CN114809117A - 一种可实现地层振动能量回收的超材料隔振桩系统及应用 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种可实现地层振动能量回收的超材料隔振桩系统及应用，由多个超材料隔振桩阵列组成；所述超材料隔振桩包括空心桩(1)、谐振子系统、复合压电换能片(4)、能量收集与输出电压调整电路(5)。谐振子系统捕获地层中一定频率范围内的振动；复合压电换能片(4)能将谐振子系统捕获的振动中的机械能转化为电能；能量收集与输出功率电路(5)将捕获的电能由交流电调理为稳定电压的直流电为用电器供电，并将多余电能存储于储能电容器中。本申请将正压电效应通过超材料隔振桩应用于地层振动控制中，在隔离特定波长和频率范围内振动的同时，实现对地层振动机械能的收集，并利用转化的电能为附近的用电器供电，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本申请涉及地层振动控制与收集利用领域，是一种可实现地层振动能量回收的超材料隔振桩系统，涉及地层振动的超材料隔振方法以及压电换能材料的正压电效应。
背景技术
近年来，随着城市轨道交通建设的推进，城市内轨道交通线网密度提高，建筑物与轨道交通线路的距离越来越近。地铁隧道中列车运行产生的振动会在地层中传播，造成周边建筑物的振动，引发环境振动和噪声问题。古建筑保护、高端精密仪器及精加工产业发展，以及人们对高质量生活环境的追求等都迫切需要控制环境振动。因此，近年来，关于环境振动的控制问题受到高度重视。对于轨道交通引发环境振动的隔离一般有三类方案：在振源处控制，如在扣件、轨枕、道床处；在振动波传播过程中进行控制，如空沟、连续壁、波阻块、排桩；在接收处控制，如隔振器、减振平台等。对于既有线路周边新建设施的隔振，从振源处控制的方案由于需要改造既有轨道交通结构，代价较大，与之相比从传播过程中控制的方案更为经济。超材料隔振桩是一种从传播过程中控制地层振动的方案。除此之外，本系统还可实现对地震能量、城市施工等造成的冲击振动能量的阻隔、吸收和回收利用，具有广泛的应用前景。
超材料隔振桩主要基于三个原理：屏障效应、局部共振(Local Resonance)和Bragg散射效应。屏障效应指振动波在多孔介质(岩土体)与弹性固体(空心桩)界面上传播时出现的反射、折射现象。局部共振指当与桩内谐振子的自振频率接近的振动波通过时，桩内谐振子产生共振实现对振动波能量的吸收。Bragg散射效应指，在周期性分布结构中，对应于结构单元特征尺寸的特定波长范围内的波在传播时会发生反射、衍射，并出现相位差，相互干扰，对波的传播产生很强的破坏作用。在满足这一条件的周期性分布结构中，特定波长范围内的振动波将无法通过。
在控制地层振动的同时，如果可以对被超材料隔振桩系统捕获的振动的机械能转化为电能并利用，就可以为邻近的用电器(监测传感器、照明设施等)供电。由于环境振动的幅值较小，压电陶瓷材料是一种理想的机械能转换材料。根据压电陶瓷的正压电效应，在对压电材料施加平行于极化方向的力时，在此方向产生应变，同时产生电位差。
发明内容
本申请的目的就是将正压电效应应用于超材料隔振桩对地层振动的控制过程中，实现对机械能的捕获与转化。
本申请的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种可实现地层振动能量回收的超材料隔振桩系统，其特征在于，由多个超材料隔振桩阵列组成，可以实现对特定波长范围内振动的捕获与能量转换。
所述超材料隔振桩，包括空心桩1、谐振子系统、复合压电换能片4、能量收集与输出电压调整电路5。
所述空心桩1包括桩体和上、下两个盖板11；
所述谐振子系统可以捕获地层中一定频率范围内的振动，谐振子系统包括质量块2和弹性支承块3；所述质量块2设置于两个弹性支承块3之间；所述空心桩的内径略大于谐振子系统的直径，所述谐振子系统内置于空心桩1内；
所述复合压电换能片4嵌入谐振子系统内，将谐振子系统捕获的振动中的机械能转化为电能；所述复合压电换能片4由压电陶瓷晶片和金属片叠合而成，在谐振子系统由于地层振动影响而产生振动时将系统中的机械能转化为电能，在谐振子系统往复振动时产生交流电；
所述的能量收集与输出电压调整电路5布置于空心桩1与谐振子系统之间的空隙处，并与复合压电换能片4上下表面连接，将复合压电换能片4表面的交流电调整为稳定电压的直流电，为用电器供电，并将多余电能存储于储能电容器中。
进一步地，所述空心桩1、质量块2和弹性支承块3设计为圆柱体，质量块2和弹性支承块3的外径小于桩体和盖板的内径。
进一步地，通过调整质量块2的质量和弹性支承块3的刚度改变谐振子系统的自振频率，当振动波以接近自振频率的频率传播到超材料隔振桩处时产生共振，实现对振动波能量的捕获。
进一步地，所述复合压电换能片4嵌入谐振子系统内的方式有两种：复合压电换能片4嵌入质量块2与弹性支承块3相接处，或者复合压电换能片4嵌入弹性支承块3内。
进一步地，质量块2和复合压电换能片4之间、复合压电换能片4和弹性支承块3之间、弹性支承块3和空心桩1的盖板之间的界面皆通过热硫化粘合剂粘合。
进一步地，所述能量收集与输出电压调整电路5的电路结构包括桥式整流电路、稳压器、电容、电阻、用电器；复合压电换能片4与桥式整流电路相连，然后连接至稳压器的输入端，稳压器的输出端和用电器相连；当振动被捕获并传递到复合压电换能片4表面时，产生往复变化的交流电压，由桥式整流电路整流为直流电后电容C1充电，同时通过正向低压降稳压器为用电器提供稳定的工作电压。正向低压降稳压器输出的电压由下式计算，其中，VIn为压电片内部产生的电压；R1、R2为电阻；Iadj是ADJ脚漏电流，一般其值较小可以忽略不计：
一种可实现地层振动能量回收的超材料隔振桩系统的应用，其特征在于，通过超材料隔振桩的局部共振特性和周期性排布特性实现地层振动的吸收和阻隔，利用压电材料的正压电效应对谐振子吸收的振动能量进行收集和电能转化。
所述超材料隔振桩系统应用于轨道交通建设。
进一步地，多根超材料隔振桩根据Bragg散射效应通过调整桩与桩的间距，组成超材料隔振桩阵列，实现对特定波长范围内的波的捕获。通过设计其中每根桩拥有不同的谐振子自振频率，实现对更大频率捕捉范围的覆盖。
进一步地，所述空心桩1埋置于地层中，用于保护内部谐振子系统和复合压电换能片4不被岩土、地下水及锈蚀离子侵入、侵蚀和破坏，并保障超材料隔振桩的整体性。
进一步地，空心桩1的桩体选用C35P8抗渗混凝土，有良好的抗渗性能，空心桩外径0.8m，内径0.7m，高3.2m；空心桩1的盖板选用430型铁素体类不锈钢，耐腐蚀且具有较好延展性直径0.8m，厚度0.1m；质量块2由普通含锰钢60制成，刚度较大，密度约7800kg/m3，圆柱形底面直径0.6m、高0.9m；
弹性支承块3由聚氨酯橡胶，强度高、弹性好、耐老化，弹性模量约7.8MPa，圆柱形底面直径0.6m、高1.0m；
质量块2和弹性支承块3组成的谐振子系统纵向的自振频率约为10Hz。
进一步地，复合压电换能片4中间层材料为PZT-5H压电陶瓷，上下层为C5111磷青铜，具有良好导电性和弹性，压电陶瓷和磷青铜之间通过H20S环氧树脂导电胶粘结。
进一步地，所述正向低压降稳压器可以选择AMS1117系列稳压器。
进一步地，通过将单个超材料隔振桩按照间距10m组成阵列，可以实现对波长数量级在101m范围内的振动的捕获与能量转换。
与现有技术相比，本申请将正压电效应通过超材料隔振桩应用于地层振动控制中，在隔离特定波长和频率范围内振动的同时，实现对地层振动机械能的收集，并利用转化的电能为邻近的用电器(监测传感器、照明设施等)供电，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本申请的多根超材料隔振桩组成阵列的示意图；
图2是本申请的超材料隔振桩系统应用场景图；
图3是本申请的单根超材料隔振桩结构示意图；
图4是本申请的能量收集与输出电压调整电路示意图；
附图标记：
空心桩1，质量块2，弹性支承块3，复合压电换能片4，能量收集与输出电压调整电路5，超材料隔振桩6，盖板11。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本申请进行详细说明。
如图1所示，一种可实现地层振动能量回收的超材料隔振桩系统，由多个超材料隔振桩阵列组成，可以实现对特定波长范围内振动的捕获与能量转换。
如图3所示，所述超材料隔振桩，包括空心桩1、谐振子系统、复合压电换能片4、能量收集与输出电压调整电路5。
所述空心桩1包括桩体和上、下两个盖板。
所述谐振子系统可以捕获地层中一定频率范围内的振动，包括质量块2和弹性支承块3；所述质量块2设置于两个弹性支承块3之间；通过调整质量块2的质量和弹性支承块3的刚度改变谐振子系统的自振频率，当频率在自振频率附近的振动波传播到超材料隔振桩处时产生共振，实现对振动波能量的捕获。
所述空心桩的内径略大于谐振子系统的直径，所述谐振子系统内置于空心桩1内。
所述复合压电换能片4嵌入谐振子系统内，将谐振子系统捕获的振动中的机械能转化为电能，有两种嵌入方式：复合压电换能片4嵌入质量块2与弹性支承块3相接处，或者复合压电换能片4嵌入弹性支承块3内；所述复合压电换能片4由压电陶瓷晶片和金属片叠合而成，在谐振子系统由于地层振动影响而产生振动时将系统中的机械能转化为电能，在谐振子系统往复振动时产生交流电；由于压电陶瓷晶片为脆性材料，面积较大而厚度薄，在弹性支承块的弹力作用下易碎裂，因此通过与金属片叠合形成复合结构以提高压电换能片的韧性。
所述能量收集与输出电压调整电路5布置于空心桩1与谐振子系统之间的空隙处，并与复合压电换能片4上下表面连接，用于将复合压电换能片4表面的交流电调整为稳定电压的直流电，为用电器供电，并将多余电能存储于储能电容器中。
图4为能量收集与输出电压调整电路示意图。所述能量收集与输出电压调整电路5的电路结构包括桥式整流电路、稳压器、电容、电阻、用电器；复合压电换能片4与桥式整流电路相连，然后连接至稳压器的输入端，稳压器的输出端和用电器相连。当振动被捕获并传递到复合压电换能片4表面时，产生往复变化的交流电压，由桥式整流电路整流为直流电后电容C1充电，同时通过正向低压降稳压器为用电器提供稳定的工作电压。正向低压降稳压器输出的电压由下式计算，其中，VIn为压电片内部产生的电压；R1、R2为电阻；Iadj是ADJ脚漏电流，一般其值较小可以忽略不计：
如图1所示，通过将多个所述超材料隔振桩6按照一定间距组成阵列，可以实现对特定波长范围内振动的捕获与能量转换。
一种超材料隔振桩系统的地层振动能量回收应用方法，通过超材料隔振桩的局部共振特性和周期性排布特性实现地层振动的吸收和阻隔，利用压电材料的正压电效应对谐振子吸收的振动能量进行收集和电能转化。
具体地，多根超材料隔振桩根据Bragg散射效应通过调整桩与桩的间距，组成超材料隔振桩阵列，实现对特定波长范围内的波的捕获。通过设计其中每根桩拥有不同的谐振子自振频率，实现对更大频率捕捉范围的覆盖。
如图2所示，所述超材料隔振桩系统应用于轨道交通建设。由于轨道交通运行(地面、地下)车致振动、地震等原因，在地层中产生振动波。地层中传播的振动波在经过超材料隔振桩时，由于局部共振效应和布拉格散射效应被超材料隔振桩捕获。嵌入在超材料隔振桩中的复合压电换能片4将振动波的机械能转化为电能，这些电能经能量收集与输出电压调整电路5调节电压后，可以为临近的低功率用电器(照明、监测仪器等)供电。
实施例1
如图3(a)所示，所述超材料隔振桩中，复合压电换能片4嵌入于质量块2与弹性支承块3之间。
所述空心桩1埋置于地层中，用于保护内部谐振子系统和复合压电换能片4不被岩土、地下水及锈蚀离子侵入、侵蚀和破坏，并保障超材料隔振桩的整体性。
其中，空心桩1、质量块2和弹性支承块3设计为圆柱体，质量块2和弹性支承块3的外径小于桩体和盖板的内径。
具体地，空心桩1的桩体选用C35P8抗渗混凝土，有良好的抗渗性能，空心桩外径0.8m，内径0.7m，高3.2m；空心桩1的盖板选用430型铁素体类不锈钢，耐腐蚀且具有较好延展性直径0.8m，厚度0.1m；
质量块2由普通含锰钢60制成，刚度较大，密度约7800kg/m3，圆柱形底面直径0.6m、高0.9m；
弹性支承块3由聚氨酯橡胶，强度高、弹性好、耐老化，弹性模量约7.8MPa，圆柱形底面直径0.6m、高1.0m；
质量块2和弹性支承块3组成的谐振子系统纵向的自振频率约为10Hz；
复合压电换能片4中间层材料为PZT-5H压电陶瓷，上下层为C5111磷青铜，具有良好导电性和弹性，压电陶瓷和磷青铜之间通过H20S环氧树脂导电胶粘结；
质量块2和复合压电换能片4之间、复合压电换能片4和弹性支承块3之间、弹性支承块3和空心桩1的盖板之间的界面皆通过热硫化粘合剂粘合；
所述正向低压降稳压器可以选择AMS1117系列稳压器。
图1为多根超材料隔振桩组成阵列的示意图。通过将单个超材料隔振桩按照间距10m组成阵列，可以实现对波长数量级在101m范围内的振动的捕获与能量转换。
实施例2
与实施例1不同的是，所述复合压电换能片4嵌入于弹性支承块3内，如图3(b)所示。这种改变对于谐振子系统本身自振频率的影响可以忽略不计。通过这种结构上的调整，由于复合压电换能片4上下面均和弹性支承块3接触，而没有和刚性的质量块2接触，在同样的振动冲击下，实施例2中的复合压电换能片4更不易被机械损坏。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可实现地层振动能量回收的超材料隔振桩系统，其特征在于，由多个超材料隔振桩阵列组成，可以实现对特定波长范围内振动的捕获与能量转换；
所述超材料隔振桩，包括空心桩(1)、谐振子系统、复合压电换能片(4)、能量收集与输出电压调整电路(5)。
2.如权利要求1所述的可实现地层振动能量回收的超材料隔振桩系统，其特征在于，所述空心桩(1)包括桩体和上、下两个盖板(11)；
所述谐振子系统可以捕获地层中一定频率范围内的振动，谐振子系统包括质量块(2)和弹性支承块(3)；所述质量块(2)设置于两个弹性支承块(3)之间；所述空心桩的内径大于谐振子系统的直径，所述谐振子系统内置于空心桩(1)内；
所述复合压电换能片(4)嵌入谐振子系统内，将谐振子系统捕获的振动中的机械能转化为电能；所述复合压电换能片(4)由压电陶瓷晶片和金属片叠合而成，在谐振子系统由于地层振动影响而产生振动时将系统中的机械能转化为电能，在谐振子系统往复振动时产生交流电；
所述的能量收集与输出电压调整电路(5)布置于空心桩(1)与谐振子系统之间的空隙处，并与复合压电换能片(4)上下表面连接，将复合压电换能片(4)表面的交流电调整为稳定电压的直流电，为用电器供电，并将多余电能存储于储能电容器中。
3.如权利要求2所述的可实现地层振动能量回收的超材料隔振桩系统，其特征在于，所述空心桩(1)、质量块(2)和弹性支承块(3)设计为圆柱体，质量块(2)和弹性支承块(3)的外径小于桩体和盖板的内径。
4.如权利要求2所述的可实现地层振动能量回收的超材料隔振桩系统，其特征在于，通过调整质量块(2)的质量和弹性支承块(3)的刚度改变谐振子系统的自振频率，当振动波以接近自振频率的频率传播到超材料隔振桩处时产生共振，实现对振动波能量的捕获。
5.如权利要求2所述的可实现地层振动能量回收的超材料隔振桩系统，其特征在于，所述复合压电换能片(4)嵌入谐振子系统内的方式有两种：复合压电换能片(4)嵌入质量块(2)与弹性支承块(3)相接处，或者复合压电换能片(4)嵌入弹性支承块(3)内。
6.如权利要求2所述的可实现地层振动能量回收的超材料隔振桩系统，其特征在于，质量块(2)和复合压电换能片(4)之间、复合压电换能片(4)和弹性支承块(3)之间、弹性支承块(3)和空心桩(1)的盖板之间的界面皆通过热硫化粘合剂粘合。
7.如权利要求1所述的可实现地层振动能量回收的超材料隔振桩系统，其特征在于，所述能量收集与输出电压调整电路(5)的电路结构包括桥式整流电路、稳压器、电容、电阻、用电器；复合压电换能片(4)与桥式整流电路相连，然后连接至稳压器的输入端，稳压器的输出端和用电器相连；
当振动被捕获并传递到复合压电换能片(4)表面时，产生往复变化的交流电压，由桥式整流电路整流为直流电后电容C1充电，同时通过正向低压降稳压器为用电器提供稳定的工作电压；正向低压降稳压器输出的电压由下式计算，其中，VIn为压电片内部产生的电压；R1、R2为电阻；Iadj是ADJ脚漏电流，一般其值较小可以忽略不计：
8.一种可实现地层振动能量回收的超材料隔振桩系统的应用，其特征在于，应用于，通过超材料隔振桩的局部共振特性和周期性排布特性实现地层振动的吸收和阻隔，利用压电材料的正压电效应对谐振子吸收的振动能量进行收集和电能转化。
9.如权利要求8所述的可实现地层振动能量回收的超材料隔振桩系统的应用，其特征在于，多根超材料隔振桩根据Bragg散射效应通过调整桩与桩的间距，组成超材料隔振桩阵列，实现对特定波长范围内的波的捕获；通过设计其中每根桩拥有不同的谐振子自振频率，实现对更大频率捕捉范围的覆盖。
10.如权利要求8所述的可实现地层振动能量回收的超材料隔振桩系统的应用，其特征在于，应用于轨道交通建设；
所述空心桩(1)埋置于地层中，用于保护内部谐振子系统和复合压电换能片(4)不被岩土、地下水及锈蚀离子侵入、侵蚀和破坏，并保障超材料隔振桩的整体性；
空心桩1的桩体选用C35P8抗渗混凝土，有良好的抗渗性能，空心桩外径0.8m，内径0.7m，高3.2m；空心桩(1)的盖板选用430型铁素体类不锈钢，耐腐蚀且具有较好延展性直径0.8m，厚度0.1m；质量块(2)由普通含锰钢60制成，刚度较大，密度约7800kg/m3，圆柱形底面直径0.6m、高0.9m；
弹性支承块(3)由聚氨酯橡胶，强度高、弹性好、耐老化，弹性模量约7.8MPa，圆柱形底面直径0.6m、高1.0m；
质量块(2)和弹性支承块(3)组成的谐振子系统纵向的自振频率约为10Hz；
复合压电换能片(4)中间层材料为PZT-5H压电陶瓷，上下层为C5111磷青铜，具有良好导电性和弹性，压电陶瓷和磷青铜之间通过H20S环氧树脂导电胶粘结；
所述正向低压降稳压器可以选择AMS1117系列稳压器；
通过将单个超材料隔振桩按照间距10m组成阵列，可以实现对波长数量级在101m范围内的振动的捕获与能量转换。
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