明，其包括适于从其中收集能量的几个机翼-机身整流罩面板。

图10A-10E是示出图9中示出的机翼-机身面板的振动加速度与时间的曲线图。

图11是确定从其中收集能量的“次级”结构的方法的示意说明，作为施加于机翼-机身整流罩面板。

图12是在根据图9中示出区域中支持的机翼-机身整流罩的图示说明。

图13A是机翼-机身整流罩面板区域中的飞机内部的图示说明，其示出适于振动能量收集的纵梁和框架。

图13B是图13A中示出的几个纵梁和框架的图示说明。

图14是图9中示出的飞机区域中适于收集能量的几个机翼-机身整流罩面板的图示说明。

在下文中将参考附图，其中不同附图中类似元件具有相同的参考标号。

具体实施方式

下面的公开描述了从各种类型交通工具上的结构元件收集振动能量的系统和方法。利用这里公开的系统和方法的例子被提供，从而收集飞机的振动能量，或更具体地，从飞机的机翼-机身整流罩面板收集。当下面提供的公开解释飞机情况下的这些系统和方法时，应该理解这些系统和方法可适用于大量的交通工具，包括地面、空间或海上交通工具，以及其它合适的非交通工具结构，且不应解释为局限于飞机应用。

某些具体细节用于阐述下面的描述和图1-14，从而提供各种实施例的透彻理解。熟知的结构、系统和方法在下面没有详细示出或描述，从而避免不必要地模糊各种实施例的描述。此外，相关领域的普通技术人员应该理解，额外的实施例可以实施，而不需要下面描述的若干细节。

现参考图1，其示出了从交通工具振动结构元件收集振动能量的示例系统12的方框图。系统12一般包括交通工具的振动结构元件14，其可在特定频率中振动。收集器（这里也称为“收集装置”）16耦合到结构元件14上，并产生响应结构元件14振动的原始电信号。收集电路18耦合到收集器16上，并将来自收集器16的原始电信号转换为更有助于驱动负载20的形式，其耦合到收集电路18上。交通工具系统22可以耦合到电池20上并由电池20提供电力。一些交通工具系统22可以耦合到收集电路18上，而不需要介于其间的电池20。

现参考图2，其示出了具有一个或多个设备的飞机的图示说明，所述设备在不同位置利用振动能量收集系统12。能量收集系统12可将飞机10的各种结构元件中存在的振动能量转换为电能，以供飞机的机载设备22使用。

现参考图3，现描述了振动能量收集系统的安装方法。该系统和方法考虑耦合振动能量收集装置到具体的交通工具结构元件上，并从收集装置耦合的位置处收集振动能量。收集装置优选地连接到结构元件上的位置，所述结构元件产生最大的振动能量。

在步骤302，识别了收集振动能量的交通工具区域。一些这类区域具有“主要”结构元件，其中振动由直接或紧密地冲击这些结构元件的效果产生。包括“主要”结构元件的区域在这里称为“主要”区域。其它区域具有“次级”结构元件，其从“主要”结构元件接收振动能量。这类区域在这里称为“次级”区域。

具有“主要”结构元件的区域可包括整流罩面板，如飞机上的机翼-机身整流罩面板，机翼的飞机后部的机身上区域，其中震荡单元噪音直接冲击，以及经受强烈或湍流气流的交通工具的其它区域。适于收集振动能量的其它区域可包括但不限于靠近机械如发动机的区域。

在区域中产生高振动能量的两种机制包括在特定位置处的湍流气流，其由交通工具特征的形状或定位，并由交通工具特定位置上通过机械如发动机的气流产生的冲击导致。湍流气流可包括经受湍流边界层的区域。产生气流的冲击区域可包括交通工具上的特定位置，其中来自发动机的气流影响交通工具主体。例如，在飞机中，来自发动机的震荡单元噪音可直接冲击飞机机身上的位置，并产生显著的振动能量。

一些强烈或湍流气流区域可使用计算流体动力学确定，其中一般是以数学确定主体周围流体流动的系统。来自交通工具操作的测试数据可利用从而验证有根据的推测，所述有根据的推测根据计算流体动力学结果，或通过其它分析方法提供。关于计算流体动力学的额外信息可在下面的文件中找到：“Fundamentals of Computational FluidDynamics，”Lomax，Harvard，et al.，NASA Ames Research Center，Zingg，David，University of Toronto Institute for Aerospace Studies，August26，1999”。具有显著振动能量的“次级”区域可通过追踪振动能量流的路径而识别，所述振动能量流来自已知具有振动结构元件区域的“主要”结构元件。这可以在许多方面做到。例如，统计能量分析（“SEA”）是确定不同“子系统”之间振动能量转移的一组方法，并可用于追踪振动能量流的路径。在该说明的上下文中，SEA优选地用于确定是否有远离已知振动能量源的振动能量转移到其它位置上，所述其它位置耦合到已知源上。振动能量是由于那些结构元件的振动而在结构元件中存在的能量。SEA的准确性依赖于许多因素，其包括提供在分析的物理系统、子系统和结构的准确模型。SEA也可用于验证推测接收大量能量的区域，其可进一步用额外的分析或测试验证。关于统计能量分析的更多信息可在下面的文件中找到：Sarradj，Ennes，“Energy-based vibroacoustics：SEA and beyond，”Gesellschaft furAkustikforschung Dresden mbH，D-01099Dresden,Germany。

关于“次级”区域识别的额外信息将关于图4在下面讨论。

在步骤304中，具体的振动结构元件被识别。这类元件可包括交通工具蒙皮面板、纵梁、框架元件、其它梁状或膜状元件，或从其中振动能量可以收集的任何其它元件。这些元件可包括膜状或梁状元件，其正常的振动模式可以被分析。

在步骤306中，确定具有大量振动能量的具体结构元件被分析，从而确定振动能量收集装置的最佳放置。最佳放置位置包括最大的振动位移节点，其是在最高振幅振动的结构元件上的位置。

不同的结构具有各种振动模式，其每个可以根据结构的物理激励而被不同地激发。交通工具操作数据如飞机的测试飞行数据，或其它类型交通工具的其它操作数据，以及其它类型数据可因此用于确定哪些力施加于交通工具的不同结构元件上，从而物理激励它们。仪器如加速度计或麦克风（如高强度麦克风，其来自Kulite SemiconductorProducts，Inc.of Leonia，New Jersey）可用于收集关于物理激励的数据，所述物理激励在交通工具上的不同位置经受（experience）。

为了进行最佳能量收集，收集器优选地位于它们连接的结构元件的最大振动位移节点上。术语“最大振动位移节点”指经受最大弯曲的结构元件的位置。收集器不需要准确地位于该位置，能量可在接近最大弯曲准确点附近的位置捕获。其也可能在结构元件的任何位置处定位收集器。如果例如收集器已经位于结构元件的最大振动位移节点处，这是期望的，且期望通过使用额外的收集器从结构元件收集额外的能量。

确定收集器最佳位置的一种方法是借助有限元分析。有限元分析（“FEM分析”）是通常执行作为计算机化方法/处理的一组方法，其中物理结构的计算机模型分析用于确定随着时间的推移该模型的演化。有限元分析可基于一组给定的激励力，用于确定结构元件耦合系统的振动特性。

有限元分析需要将要被分析的结构有限元模型，以及描述模型元件如何激励的输入。计算机化方法可产生随着时间推移的物理系统演化的可视化，并可提供数据，如各种元件的变形和振动特性。可视化和/或提供的数据可协助确定对象结构的振动特性，以便确定最佳放置。由有限元分析方法确定的其它特性可包括各种自然振动模式列表，显示最大振动位移的一个或多个振动模式的识别，并确定每种结构的各种振动模式的振动频率。应该注意，源自FEM分析的结果依赖于提供的模型和数据输入的质量。关于有限元分析的额外信息可在下面文件中找到：Roylance，David，“Finite Element Analysis，”Department ofMaterials Science and Engineering，Massachusetts Institute of Technology，February28，2001；Doyle，James，“Modern Experimental Stress Analysis：completing the solution of partially specified problems，”2004，Chapter1：“Finite Element Methods.”

利用有限元分析从而确定最佳收集器放置的方法将关于图5，在下面描述。

在步骤308中，在确定从其中收集振动能量的结构元件的振动特性之后，收集装置类型应该被适当地选择。将振动能量转换为电能的已知装置一般利用三种能量转换方法中的一种：电磁转换，静电转换，和压电转换。利用这些机制的不同振动能量收集装置是可能的，如压电装置，振动因变量可变电容器，静电能量收集器，以及电磁振动能量收集装置。应该理解，该系统不限于具体公开结构或机制的使用，且收集装置的重要特性是仅仅能够将振动能量转换为电能。关于收集装置的额外信息可在下面文件中找到：Shen，Donga，“PiezoelectricEnergy Harvesting Devices For Low Frequency Vibration Applications，”PhD Dissertation，Auburn University，Auburn Alabama，May9，2009。术语“收集装置”可指单一装置或这类装置的集群或组合。

在步骤310中，一旦收集装置的类型已选择，收集装置优选地调谐到对应于该装置连接位置的振动频率上。这确保从该装置的最大能量收集。调谐可仅仅涉及选择具体收集装置的合适几何形状或其它特性。这也可涉及所选收集装置的变更，以便优化来自收集装置连接点的振动能量。

为调谐悬臂梁（cantilever beam）压电装置到调谐频率上，压电装置的几何形状可以以各种方式变化，直到压电装置的一个或多个共振频率匹配所需的调谐频率。对于悬臂梁压电装置，调谐可以通过调整宽度、长度、厚度、材料，或添加重量到梁的端部而做出。悬臂梁压电装置也可以基于工作温度调谐。

为工作温度调谐，确定了工作条件下压电装置放置位置的温度。这可通过在测试飞行中直接测量温度，或通过其它方法而实现，包括有限元分析。在一个实施例中，一旦工作温度确定，该装置应该被调谐以便工作温度下的共振频率匹配将被连接到结构元件上的振动频率。在一个实施例中，如果具体的结构元件已知在飞行期间在0°C以150Hz振动，悬臂梁压电装置可调谐以便其共振频率在0°C是150Hz。

在步骤312中，优选地，合适的收集电路被耦合到收集装置上。该电路用于将来自收集装置的原始电信号转换为更适于交通工具机载供电系统的信号。

参考图4，其公开了识别到“次级”区域中“次级”结构元件的显著能量流路径的额外方法。在一个实施例中，在结构上耦合到主要结构元件上并可因此接收显著振动能量的目标区域被识别。振动能量可以主要通过空气传播路径/机载路径（airborne path）或结构传播路径转移。结构传播路径转移一般比机载路径转移传输更显著水平的能量，且因此在这两种机制之间的区分是有益的。

继续参考图4，加速度计可放置在目标区域402中的主要结构和次级结构上，从而在结构传播路径和机载路径之间区分。在一个实施例中，麦克风可放置在主要和次级结构404之间的中间空间内的某个地方。主要和次级结构然后接受测试条件如测试飞行或测试交通工具操作406。加速度计和麦克风的数据被收集和分析408。在一个替代实施例中，如果发现加速度计的数据是相似的，则主要和次级结构相似地振动，且有振动能量的结构传播转移。在另一个实施例中，麦克风追踪主要结构上的加速度计，而不是次级结构上的加速度计，则振动能量转移不是结构传播而是空气传播的。

参考图5，其公开了利用确定结构元件上收集器放置位置的FEM分析的方法。在步骤502，提供了测试数据，来自计算流体动力学的确定数据，或其它激励数据。在步骤504，基于待分析的结构几何形状，模型建立，并具有来自步骤502的激励输入。FEM分析在步骤506中应用，并确定系统的振动特性，如上所述。在步骤508中，来自FEM分析的结果与已知数据比较，如物理激励数据，且在分支510中，如果FEM分析的结果不令人满意，则额外的飞行测试数据可用于帮助改进FEM模型。这类已知数据可以是任何数据，如果来自FEM分析的结果发现是令人满意的，收集器可放置在该分析确定的位置处。

有限元分析不一定是确定最佳收集器位置的唯一方式。其它方法是可能的，如测试飞行条件中的手动探测。

参考图6，其公开了从机翼-机身整流罩收集能量的示例压电装置630。该装置示出连接到表面632上，其中当其振动时，提供机械能到压电装置630中，其将机械能转换为电能用于收集。悬臂梁631具有共振振动频率，所述振动频率可通过改变梁631的几何形状而变化。当受到振动时，该装置630产生高频高压电信号。

参考图7，其公开了压电装置630的示例收集电路。压电产生器450，其可以是悬臂梁压电装置，并在该附图中展示作为串联的电压源，电容器和电阻器，从其连接的表面振动中提取能量，并提供高频AC信号到收集电路中。整流器452整流AC信号。电容器454平整来自整流器452的信号。DC-DC转换器456将来自整流器452和电容器454的高压DC信号输出转换成更低电压的DC信号，其可用于驱动负载458。负载458可以是电池或交通工具系统。

为监测电路的状况（health），高阻抗探针可被提供用于确定在电压电位或振动频率特性中是否有变化。如果这类特性相对于其它压电装置的特性是不同的，则这可以是装置不再处于良好状况的合适指示物。

一旦在步骤314被连接到合适的收集电路上，收集系统提供的能量可用于对各种机载系统供电，或可以用于对电池充电。

上述提供的方法允许最佳位置选择和最佳收集器配置。应该理解，任何交通工具上的收集器的使用由收集器的经济成本，所需布线的复杂性和其它实际效果限制。最佳位置和配置选择允许额外的能量以低成本收集。因此平衡可在收集的能量总量之间达成，其由使用的收集器数量，与经济成本和整体设计的复杂性确定。

现提供了上述系统和方法的示例。该具体示例利用悬臂梁压电装置从而收集来自飞机机翼-机身整流罩面板的振动能量。将描述机翼-机身整流罩面板具体特性，以及收集装置放置位置和放置技术。应该注意，提供的示例仅是为了说明上述的方法和系统，且不应视为限制。根据本发明可想到修改，如能量收集装置的类型和配置变化，基于各种振动特性的放置位置的变化，和其它变化。此外，上述的方法可用于识别飞机的其它结构，其具有显著的振动能量，如由震荡单元噪音冲击的飞机上区域，或经受湍流气流的其它区域。

现参考图8，其示出了具有机翼-机身整流罩区域802的飞机800，所述机翼-机身整流罩区域802覆盖飞机机翼806和机身808之间的接合区域804。虽然该附图中没有示出，但是机翼-机身整流罩区域802被分成各种机翼-机身整流罩面板，其通过框架结构（未示出）连接到机身上。机翼-机身整流罩面板平整区域中的气流，否则其将具有陡峭的表面过渡，例如，在机翼806和机身808之间，其将导致阻力增加。

现参考图9和10A-10E，示例性机翼-机身整流罩面板A01至A05，其可以用于商业客机。示出从面板A01至A05收集的测试飞行数据的曲线图分别在图10A-10E中提供。曲线图绘制振动加速度G与测试飞行时间。“G”表示地球重力的加速度倍数。一般来说，在整个附图中，其可看出所有的面板表现出恒定的，相当高的振动量。

图9中所示的图示说明示出了飞机的一部分，其中安装了机翼-机身整流罩面板901（也称为“WTBF”或“WTBF面板”）。图9限于机翼尾部的那些面板。然而应该理解，本发明方法收集的能量可在任何机翼-机身整流罩面板中实施。面板A01至A05在该图中示出。该附图是飞机900左底部侧面透视图，其示出飞机900的左侧908和底侧910。机翼-机身整流罩面板统称为标号901。

面板A01直接位于机翼902之上。面板A02直接位于机翼902之下。面板A03位于邻近面板A02处，但进一步朝向飞机900的底侧910。面板A04位于与面板A01和A02的近似相同高度上，且邻近那些面板，但与那些部分相比，其进一步朝向飞机900的后部。最后，面板A05位于邻近面板A04处，并进一步朝向飞机900的底侧910。图9也示出机翼-机身整流罩面板（A01-A05）和飞机蒙皮906之间的直接连接904的点。

图10A-10E中的图表绘制了如图10A-10E和图9示出的五个不同面板的振动加速度与时间的曲线图。所有的绘制示出了用于两个单独测试飞行的数据。各绘制图中的最小点1002使来自于飞行一1004的数据与来自飞行二1006的数据分开。

图10A示出了部分A01的上述图表。在大部分飞行阶段，包括在不同海拔高度巡航，A01部分的振动在约7G时测量。面板以约95-145Hz振动。

图10B示出了部分A02的上述图表。在大部分飞行阶段，包括在不同海拔高度巡航，A02部分的振动在约20G和50G之间测量。该面板振动大部分，但也具有振动加速度中的最高振动。面板以约95-145Hz振动。

图10C示出了部分A03的上述图表。在大部分飞行阶段，包括在不同海拔高度巡航，A03部分的振动在约1-2G时测量。面板以约45-95Hz振动。

图10D示出了部分A04的上述绘图。在大部分飞行阶段，包括在不同海拔高度巡航，A04部分的振动在约3G时测量。面板以约83-133Hz振动。

图10E示出了部分A05的上述绘图。在大部分飞行阶段，包括在不同海拔高度巡航，A05部分的振动在约10G时测量。面板以约65-115Hz振动。

耦合到WTBF面板的额外结构可接收来自WTBF面板的显著振动能量。为确定显著能量流的位置，可识别振动能量转移的结构传播路径。

图11示出了应用关于图4描述的方法到接近机翼-机身整流罩面板的区域。图4示出了一旦发现“主要”源，定位振动能量“次级”源的方法。在所述示例中，机翼-机身整流罩面板视为“主要”源，而“次级”源（在该情形中，结构物理耦合到机翼-机身整流罩面板上）被分析确定它们是否具有可收集的显著振动能量，关于图11描述的分析利用麦克风和加速度计，确定能量是否从“主要”源通过结构传播路径流出。如果结构传播路径存在，则能量至少可在能量转移的结构传播路径引线的位置处收集。

图11是截面图，其示出WTBF面板1108，飞机蒙皮1110，以及WTBF面板1108和飞机蒙皮1110之间的腔体1112。图4的方法将被应用于该图示说明中存在的结构，以便确定额外能量是否可在“次级”结构处收集。对于示出的例子，“次级”结构可包括物理耦合到机翼-机身整流罩面板上的任何结构。这里，这类结构可包括机翼-机身整流罩支持框架，触摸机翼-机身整流罩支持框架的飞机蒙皮上的点，以及飞机内的纵梁和框架，其位于机翼-机身支持面板附近。

为确定远离WTBF面板的能量转移结构传播路径是否存在，麦克风1102可设置于WTBF面板1108和飞机蒙皮1110之间的腔体1112内。加速度计1104，1106可设置于WTBF面板1108和飞机蒙皮1110上。

该区域然后可经受真实飞行条件或测试条件，以便产生来自加速度计1104，1106和麦克风1102的读数。这些读数被记录。如果来自机翼-机身整流罩面板1108的加速度计1104的读数不与来自飞机蒙皮1110上的加速度计1106的读数相似，则可能没有能量转移的结构传播路径存在。然而，如果来自加速度计1104和1106的读数是相似的，而来自麦克风1102的读数与加速度计读数不同，则能量转移的结构传播路径可能存在。一般来说，如果它们在相似的时间示出相似的增加和减少，则来自两个不同仪器的读数可以说是“相似”的。

在一个测试中，其可发现加速度计互相追踪，因此能量的结构传播路径可能存在。这意味着能量可以在直接或间接耦合到WTBF面板上的飞机内部纵梁和框架上，或在结构耦合到WTBF面板上的飞机其它点上，从WTBF面板的下游收集。因此，能量可在接近WTBF面板的任何以下位置处收集：

1）在用于机翼-机身整流罩面板901的机翼-机身整流罩支持结构1202上。

2）在机翼-机身整流罩支持结构1202和机身之间的连接点1228上（图12中示出）。

3）在WTBF面板901和机身906之间的直接连接904的点上。

4）在纵梁1310和框架1312上，其可以激励并直接在机翼-机身整流罩面板901上发生的振动能量下游（见图13A-13B）。

这些区域将关于图12-14在下面讨论。

关于图5，使用上述方法，收集器的最佳放置位置可以被确定。这些方法可包括利用有限元分析方法，手动测量，或其它方法，从而定位最大振动位移的区域。一旦压电装置的最佳放置已经确定，压电装置可调谐从而匹配这些面板中每个的振动频率。压电装置然后可连接到确定位置上。

参考图12，其示出了飞机的机翼-机身整流罩支持结构区域1202，其中移除了机翼-机身整流罩面板（未示出）。图12示出左底部透视图中图9示出的飞机900，其示出飞机900的左侧908和底侧910。

在正下方并支持WTBF面板的是机翼-机身整流罩支持结构1220，其由互相耦合并耦合到机身内纵梁和框架元件上的各种框架元件1222组成（该图示说明中未示出）。机翼-机身整流罩支持结构1220提供机翼-机身整流罩支持面板的连接点，并支持从机身表面移位位置的那些面板。机翼-机身整流罩面板直接连接到机翼-机身整流罩支持结构1220上。支持结构1220可通过相同铆钉和螺栓连接到飞机蒙皮1224上，所述铆钉和螺栓用于将纵梁和框架连接到蒙皮上。以这种方式相同铆钉的使用被相信造成从机翼-机身整流罩面板到737-NG飞机内部框架和纵梁的结构传播能量转移，且在其它飞机中也可以如此。

图12示出了支持结构1220上收集器装置1226放置的几个示例位置。应该理解，该位置是示例性的，且关于图5的上述方法的合适应用可被用于确定收集器装置1226放置的合适位置。最佳能量收集位置是WTBF支持结构的框架元件具有最大振动位移的位置。这应该对应于各框架第一弯曲模式的最大位移位置。

参考图13A和13B，在接近机翼-机身整流罩面板901的位置处示出了飞机内部的示例。图13A是面向图9中线13A-13A的飞机900后部的透视图。图13B是图13A中示出的虚线区域的自顶向下的视图。

纵梁和框架位于邻近飞机蒙皮处，并在飞机内部，且其用于给定飞机外形。相邻接近机翼-机身整流罩面板区域的纵梁和框架可以包括能量收集器，从而收集从远离机翼-机身整流罩面板的结构传播路径流出的能量。

在机身1318内部通过放置这些位置上的收集器装置，能量可从纵梁1310和框架元件1312收集。纵梁1310上的收集器示例放置，其示出如两个不同框架元件1312之间大约中间状态。框架元件1312上的收集器示例放置示出约在框架元件1312和纵梁1310之间的交集区域上。然而，此外应该注意，关于图5值得注意的那些描述，上述方法的合适应用可被用于确定最佳收集器放置，其对应于每个纵梁和框架元件的最大位移位置。此外，这些位置可能对应于每个纵梁和框架元件的第一弯曲模式或可能第一扭转模式的最大位移位置。

参考图14，图9中示出的飞机900的区域在底部左侧透视图中示出。飞机的底侧910和左侧908被示出。在飞机底部和侧部示出的，确定具有飞行期间大量振动能量的机翼-机身整流罩面板1402，1404，1406，1408，1410和1412被示出。收集器应该使用上述方法定位在合适的位置上。具体地，收集器应该定位在这些面板的最大位移点处，以便捕获最大能量。关于图5公开的上述方法可用于进行这些测定。

当参考各种实施例描述该发明时，本领域技术人员应该理解，在不背离本发明保护范围的情况下，可做出各种改变且等效物可替代其中的元件。此外，在不背离其基本保护范围的情况下，可做出许多修改从而适应本发明教导的具体情况。因此，其旨在本发明不限于公开的作为执行本发明的最佳模式的具体实施例。

Claims (18)

1.一种从具有振动能量的交通工具的结构元件收集振动能量的设备，所述设备包括：

振动能量收集器，其被耦合到所述结构元件的基本上最大振动位移节点，并被调谐到所述最大振动位移节点的振动频率。

2.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括：

收集电路，其被耦合到所述振动能量收集器，其中所述收集电路将所述收集器的原始电输出转变为更适于机载电气系统使用的形式。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中：

所述振动能量收集器包括一组单独的能量收集装置。

4.根据权利要求1-3中任何一项所述的设备，其中：

所述振动能量收集器位于具有结构元件的主要区域内，该结构元件具有振动能量；其中由于交通工具特征的形状或定位导致的湍流气流，或发动机产生的气流，在所述结构元件中引发所述振动能量，其中所述气流冲击所述交通工具的表面；

所述交通工具具有结构耦合到所述主要区域并从其接收振动能量的次级区域；以及

所述次级区域具有振动能量收集器，所述振动能量收集器被耦合到所述次级区域内具有显著振动能量的结构元件。

5.根据权利要求1-4中任何一项所述的设备，其中所述最大振动位移节点位于主要区域内的结构元件上。

6.一种从交通工具收集振动能量的方法，其包括：

识别适于振动能量收集的结构元件；

识别所述结构元件的基本上最大振动位移节点；

调谐收集装置到所述基本上最大振动位移节点的振动频率；以及

耦合所述收集装置到所述结构元件的所述基本上最大振动位移节点。

7.根据权利要求6所述的方法，其中识别适于振动能量收集的结构元件包括：

识别推测具有显著振动能量的交通工具区域；以及

识别所述区域内的结构元件，所述结构元件具有振动能量。

8.根据权利要求7所述的方法，其中识别推测具有显著振动能量的交通工具区域包括：

在所述交通工具的模型上执行计算流体动力学分析；以及

定位冲击所述交通工具的表面的强烈或湍流气流的区域。

9.根据权利要求6所述的方法，其中识别基本上最大振动位移节点包括：

利用来自飞行测试的数据，在所述交通工具的计算机模型上执行有限元分析；以及

根据所述有限元分析的结果，确定所述基本上最大振动位移的位置。

10.根据权利要求6所述的方法，其中：

所述收集装置包括压电装置；以及

调谐所述收集装置包括修改所述压电装置的几何形状，直到所述收集装置的共振频率几乎匹配所述基本上最大振动位移节点的振动频率。

11.根据权利要求6所述的方法，其进一步包括：

识别具有次级结构元件的次级区域，所述次级结构元件具有振动能量；以及

耦合额外的收集装置到所述次级结构元件的基本上最大振动位移节点。

12.根据权利要求1-6中任何一项所述的方法，其中用于振动能量收集的所述结构元件是机翼-机身整流罩面板。

13.一种从机翼-机身整流罩面板收集振动能量的系统，所述机翼-机身整流罩面板位于邻近并通常环绕飞机上的机翼-机身接合区域的区域，所述系统包括：

压电装置，其在所述面板的基本上最大振动位移节点处被置于所述机翼-机身整流罩面板上，并被调谐到所述机翼-机身整流罩面板的所述基本上最大振动位移节点的共振频率；

通过建立计算机模型、获得飞行测试得到的飞行数据并提供所述计算机模型和所述飞行测试数据到有限元分析程序，从而确定所述基本上最大振动位移节点。

14.根据权利要求13所述的系统，其中：

所述压电装置的所述共振频率匹配所述面板的所述基本上最大振动位移节点的共振频率，由于所述压电装置的厚度、几何形状以及连接方法的合适选择，所述匹配被实现。

15.根据权利要求13或14所述的系统，其进一步包括：

第二压电装置，其位于机翼-机身整流罩支持结构内的结构元件上，所述机翼-机身整流罩支持结构将所述机翼-机身整流罩面板耦合到飞机蒙皮。

16.根据权利要求13-15中任何一项所述的系统，其进一步包括：

位于纵梁和框架上的压电装置，所述纵梁和框架位于所述飞机内，接近所述机翼-机身整流罩面板的所述区域。

17.根据权利要求13-16中任何一项所述的系统，其中：

基于飞行期间所述压电装置的位置的温度，在工作温度方面优化所述压电装置。

18.根据权利要求13-17中任何一项所述的系统，其进一步包括：

高阻抗探针，其通过检查电压或振动频率特性的变化，监测所述压电装置的状况。

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