一种可减振和能量回收的声子晶体格栅结构及其验证方法与流程

1.本发明涉及声学功能材料结构设计技术领域，尤其涉及一种可减振和能量回收的声子晶体格栅结构及其验证方法。


背景技术：

2.目前，大部分便携式电子设备和无线传感器都是采用电池供电。尽管随着电池技术的发展，人们可以通过增大电池的容量来延长其服务年限，但是当前电池增容技术的发展远远落后于无线电子器件的发展。这样因为电池寿命所限，使用时会遇到一系列的问题，在某些场合下更换电池也是一项成本很高甚至不可能完成的工作。例如，在无线传感网络中大量的传感的节点被置于桥梁上，用于结构健康监测传感器。当电池的能量耗尽时，这就需要定期更换传感器上的电池。这样，保证一个由上千个节点组成的无线传感器网络的运行就需要定期更换大量的电池，一方面必然增高了无线传感网络的使用成本，对状态监测技术的应用和发展带来不利影响，另一方面大量的废弃电池也会对环境造成不可逆转的危害。所以，开展新的无线供能技术研究己成为当务之急。
3.目前，针对能量回收，应用较多的是压电式振动能量回收，研究和应用较多的是压电陶瓷pzt以及压电薄膜pvdf。压电材料因自身具有无污染、成本低、不发热、稳定性高、无电磁干扰和力电转化效率高等优点，被广泛用于能量回收装置进行电能回收，其压电性能集中体现在材料具有的弹性应变与电极化之间的耦合效应。对于正压电效应表征为压电材料在外部振动下发生弯曲形变时，会引起材料内部的正、负电荷向电极两端发生相对移动而产生电极化，使得在电极两端产生电压。压电式振动能量收集器的工作方式因外界的振动即可直接激发压电材料的压电效应产生电压，且振动越大产生的形变越大，所以转化形成的压电就越高。
4.随着科学技术的发展，声子晶体作为一种人工周期性复合材料，具有带隙特性。利用声子晶体的带隙特性控制和操纵输入的机械能以定位和聚焦在所需的收集位置，通过主动控制来放大输入的机械能，同时实现减振降噪(提供超静环境)和能量回收(小型设备自供电)。因此，声子晶体结构可以为被嵌入到飞机各个部分(如机翼或机身)的无线传感器的自供电做贡献，以进行结构分析。
5.然而，飞机上用于健康监测的无线传感器、远端监视器和其他低功率应用正在接近“零”电源的设备，在真实环境中实现的系统一直笨重、复杂并昂贵。相较于实体板来说，鉴于格栅结构全是梁组成，可节省材料也可减轻结构重量，在保证结构质量的情况下节约成本和保证结构轻质。因此，有必要提出一种声子晶体格栅结构，用来实现高性能的振动能量回收为低能耗设备供电，使声子晶体更好的应用于工程领域。


技术实现要素：

6.本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种可减振和能量回收的声子晶体格栅结构及其验证方法，能实现高性能的振动能量回收为低能耗设备供电，具有微型、轻质
和宽带隙特性。
7.为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种可减振和能量回收的声子晶体格栅结构，包括：
8.基体梁；所述基体梁为格栅状，且该格栅中形成有多个结构等同的空心格；
9.多个压电散射体；每四个压电散射体为一组，每一组压电散射体为一声子晶体，并均呈交叉状的对应设置于该格栅中任一空心格的某一交叉点上，以使得每一声子晶体均与对应设置的空心格形成为一单胞；
10.其中，在所述声子晶体格栅结构的基体梁一侧面施加一个谐波激励时，取任一单胞中的四个压电散射体作为能量回收装置，并通过该能量回收装置输出一定大小电压给设备供电。
11.其中，每一组呈交叉状的四个压电散射体的一端均活动的安装于相应空心格的一交叉点上，另一端均远离其对应固定的交叉点设置；其中，所述交叉状为十字型交叉或x字型交叉。
12.其中，所述基体梁的制作材质采用金属铝；每一压电散射体的制作材质均采用压电陶瓷。
13.其中，所述谐波激励的幅值为25n，且频率为50.51khz。
14.其中，所述声子晶体格栅结构的带隙处于带隙范围为41.65khz～51.85khz之间。
15.其中，所述声子晶体格栅结构的输出电压为0.28v。
16.本发明实施例还提供了一种可减振和能量回收的声子晶体格栅结构验证方法，其在前述的可减振和能量回收的声子晶体格栅结构上实现，包括以下步骤：
17.获取所述声子晶体格栅结构的几何参数和材料属性，并利用有限元法计算所述声子晶体格栅结构的带隙以及传输谱；
18.基于所述传输谱，确定所述声子晶体格栅结构横截面待施加的谐波激励，并对所述谐波激励已施加之后由所述声子晶体格栅结构输出电压进行检测，并根据检测结果，对所述声子晶体格栅结构是否回收低频振动能量进行验证。
19.其中，所述几何参数包括基体梁的厚度、宽度和高度，每一组压电散射体交叉形成一个压电梁的厚度、宽度和高度，以及基体梁与压电梁的角度；所述材料属性包括密度、弹性模量和泊松比。
20.其中，所述声子晶体格栅结构的带隙处于带隙范围为41.65khz～51.85khz之间。
21.其中，所述声子晶体格栅结构输出电压为0.28v。
22.实施本发明实施例，具有如下有益效果：
23.1、本发明能获得较宽带隙内的高电能输出表现，以便用于无线传感器和小型设备供电，具有宽带隙特性，从而可以实现高性能的振动能量回收为低能耗设备供电，不但具有抑制生活环境中噪声和振动的能力，而且能把这些噪声和低频振动转化为电能供电，为机器提供好的工作环境，延长其使用寿命，提高工作精度；
24.2、本发明的格栅结构全是梁组成，可节省材料也可减轻结构重量，在保证结构质量的情况下节约成本和保证结构轻质，具有微型和轻质特性。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
26.图1为本发明实施例中提供的一种可减振和能量回收的声子晶体格栅结构的局部立体结构示意图；
27.图2为本发明实施例中提供的一种可减振和能量回收的声子晶体格栅结构的应用场景中单胞的几何参数及正方形不可约布里渊区的示意图；
28.图3为图2中单胞的色散曲线图；
29.图4为本发明实施例中提供的一种可减振和能量回收的声子晶体格栅结构的应用场景中5x5超胞结构上设置能量回收装置的示意图；
30.图5为图4中超胞结构计算所得的传输谱图；
31.图6为图4中超胞结构施加谐波激励后所得的弹性波传输行为图；
32.图7为图4中超胞结构输出电压的频率响应函数图；
33.图8为图4中超胞结构在50.51khz处外部阻抗作为输出电压和输出电功率的函数关系图；
34.图9为本发明实施例中提供的一种可减振和能量回收的声子晶体格栅结构验证方法的流程图。
具体实施方式
35.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
36.如图1所示，为本发明实施例中，提供的一种可减振和能量回收的声子晶体格栅结构，包括：
37.基体梁1；该基体梁1采用金属铝制作呈格栅状，且该格栅中形成有多个结构等同(如1cmx1cm)的空心格；
38.多个压电散射体2；所有的压电散射体2采用压电陶瓷制作而成，且每四个压电散射体2为一组，每一组压电散射体2为一声子晶体，并均呈交叉状的对应设置于该格栅中任一空心格的某一交叉点上(即形成为压电梁)，以使得每一声子晶体均与对应设置的空心格形成为一单胞；其中，每一组呈交叉状的四个压电散射体2的一端均活动的安装于相应空心格的一交叉点上，另一端均远离其对应固定的交叉点设置；在一个实施例中，交叉状为十字型交叉或x字型交叉；
39.其中，在该声子晶体格栅结构的基体梁1一侧面施加一个幅值为25n且频率为50.51khz的谐波激励时，取任一单胞中的四个压电散射体2作为能量回收装置，并通过该能量回收装置输出一定大小电压(如0.28v)给设备供电。
40.应当说明的是，该声子晶体格栅结构谐波激励下，得到机械波的传播行为，通过观察机械波传播行为在带隙内和带隙外机械波的传播情况知悉，在带隙内机械波传播被禁止，声子晶体的第一层位移最大，使得对应单胞的压电梁产生的变形最大可以作为能量回
收装置，在通带内机械波从声子晶体内通过，引起整个声子晶体结构的压电梁都发生变形，使得所有压电梁都可以作为能量回收装置。
41.在本发明实施例中，该声子晶体格栅结构的带隙处于带隙范围为41.65khz～51.85khz之间，因此可以通过获得较宽带隙内的高电能输出表现，以便用于无线传感器和小型设备供电。
42.如图2至图8所示，对本发明实施例中提供的一种可减振和能量回收的声子晶体格栅结构是否回收低频振动能量进行验证，具体过程如下：
43.第一步、获取由一个十字形铝梁基体和四个压电散射体形成的压电梁所组成的单胞，如图2所示。其中，基体梁的厚度是3mm，宽度是25mm，高度是1mm；一个压电梁的厚度是3mm，宽度是7.5mm，高度是0.8mm；基体梁与压电梁的角度相差45度。
44.第二步、在单胞的四边分别被施加bloth周期性边界条件，通过有限元法沿着图2中给出的不可约布里渊区的边界(γ-x-μ-γ)扫描计算，可以得到图3中单胞的色散曲线图。观察到带隙范围是41.65khz到51.85khz，带宽接近10khz，是一个较宽的带隙范围。
45.图4中描述了声子晶体的单胞分别沿着x方向和y方向周期性阵列组成一个5
×
5的有限声子晶体超胞结构，所使用的两种材料的材料属性见表1所示。
46.表1
[0047][0048]
在该超胞结构的左侧施加幅值为25n且频率在50.51khz处的谐波激励，并在该超胞结构右侧拾取响应，可以获得结构的传输谱图，如图5所示。在图5中，可以发现清晰的存在一个频率范围，在这个频率范围内，其声学衰减是最大的，称之为完全带隙，传输谱的峰值表示衰减的程度。带隙的起始于截止频率与带隙计算的结果吻合，证明了该种带隙计算方法的正确性和有效性。
[0049]
第三步、对带隙范围进行扫频计算，关于输出电压的频率响应函数如图7所示。观察到最高电压出现在53.6khz处，并不是激励频率50.51khz处，主要是因为结构刚度的影响。在50.51khz处的输出电压为0.28v。为了分析结果的阻抗匹配问题，图8中描述了在50.51khz处外部阻抗作为输出电压和输出电功率的函数关系。可以发现结构外部阻抗匹配较高，输出的电功率为0.0175mw。
[0050]
如图9所示，为本发明实施例中，提供的一种可减振和能量回收的声子晶体格栅结构验证方法，其在本发明实施例中的可减振和能量回收的声子晶体格栅结构上实现，包括以下步骤：
[0051]
步骤s1、获取所述声子晶体格栅结构的几何参数和材料属性，并利用有限元法计算所述声子晶体格栅结构的带隙以及传输谱；
[0052]
步骤s2、基于所述传输谱，确定所述声子晶体格栅结构横截面待施加的谐波激励，并对所述谐波激励已施加之后由所述声子晶体格栅结构输出电压进行检测，并根据检测结果，对所述声子晶体格栅结构是否回收低频振动能量进行验证。
[0053]
具体过程为，在步骤s1中，首先，获取声子晶体格栅结构的几何参数包括丹不限于基体梁的厚度、宽度和高度，每一组压电散射体交叉形成一个压电梁的厚度、宽度和高度，以及基体梁与压电梁的角度等。获取声子晶体格栅结构的材料属性包括但不限于密度、弹性模量和泊松比等。
[0054]
其次，构建有限元计算模型，根据声子晶体格栅结构的几何参数和材料属性，并结合相应的边界条件(如不可约布里渊区的边界)，计算得到声子晶体格栅结构的带隙；其中，该声子晶体格栅结构的带隙处于带隙范围为41.65khz～51.85khz之间。
[0055]
接着，确定幅值为25n且频率在50.51khz处的谐波激励，并在声子晶体格栅结构的左侧施加该谐波激励，通过在该声子晶体格栅结构右侧拾取响应，可以获得该声子晶体格栅结构的传输谱。
[0056]
在步骤s2中，获取该谐波激励已施加之后由声子晶体格栅结构输出电压(如0.28v)进行检测，若该输出电压大于预设电压阈值(如0.1v)，认定声子晶体格栅结构能回收低频振动能量；反之，若该输出电压小于预设电压阈值(如0.1v)，认定声子晶体格栅结构不能回收低频振动能量。
[0057]
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
[0058]
1、本发明能获得较宽带隙内的高电能输出表现，以便用于无线传感器和小型设备供电，具有宽带隙特性，从而可以实现高性能的振动能量回收为低能耗设备供电，不但具有抑制生活环境中噪声和振动的能力，而且能把这些噪声和低频振动转化为电能供电，为机器提供好的工作环境，延长其使用寿命，提高工作精度；
[0059]
2、本发明的格栅结构全是梁组成，可节省材料也可减轻结构重量，在保证结构质量的情况下节约成本和保证结构轻质，具有微型和轻质特性。
[0060]
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。