CN114421810A - 一种锥形声子束型能量采集器 - Google Patents
一种锥形声子束型能量采集器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114421810A CN114421810A CN202210110551.8A CN202210110551A CN114421810A CN 114421810 A CN114421810 A CN 114421810A CN 202210110551 A CN202210110551 A CN 202210110551A CN 114421810 A CN114421810 A CN 114421810A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- black hole
- phonon
- acoustic black
- hole structure
- cone
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000013016 damping Methods 0.000 claims description 11
- 238000010248 power generation Methods 0.000 claims description 11
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 6
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 5
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims description 5
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 4
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 4
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 claims description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 4
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 241001124569 Lycaenidae Species 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
- H02N2/186—Vibration harvesters
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/32—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from a charging set comprising a non-electric prime mover rotating at constant speed
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
Abstract
本发明揭示了一种锥形声子束型能量采集器，采集器设有至少一个采集单元，若为多个采集单元则相互之间首尾连接构成周期性组合分布的连续延长结构；所述采集单元的中间设有截断平面部分，所述截断平面部分的两端均通过声学黑洞结构部分连接主体部分，所述声学黑洞结构部分为由主体部分向截断平面部分截面逐渐变小的结构；本发明的优点在于锥形声子束型振动能量采集器，利用声学黑洞结构可以使能量集中的特性，使得对于环境中振动能量(尤其是低、中频段振动)的俘获效率大幅提高，可以有效解决当前无线传感器节点自主供电的需求。
Description
技术领域
本发明涉及振动能量采集器相关技术领域，具体涉及一种基于声学黑洞结构效应的振动能量采集器。
背景技术
声学黑洞结构效应(ABH Effect)指当弯曲波从结构的等厚度区域传播到声学黑洞区域后，波速会因厚度的减小而逐渐减小，波长被压缩，波幅增大的现象。声学黑洞结构可以使得振动能量在一定区域集中，可用于能量采集领域，使能量的俘获更为高效。
在诸多环境能量形式中，振动在自然界中是普遍存在的，例如海浪的波动，植物受风力等影响下的颤动，汽车通过地面产生的振动，尤其是机械设备工作时产生的振动等更无法避免，最重要的是这些振动能量不同于太阳能，电磁能等那样受到时间、使用环境等诸多因素的限制。因此，振动能量采集技术是目前研究最为广泛的一种低功耗电子设备自主供电技术。
压电式振动能量捕获系统基本组成主要分为两大部分：一部分是压电发电机，其主要由弹性基体与压电材料组成，且为了降低其共振频率，一般会在激励振动产生的自由端放置质量块或者粘贴阻尼材料；另一部分是压电能量捕获电路，主要由能量捕获接口模块和能量管理模块组成。压电发动机的功能主要为利用压电效应将环境中的振动能量转换为电能，而压电能量捕获电路的功能为将压电发电机产生的交流电转换成直流电后存储于储能器之中，并对负载供电进行控制。
近几年来，由于声学黑洞结构可以使能量集中的特性使得声学黑洞效应在能量采集领域内的应用越来越广泛。但是在实际中，理想的声学黑洞结构无法实现，一是受加工制造工艺的限制楔形边缘会在厚度减小到一定值时截断；二是在工程应用中为了抵抗荷载的作用，机械构件需要一定量级的厚度来确保结构具有足够的强度。截断厚度会使弯曲波在结构的边缘发生反射，即使很小的截断厚度，也会引起很大的反射系数，严重影响声学黑洞效应。
但是现有的声学黑洞结构产生压电效应所需的起始频率较高，对于高频段振动的控制能力较好，但对于低、中频段振动的控制并不理想，这使得对于低、中频段的振动能量的采集效率并不高，而实际生产中很多机械的振动都是保持在低、中频段。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是实现一种基于声子晶体与声学黑洞结构相结合的压电式振动能量采集器，以便解决低功耗电子设备的无外接电源式持续供电问题，该装置能够更高效率的捕获环境中存在的低、中频的振动能量，再利用压电效应为预置负载持续供电。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种锥形声子束型能量采集器：
采集器设有至少一个采集单元，若为多个采集单元则相互之间首尾连接构成周期性组合分布的连续延长结构；
所述采集单元的中间设有截断平面部分，所述截断平面部分的两端均通过声学黑洞结构部分连接主体部分，所述声学黑洞结构部分为由主体部分向截断平面部分截面逐渐变小的结构；
所述截断平面部分上设有发电单元，每个所述采集单元的发电单元均连接至能量捕获接口电路。
所述采集器的其中一端固定在固定支架上，或者采集器的两端均固定在固定支架上。
所述发电单元为缠绕在截断平面部分上的线圈。
所述发电单元为贴附在截断平面部分上的压电陶瓷片，所述截断平面部分的表面涂覆有阻尼涂层。
每个所述采集单元上设有两个压电陶瓷片，所述两个压电陶瓷片分别贴附在截断平面部分的两侧，且两个压电陶瓷片串联接入到能量捕获接口电路的输入接口。
所述主体部分采用声子晶体、金属材料或阻尼合金制成，所述声学黑洞结构部分和截断平面部分采用永磁性材料制作。
所述主体部分和截断平面部分圆柱形结构，所述声学黑洞结构部分为圆锥台结构，所述声学黑洞结构部分表面弧度变化满足以下幂函数：
其中h0为声学黑洞结构部分表面结构边缘尺寸，ht为声学黑洞结构部分中心区域的残余厚度，h(x)为x处声学黑洞结构部分的厚度，l1为声学黑洞结构部分中心至主干部分与凹面交界线的水平距离，幂指数m均为正有理数且m≥2；
所述主体部分包括内端实心的实心部分，以及外端中空的空心部分。
所述主体部分和截断平面部分为多棱柱结构。
本发明的优点在于锥形声子束型振动能量采集器，利用声学黑洞结构可以使能量集中的特性，使得对于环境中振动能量(尤其是低、中频段振动)的俘获效率大幅提高，可以有效解决当前无线传感器节点自主供电的需求；
本发明可调节参数广，包括声学黑洞俘能器材料、厚度变化、函数的幂指数m、n黑洞区域边缘厚度以及黑洞区域截断平面尺寸。能在权衡加工难易程度、急切需要减振的频段范围、总体设计中允许的最大附加质量等条件后，最优化设置振动能量采集器组，以适应实际的能量采集需求。
本发明可以根据实际需求灵活选择多片不同结构参数的声学黑洞俘能器来构成不同结构与周期数不同的俘能器组，充分发挥局域共振的效果，以适应复杂工况的减振降噪需要，适应性、实用性强。
附图说明
下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为圆柱形声子束型能量采集器结构示意图；
图2为能量捕获接口电路示意图；
图3、4为图1中局部放大示意图；
图5为三棱柱形式采集单元结构示意图；
图6为五棱柱形式采集单元结构示意图；
图7为六棱柱形式采集单元结构示意图；
图8为连续四棱柱声子束型能量采集器结构示意图；
图9为连续圆柱形声子束型能量采集器结构示意图；
图10为连续三棱柱声子束型能量采集器结构示意图；
图11为连续五棱柱形声子束型能量采集器结构示意图；
图12为连续六棱柱声子束型能量采集器结构示意图；
图13为一端固定的声子束型能量采集器结构示意图；
图14为两端固定的声子束型能量采集器结构示意图；
图15为本发明中的悬臂梁式四棱柱二单元锥子束振动能量采集器在COMSOL仿真软件当中在扫频模式下声子束声学黑洞截断平面部分的振幅变化曲线图；
图16为本发明中的桥式四棱柱二单元锥子束振动能量采集器在COMSOL仿真软件当中在扫频模式下声子束声学黑洞截断平面部分的振幅变化曲线图；
图17为本发明中提供的一种三棱柱锥形声子束结构在COMSOL仿真软件当中在扫频模式下声子束声学黑洞截断平面部分的振幅变化曲线图；
图18为本发明中提供的一种五棱柱锥形声子束结构在COMSOL仿真软件当中在扫频模式下声子束声学黑洞截断平面部分的振幅变化曲线图；
图19为本发明中提供的一种六边形截面锥形声子束结构在COMSOL仿真软件当中在扫频模式下声子束声学黑洞截断平面部分的振幅变化曲线图；
上述图中的标记均为：1、主体部分；2、声学黑洞结构部分；3、截断平面部分；4、空心部分。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
锥形声子束型能量采集器基于声学黑洞结构效应的振动能量，获取电能，锥形声子束型振动能量采集器可用于低、中频段振动能量的采集，将环境中的振动能量集中至声学黑洞结构部分2和截断平面部分3，在截断平面部分3设置发电单元，发电单元连接能量捕获接口电路的输入接A、B，如图2所示，能量捕获接口电路包括二极管，电感和整流电容，四个二极管与整流电容组成一个标准桥式整流接口电路，输入接A、B经电感连接至由二极管构成的整流桥输入口，整流桥的输出口连接有整流电容。
锥形声子束型能量采集器设有至少一个采集单元，若为多个采集单元则采集单元结构相同，且相互之间首尾相连接，构成周期性组合分布的连续延长结构，即整体为一个杆状结构。采集单元为两端大中间小的结构，两端为主体部分1，中间设有截断平面部分3，截断平面部分3的两端均通过声学黑洞结构部分2连接主体部分1，声学黑洞结构部分2为由主体部分1向截断平面部分3截面逐渐变小的结构。
安装固定时，锥形声子束型能量采集器可以采用两端固定形式，和单端固定形式(悬臂式)，两端固定形式是采集器的两端均固定在固定支架上，单端固定形式是其中一端固定在固定支架上。
发电单元可以采用两种形式，一种是缠绕在截断平面部分3上的线圈，另一种是贴附在截断平面部分3上的压电陶瓷片，此种方式需要在截断平面部分3的表面涂覆有阻尼涂层，优选在截断平面部分3上贴附两个，在截断平面部分3上、下两面按极化方向相反的方式粘贴两片完全相同的压电陶瓷片构成串联连接方式，接入到能量捕获接口电路的输入接口。
下面列举四种实施例：
实施例一：在矩形截面锥子束单元振动能量采集器中，主体部分1采用声子晶体或高质量密度的金属材料或阻尼合金，声学黑洞结构部分2以及截断平面部分3(ABH截面延长部分)单独采用永磁性材料制作，并在围绕ABH截面延长部分放置线圈，当环境振动引起锥子束振动时，声学黑洞部分会产生明显的非线性振动，从而在线圈上产生一定的电压，经由线圈上的导线将该电能导入至能量捕获接口电路，由接口电路中的电容进行临时存储，以用于低功耗用电器的能量供给。同时该采集器中的锥形声子束可以进行周期性排列。
实施例二：在矩形截面锥子束单元振动能量采集器中，全部采集单元采用高质量密度的金属材料或阻尼合金；所述截断平面部分3表面喷涂有阻尼涂层，并贴附压电材料。当环境振动引起锥子束振动时，声学黑洞部分会产生明显的振动，致使声学黑洞部分所附压电材料产生压电效应，将声学黑洞部分的动能转换成电能，并经由能量捕获接口电路将其进行存储，以用于低功耗用电器的能量供给。同时该采集器中的锥形声子束可以进行周期性排列。
实施例三：本发明还提供一种空心圆形截面锥子束型振动能量采集器，类似地，弯曲部的厚度变化满足以下幂函数：
其中h0，为结构边缘尺寸，ht，为结构中心区域的残余厚度其中h(x)为x处声学黑洞结构的厚度，l1为声学黑洞中心至主干部分与凹面交界线的水平距离，幂指数m均为正有理数且m≥2。空心部分4截面圆外半径为R1，空心部分4内部的空心半径为R2。主体部分1采用声子晶体或高质量密度的金属材料或阻尼合金，声学黑洞结构部分2(2)单独采用永磁性材料制作，并在围绕截断平面部分3放置线圈，当环境振动引起锥子束振动时，声学黑洞部分会产生明显的非线性振动，从而在线圈上产生一定的电压，经由线圈上的导线将该电能导入至能量捕获接口电路，由接口电路中的电容进行临时存储，以用于低功耗用电器的能量供给。同时该采集器中的锥形声子束可以进行周期性排列。
实施例四：主体部分1和截断平面部分3和棱柱结构，其截面可以采用三角形、五边形、以及六边形，声学黑洞结构部分2的厚度变化同样满足声学黑洞曲线变化，在截断平面处表面喷涂有阻尼、附加压电材料。当环境振动引起锥子束振动时，声学黑洞部分会产生明显的振动，致使声学黑洞部分所附压电材料产生压电效应，将声学黑洞部分的动能转换成电能，并经由能量捕获接口电路将其进行存储，以用于低功耗用电器的能量供给。同时上述采集器中的锥形声子束可以进行周期性排列使用进行能量采集。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种锥形声子束型能量采集器，其特征在于：
采集器设有至少一个采集单元，若为多个采集单元则相互之间首尾连接构成周期性组合分布的连续延长结构；
所述采集单元的中间设有截断平面部分，所述截断平面部分的两端均通过声学黑洞结构部分连接主体部分，所述声学黑洞结构部分为由主体部分向截断平面部分截面逐渐变小的结构；
所述截断平面部分上设有发电单元，每个所述采集单元的发电单元均连接至能量捕获接口电路。
2.根据权利要求1所述的锥形声子束型能量采集器，其特征在于：所述采集器的其中一端固定在固定支架上，或者采集器的两端均固定在固定支架上。
3.根据权利要求2所述的锥形声子束型能量采集器，其特征在于：所述发电单元为缠绕在截断平面部分上的线圈。
4.根据权利要求2所述的锥形声子束型能量采集器，其特征在于：所述发电单元为贴附在截断平面部分上的压电陶瓷片，所述截断平面部分的表面涂覆有阻尼涂层。
5.根据权利要求4所述的锥形声子束型能量采集器，其特征在于：每个所述采集单元上设有两个压电陶瓷片，所述两个压电陶瓷片分别贴附在截断平面部分的两侧，且两个压电陶瓷片串联接入到能量捕获接口电路的输入接口。
6.根据权利要求1-5中任一所述的锥形声子束型能量采集器，其特征在于：所述主体部分采用声子晶体、金属材料或阻尼合金制成，所述声学黑洞结构部分和截断平面部分采用永磁性材料制作。
7.根据权利要求6所述的锥形声子束型能量采集器，其特征在于：所述主体部分和截断平面部分圆柱形结构，所述声学黑洞结构部分为圆锥台结构，所述声学黑洞结构部分表面弧度变化满足以下幂函数：
其中h0为声学黑洞结构部分表面结构边缘尺寸，ht为声学黑洞结构部分中心区域的残余厚度，h(x)为x处声学黑洞结构部分的厚度，l1为声学黑洞结构部分中心至主干部分与凹面交界线的水平距离，幂指数m均为正有理数且m≥2；
所述主体部分包括内端实心的实心部分，以及外端中空的空心部分。
8.根据权利要求6所述的锥形声子束型能量采集器，其特征在于：所述主体部分和截断平面部分为多棱柱结构。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210110551.8A CN114421810A (zh) | 2022-01-29 | 2022-01-29 | 一种锥形声子束型能量采集器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210110551.8A CN114421810A (zh) | 2022-01-29 | 2022-01-29 | 一种锥形声子束型能量采集器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114421810A true CN114421810A (zh) | 2022-04-29 |
Family
ID=81279502
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210110551.8A Pending CN114421810A (zh) | 2022-01-29 | 2022-01-29 | 一种锥形声子束型能量采集器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114421810A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115163729A (zh) * | 2022-07-13 | 2022-10-11 | 重庆大学 | 基于声学黑洞梁的周向阵列型拉索振动能量耗散环 |
| GB2620386A (en) * | 2022-07-04 | 2024-01-10 | Bae Systems Plc | Structural damper, structurally damped structure, and method |
-
2022
- 2022-01-29 CN CN202210110551.8A patent/CN114421810A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2620386A (en) * | 2022-07-04 | 2024-01-10 | Bae Systems Plc | Structural damper, structurally damped structure, and method |
| CN115163729A (zh) * | 2022-07-13 | 2022-10-11 | 重庆大学 | 基于声学黑洞梁的周向阵列型拉索振动能量耗散环 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114421810A (zh) | 一种锥形声子束型能量采集器 | |
| US20120292915A1 (en) | Device and system for harvesting energy | |
| CN105680720A (zh) | 多自由度压电-电磁复合式多方向宽频带动能采集器 | |
| CN105337531A (zh) | 一种压电发电装置 | |
| CN108832842B (zh) | 一种用于收集水平方向超低频振动能的升频式压电发电器 | |
| CN103346696A (zh) | 阵列式复合能量采集器 | |
| CN110572076B (zh) | 一种多方向压电振动能量收集装置 | |
| CN104038102A (zh) | 一种基于复合磁耦合效应的从导线磁场中采集能量的装置 | |
| CN104836472A (zh) | 利用声音能量的发电机和声音传感器 | |
| CN107623463A (zh) | 双稳态压电能量回收装置 | |
| CN108988684A (zh) | 一种吸振与振动能量采集一体化装置 | |
| CN101728974B (zh) | 多层梁式压电发电机及其发电方法 | |
| CN111049426A (zh) | 一种压电式多方向、宽频带振动能量收集装置 | |
| CN112019088B (zh) | 一种折纸耦合宽频带非线性压电振动发电装置 | |
| CN205283430U (zh) | 一种刚柔复合梁风能发电装置 | |
| CN105515442B (zh) | 一种臼型压电俘能器 | |
| CN111865142A (zh) | 一种基于多悬臂梁能量采集器的自供能传感器 | |
| CN109113917B (zh) | 一种用于海洋浮标供电的波动能发电装置 | |
| CN113852294A (zh) | 一种减振俘能双功能超材料梁 | |
| CN205490236U (zh) | 一种压电风能发电装置 | |
| US20240039429A1 (en) | Vibration energy harvester, power accumulator and power supplier | |
| CN114785190A (zh) | 一种z型梁结构的压电式振动能量采集装置 | |
| CN203416191U (zh) | 一种阵列式复合能量采集器 | |
| CN112769353B (zh) | 一种环形宽频压电多维振动能量采集器 | |
| CN112751505B (zh) | 一种基于交叉方形主梁的多方向宽频振动能量采集器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |