低频振动隔离和能量采集双功能超材料

振动隔离和能量采集一体化是一种能够将有害振动隔离并转化为电能收集利用的动力学机制. 本文从局域共振超材料存在低频带隙特性出发, 研究了振动隔离和能量采集双功能超材料的动力学行为. 通过在球型磁腔内放置固接了感应线圈的球摆构成具有能量采集功能的球摆型谐振器, 并将其周期性的放置在基体梁中, 可以将带隙频率范围内的振动聚集在谐振器内, 以实现振动隔离和能量采集双功能. 建立了横向激励下双功能超材料梁的动力学方程, 应用Bloch's定理得到超材料的能带结构, 通过有限元仿真验证了理论模型和研究方法. 研究了不同参数下超材料梁的带隙特性. 进一步将一维拓展到二维, 研究了二维双功能超材料板的振动隔离和能量采集性能. 最后, 设计并建造了振动隔离和能量采集一体化双功能超材料动力学实验平台, 解析、数值和实验结果表明, 在局域共振带隙的频率范围内, 超材料梁主体的振动明显被抑制, 与此同时, 振动被局限在谐振器中, 使采集到的电压达到了最大值. 通过对附加谐振器和没有附加谐振器的能带结构和幅频响应的对比, 发现球摆型谐振器的加入可以在低频范围内形成了一个局域共振带隙, 有效提高了超材料梁在低频处的振动隔离和能量采集性能.      

局域共振型声子晶体板缺陷态带隙及其俘能特性研究

设计了一种由圆柱形散射体嵌入环氧树脂基体而组成的周期阵列局域共振型声子晶体板结构, 分析了其平直带区域以及缺陷态的能量集中特性, 并研究了其振动能量采集特性. 首先基于超元胞法结合有限元方法分析了5 $\times$ 5完美声子晶体结构和缺陷态声子晶体结构的能带曲线和能量传输特性; 考虑点缺陷局域共振声子晶体结构的能量集中特性, 利用压电材料代替超元胞中某点的散射体材料引入点缺陷, 分析其振动能量采集特性, 结果表明单个5 $\times$ 5点缺陷超胞结构共振频带较窄; 为提升俘能效率, 提出两种由3个具有不同缺陷态数量和构型的5 $\times$ 5超元胞结构并联而成的5 $\times$ 15声子晶体板结构, 机电耦合特性分析结果表明: 所提出的局域共振型声子晶体板结构克服了单个点缺陷超胞结构缺陷模过少、共振频带过窄的局限性, 拓宽了俘能器的工作频带, 提高了输出电压; 此外, 引入不同的缺陷态数量和构型, 可以进一步拓宽俘能带宽, 实现更好的俘能效果.      

基于碰撞升频的MEMS压电振动能量采集系统

本文提出了一种基于碰撞升频机制的微型压电能量采集系统，由一对共振频率不同的悬臂梁平行叠放组成。在外界低频振动激励下，底部低频S形金属曲梁产生共振，在运动过程中碰撞顶部高频微型压电直梁，从而将低频环境振动转换为高频压电梁的振动，解决了压电直梁的固有频率与外界激励频率不匹配问题，同时提高能量收集的效率。本文建立了悬臂梁受迫振动和碰撞耦合振动的动力学模型，讨论了压电悬臂梁的电压输出特性。通过实验测试了压电能量收集系统和单个压电悬臂梁的开路电压并计算了输出功率，结果表明当振动加速度为1.0 g时，升频式压电能量采集系统在25 Hz的激振下输出功率达到8.6 μW，高于单个压电悬臂梁的最大输出功率。     

反共振流体浮筏的隔振特性研究

基于反共振原理, 设计了一种新型的流体浮筏隔振器. 应用流体动量方程和结构振动理论推导了该隔振器的数学模型, 分析了其隔振特性, 得到了最优隔振频率和浮体浸入流体深度的关系式. 仿真结果表明, 当浮体浸入流体深度在有限的范围内变化时, 新型隔振器会在从低频到高频的宽带内发生反共振现象. 反共振条件下的力传递率可降至极低水平.流体浮筏隔振器具有很好的(尤其是低频)隔振效果.     

光热激励下微悬臂梁在流体中的振动研究

微悬臂梁结构广泛应用于微纳电子机械系统. 在实际应用中,涂层和工作环境的变化对微悬臂梁结构动态工作模式有着不容忽视的影响. 运用流体中双层微悬臂梁的光热振动模型,研究了在激光光热驱动下,金涂层微悬臂梁在不同流体中的振动特性. 理论上得到了微悬臂梁的温度场,光热驱动力和振动变形场的解析表达式. 研究结果表明,流体环境对微悬臂梁的光热振动谱有显著的影响,主要表现在共振频率的偏移和品质因子的变化两个方面. 相比较于悬臂梁在真空中的响应,当悬臂梁在空气中振动时,共振频率向低频产生微小的漂移（0.7%）,共振峰未发生明显变化;然而,当悬臂梁在液体中振动的时候,共振频率向低频产生巨大的漂移（58%~80%）,而且品质因子发生量级上的减小,共振峰发生了畸变. 本研究对微纳探测以及原子力显微镜等仪器的设计优化,有着一定的理论指导意义.      

STUDY ON THE VIBRATION OF MICROCANTILEVERS IMMERSED IN FLUIDS UNDER PHOTOTHERMAL EXCITATION

微悬臂梁结构广泛应用于微纳电子机械系统. 在实际应用中,涂层和工作环境的变化对微悬臂梁结构动态工作模式有着不容忽视的影响. 运用流体中双层微悬臂梁的光热振动模型,研究了在激光光热驱动下,金涂层微悬臂梁在不同流体中的振动特性. 理论上得到了微悬臂梁的温度场,光热驱动力和振动变形场的解析表达式. 研究结果表明,流体环境对微悬臂梁的光热振动谱有显著的影响,主要表现在共振频率的偏移和品质因子的变化两个方面. 相比较于悬臂梁在真空中的响应,当悬臂梁在空气中振动时,共振频率向低频产生微小的漂移（0.7%）,共振峰未发生明显变化;然而,当悬臂梁在液体中振动的时候,共振频率向低频产生巨大的漂移（58%~80%）,而且品质因子发生量级上的减小,共振峰发生了畸变. 本研究对微纳探测以及原子力显微镜等仪器的设计优化,有着一定的理论指导意义.     

地应力水平对深埋隧洞爆破振动频谱结构的影响

爆破振动的频谱特性对隧洞安全施工具有重要意义。采用动力有限元方法，分析了不同地应力水平条件下围岩爆破振动频率特征，通过对实测爆破振动信号的时域和频域联合分析，研究了不同频带上的振动能量分布。结果表明，爆破振动的主频及各个振动能量优势频带都有随地应力水平升高而降低的趋势，伴随爆破破岩过程而发生的地应力瞬态卸载动力效应是产生这一现象的主要原因。地应力水平越高，爆破振动信号中20～100 Hz的低频振动能量比重越大。当爆区的地应力为20 MPa时，20～100 Hz频带内的振动能量可达到总振动能量的35%左右；当爆区的地应力为30～50 MPa时，20～100 Hz频带内的振动能量可达到总振动能量的50%以上。除地应力水平外，应力卸载速率及岩体的力学特性也对爆破振动主频具有显著影响，卸载速率越高，低频振动能量比重越大。卸载速率取决于掏槽爆破方式，直孔掏槽导致岩体应变能释放速率最高。岩体弹性模量越大，爆破振动的主频越高。     

基于声学超材料的穿孔板缺陷态俘能特性研究

本文提出了一套适用于在低频段区间工作的声学超材料俘能装置。通过在含孔的声学超材料结构中制造一个局域共振缺陷态,进而将入射声波的弹性应变能集中在缺陷区域中,并利用压电晶片实现能量的转化。本文采用有限元的方法研究了元胞含孔的声学超材料在共振频率下俘获功率与电压的性能。进一步地,通过逐渐改变孔的尺寸,探究了孔径大小对俘能效果的影响。数值计算结果表明：相比于元胞不含孔的声学超材料俘能装置,通过在元胞上打孔可以明显地提高装置在低频段的俘能特性。本文提出的装置具有易加工,实用性强等优点,进一步提高了其在低频区间俘能的工作能力,具有潜在的应用前景。     

铁路混凝土箱梁的振动与噪声频谱特性研究

为了研究混凝土箱梁的振动与噪声频谱特性,以成灌铁路跨度为32m的单线混凝土简支箱梁为研究对象,开展了现场试验研究、理论分析、有限元模拟。研究结果表明:箱梁顶、底板的弯曲振动是结构噪声产生的根源,其局部振动特性可由板壳或实体有限元分析得到;该箱梁的结构噪声在1/3倍频程、中心频率为63Hz处出现最大值,且具有明显的"有调性";车速在144~160km/h范围内变化时,箱梁总体噪声级变化较小,标准差在1dB以内;基于底板振动加速度近似推测结构噪声的方法具有可行性,预测值与实测值的偏差在5%以内;该箱梁在60~70Hz范围出现共振,并且该频率范围内声辐射效率接近最大值,二者共同导致了峰值噪声的产生。受板厚和材料的限制,声辐射效率的峰值频率变化较小,因此改变共振频率对降噪分析具有重要意义。     

惯容器对隔振系统动态性能影响研究

本文设计了一种滚珠丝杠惯容器及ISD隔振系统,通过实验研究了惯性轮的转动惯量对惯容值的影响;同时,分析了滚珠丝杠惯容器的机械动力学特性,推导了ISD隔振系统的振动传递率计算公式,探讨了惯容器对ISD隔振系统动态特性的影响。在电机被动、主动和混合隔振工况下,开展了弹簧阻尼系统和ISD隔振系统的振动性能对比实验,验证了惯容器对振动系统固有频率和减振效果的影响规律。研究结果表明,惯容器可降低振动系统的固有频率,使共振频率向低频移动,共振振幅降低;在共振频率附近,惯容器可抑制共振振幅,惯容值越高,抑制效果越明显;ISD隔振系统在低频的减振效果优于传统的弹簧阻尼系统;随着频率比的增加,ISD隔振系统的传递率趋于稳定值,惯容器会引起高频隔振性能降低。     

Nonlinear vibration energy harvesting with adjustable stiffness,damping and inertia

A novel nonlinear structure with adjustable stiffness, damping and inertia is proposed and studied for vibration energy harvesting. The system consists of an adjustable-inertia system and X-shaped supporting structures. The novelty of the adjustable-inertia design is to enhance the mode coupling property between two orthogonal motion directions, i.e., the translational and rotational directions, which is very helpful for the improvement of the vibration energy harvesting performance. Weakly nonlinear stiffness and damping characteristics can be introduced by the X-shaped supporting structures. Combining the mode coupling effect above and the nonlinear stiffness and damping characteristics of the X-shaped structures, the vibration energy harvesting performance can be significantly enhanced, in both the low frequency range and broadband spectrum. The proposed 2-DOF nonlinear vibration energy harvesting structure can outperform the corresponding 2-DOF linear system and the existing nonlinear harvesting systems. The results in this study provide a novel and effective method for passive structure design of vibration energy harvesting systems to improve efficiency in the low frequency range.     

基于非线性谐振电路的双稳态俘能器的俘能与动力学特性研究

双稳态俘能器可实现宽频和高效的俘能效果.目前的研究主要在双稳态结构中接入单一电阻电路进行俘能.本文将非线性RLC (电阻-电感-电容)谐振电路引入到三弹簧式双稳态结构中,构建两自由度非线性系统,以实现俘能特性的提升.设计永磁体与线圈的构型,获得了非线性机电耦合系数.推导并得到了两自由度非线性俘能器的控制方程.利用谐波平衡法推导得到了系统的电流与位移的频率响应关系.基于雅可比矩阵对解的稳定性进行了判别.将解析解与数值解进行了对比验证.结果表明,在双稳态俘能器中引入非线性二阶谐振电路不仅有利于低频俘能,还可进一步提升俘能响应,拓宽俘能带宽.相同的电路参数下,与线性电路相比非线性电路可通过电流的倍频现象实现结构更低频率的能量俘获.减小谐振电路与双稳态结构共振频率之比,增加基础激励幅值,减小静平衡点之间的距离均可提升俘能器的俘能效果.通过调控谐振电路与双稳态共振频率之比和基础激励幅值等参数,可实现系统单倍周期响应、多倍周期响应及混沌响应之间的切换.     

谐波平衡法与复平均法计算强非线性系统稳态响应的区别

近些年，很多学者致力于利用非线性增强振动响应减少的效果或者能量采集器的效率。因而非线性系统的响应值需要从理论计算方面更准确地预测。另外，根据学者已取得的研究成就，非线性能量汇(NES)中存在的立方刚度非线性可以将结构中宽频域的振动能量传递至非线性振子部分。文章将一种由NES和压电能量采集器组成的NES-piezo装置与两自由度主结构耦合连接，系统受谐和激励作用。文章采用谐波平衡法和复平均法分别推导了系统稳态响应，参照数值结果，对比两种近似解析方法在求解强非线性系统稳态响应时的异同。计算结果表明，系统体现较弱非线性时，二者计算结果差异很小；当系统体现强非线性时，复平均法不能准确地呈现系统高阶响应，提高阶数的谐波平衡法能更准确地表示系统响应值。基于谐波平衡法和数值算法，讨论NES-piezo装置对于系统宽频域减振的影响。与仅加入非线性能量汇情况对比，结果表明NES-piezo装置不会恶化宽频域减振效果，并且在第一阶共振频率附近，可以稍微提高结构减振效率。另外，计算结果也表明，采用恰当的NES-piezo装置可实现宽频域范围的结构减振和压电能量采集一体化。此项研究工作为研究不同情形强非线性系统的响应提供了理论方法的指导。另外，研究结果也为宽频域范围的结构减振和压电能量采集一体化提供了理论依据。     

弯曲波彩虹捕获效应及其在能量俘获中的应用

弹性波在色散关系经过设计的梯度结构中传播时会产生空间分频现象和波场能量增强现象, 即不同频率的弹性波会在结构的不同位置停止向前传播并发生能量聚集, 这就是弹性波彩虹捕获效应. 其相关研究成果可以促进结构健康监测、振动控制以及能量俘获等领域的发展. 本文通过所设计的梯度结构梁, 系统地研究了弯曲波彩虹捕获效应及其在压电能量俘获中的应用. 首先, 利用传递矩阵法获得了梯度结构梁元胞能带结构的解析解, 进而分析了弯曲波彩虹捕获效应的产生机理: 不同频率的弯曲波会在不同元胞附近群速度减小到零, 从而停止向前传播并发生反射; 入射波和反射波的叠加, 以及群速度减小带来的能量聚集, 会显著增强反射处的波场能量. 其次, 通过有限元仿真和实验验证了弯曲波彩虹捕获效应的空间分频现象和波场能量增强现象. 最后, 通过有限元多物理场耦合仿真和实验, 研究了粘贴PVDF压电薄膜的梯度结构梁相对于均匀梁的弯曲波能量俘获效果及其随入射波频率的变化规律. 结果表明, 在弯曲波彩虹捕获效应发生频带内, 粘贴在梯度结构梁上的PVDF压电薄膜的输出电压约为粘贴在均匀梁相应位置处的PVDF压电薄膜的输出电压的2倍.      

面内压电振动能量采集动力学设计与性能研究

压电振动能量采集将环境中普遍存在的机械能转换为电能，可以实现自供能传感、控制与驱动，具备灵活、节能环保、可持续的优势，具有广阔的应用前景。为了促进压电振动能量采集器件的集成与融合，提出面内压电振动能量采集，将压电振动能量采集器进行扁平化设计，使其在二维平面内采集振动能量，在保证较大功率输出下能够显著减小器件所需三维空间。为了提高输出功率与工作频宽，设计了具有双稳态与力放大机制的面内压电振动能量采集器。考虑弯张小变形，通过能量法建立了面内压电振动能量采集器的机电耦合动力学模型。分析了关键设计参数对面内压电振动能量采集器性能的影响。数值仿真了面内压电振动能量采集器在简谐激励下的俘能性能，结果表明，通过合理的设计，面内压电振动能量采集器可以低频、宽频弱激励下有效俘获能量。面内压电振动能量采集设计方法有利于推动便携式、可穿戴式自供能等方面的应用和产业化。     

Energy harvester array using piezoelectric circular diaphragm for rail vibration

Generating electric energy from mechanical vibration using a piezoelectric circular membrane array is presented in this paper.The electrical characteristics of the functional array consisted of three plates with varies tip masses are examined under dynamic conditions.With an optimal load resistor of 11 k,an output power of 21.4 m W was generated from the array in parallel connection at 150 Hz under a pre-stress of 0.8 N and a vibration acceleration of9.8 m/s2.Moreover,the broadband energy harvesting using this array still can be realized with different tip masses.Three obvious output power peaks can be obtained in a frequency spectra of 110 Hz to 260 Hz.The results show that using a piezoelectric circular diaphragm array can increase significantly the output of energy compared with the use of a single plate.And by optimizing combination of tip masses with piezoelectric elements in array,the frequency range can be tuned to meet the broadband vibration.This array may possibly be exploited to design the energy harvesting for practical applications such as future high speed rail.     

Enhancement of channel wall vibration due to acoustic excitation of an internal bubbly flow

The effect of an internal turbulent bubbly flow on vibrations of a channel wall is investigated experimentally and theoretically. Our objective is to determine the spectrum and attenuation rate of sound propagating through a bubbly liquid flow in a channel, and connect these features with the vibrations of the channel wall and associated pressure fluctuations. Vibrations of an isolated channel wall and associated wall pressure fluctuations are measured using several accelerometers and pressure transducers at various gas void fractions and characteristic bubble diameters. A waveguide-theory-based model, consisting of a solution to the three-dimensional Helmholtz equation in an infinitely long channel with the effective physical properties of a bubbly liquid is developed to predict the spectral frequencies of the wall vibrations and pressure fluctuations, the corresponding attenuation coefficients and propagation phase speeds. Results show that the presence of bubbles substantially enhances the power spectral density of the channel wall vibrations and wall pressure fluctuations in the 250–1200 Hz range by up to 27 and 26 dB, respectively, and increases their overall rms values by up to 14.1 and 12.7 times, respectively. In the same frequency range, both vibrations and spectral frequencies increase substantially with increasing void fraction and slightly with increasing bubble diameter. Several weaker spectral peaks above that range are also observed. Trends of the frequency and attenuation coefficients of spectral peaks, as well as the phase velocities are well predicted by the model. This agreement confirms that the origin of enhanced vibrations and pressure fluctuations is the excitation of streamwise propagating pressure waves, which are created by the initial acoustic energy generated during bubble formation.