基于聲學(xué)黑洞的壓電俘能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)仿真與優(yōu)化

汪 恒,鄭偉光，何仕明，陳姍姍

(桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 廣西 桂林 541004)

0 引言

隨著各種無線設(shè)備自供能的需求，從環(huán)境中采集振動能量成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱門方向[1]。由于振動產(chǎn)生的能量分散，大小不一，如何有效集中采集環(huán)境中的振動能成為研究的關(guān)鍵。1988年，Mironov[2]提出的一種用來實現(xiàn)對彎曲波振動控制的“聲學(xué)黑洞(ABH)”效應(yīng)，通過結(jié)構(gòu)阻抗的變化，使得結(jié)構(gòu)中波的相速度發(fā)生變化，在結(jié)構(gòu)特定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)波的能量聚集[3]。聲學(xué)黑洞將物理學(xué)中的黑洞概念引入到聲振領(lǐng)域，并在振動與噪聲控制及能量收集領(lǐng)域得到廣泛的關(guān)注[4-7]。在壓電材料與聲學(xué)黑洞結(jié)合方面，Remillieux等[8]將壓電分流阻尼技術(shù)引入聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)，通過采用負(fù)電容電路，實現(xiàn)了全頻段振動控制；Zhao等[9]采用有限元法對壓電俘能結(jié)構(gòu)進(jìn)行了頻域穩(wěn)態(tài)分析及時域瞬態(tài)分析，結(jié)果表明，與均質(zhì)板結(jié)構(gòu)相比，壓電俘能結(jié)構(gòu)具有聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)的壓電換能器在寬頻范圍內(nèi)有更高能量轉(zhuǎn)化效率。

目前，很少有學(xué)者對具有聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)的壓電俘能系統(tǒng)建立系統(tǒng)電路仿真及負(fù)載電阻優(yōu)化進(jìn)行研究。本文首先采用有限元法建立具有聲學(xué)黑洞的薄板結(jié)構(gòu)壓電耦合模型，對比分析了均勻板及聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)的動能密度及電壓瞬態(tài)輸出特性，推導(dǎo)了壓電振子等效電路模型，最后在Multisim軟件中建立壓電俘能全系統(tǒng)等效電路耦合模型，確定外負(fù)載最優(yōu)電阻值，提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率。

1 聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)

在一維結(jié)構(gòu)變化的均勻介質(zhì)中，彎曲波動方程為

(1)

式中：w為結(jié)構(gòu)橫向位移;D=Eh3/[12(1-ν2)]為彎曲剛度，E為楊氏模量，ν為泊松比；ρ為密度；h為結(jié)構(gòu)厚度；t為時間變量。

對任意一點，x波傳播的振幅可表達(dá)為復(fù)數(shù)形式，即

U(x)=A(x)eiΦ(x)

(2)

其中：

(3)

(4)

式中：Φ為累積相位;kp=ω/cp為均勻板的波數(shù)。

對于一個厚度呈現(xiàn)指數(shù)形式變化的結(jié)構(gòu)為

h(x)=εxm

(5)

其彎曲方程為

(6)

假設(shè)不考慮結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量與剪切效應(yīng)，波數(shù)k為

(7)

式中ω為角頻率。根據(jù)c=ω/k可得彎曲波的相速度為

(8)

將薄板按照一定指數(shù)進(jìn)行裁剪，使其厚度變化滿足h(r)=εr2(m≥2),即可形成聲學(xué)黑洞。在二維聲學(xué)黑洞中隨著厚度的減小，彎曲波的相速度也逐漸減小產(chǎn)生能量聚集效應(yīng)。當(dāng)指數(shù)m≥2，Φ區(qū)域?qū)o限大，波無法到達(dá)邊界也無法反射回來，因此彎曲波在邊緣產(chǎn)生聚集。

2 聲學(xué)黑洞型壓電俘能器結(jié)構(gòu)

實際薄結(jié)構(gòu)中的厚度不會減小至0，黑洞結(jié)構(gòu)中心存在截斷。本研究在聲學(xué)黑洞薄板中心留有一厚度L、半徑r0的圓形平臺，黑洞結(jié)構(gòu)的冪指數(shù)變化為h(r)=5×10-4×r2,(r0≤r≤100),結(jié)構(gòu)其他均勻處厚度不變。在板結(jié)構(gòu)的左邊界進(jìn)行約束，距離固定端邊界L1處的均勻板面上施加點載荷F=Asin(2πft),以距離固定邊界L2處的薄板黑洞結(jié)構(gòu)中心下表層粘貼半徑r0、厚l3的陶瓷壓電片PZT-5H。

3 有限元分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

本研究的薄板材料選用鋁板，壓電片材料選用PZT-5H，結(jié)構(gòu)尺寸及材料參數(shù)如表1所示。假設(shè)基體部分與壓電層為理想粘結(jié)，進(jìn)行良好的結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳遞。

表1 結(jié)構(gòu)尺寸及材料參數(shù)

3.2 仿真分析

通過有限元軟件在0～1 ms時間段進(jìn)行仿真，每隔0.05 ms選取薄板在應(yīng)力云圖(見圖1、2)及動能密度圖(見圖3)的周期性變化。

圖1 均勻薄板的應(yīng)力云圖

圖2 黑洞結(jié)構(gòu)薄板應(yīng)力云圖

圖3 薄板動能密度對比圖

在建好的模型中分別在兩塊薄板上選取固定位置，其三維坐標(biāo)為(75,130,5)，施加幅值為3 N的正弦激勵。由圖1～3可看出，聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)薄板在黑洞中心部分有較大的能量聚集效應(yīng)。選取薄板中心的固定位置(225,130,0)進(jìn)行動能密度比較，均勻板上動能密度峰值為0.017 4 J/m3，而聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)板的能量密度峰值為0.652 J/m3，從圖3可發(fā)現(xiàn)，在0～1 ms時均勻板和黑洞結(jié)構(gòu)的薄板動能密度呈現(xiàn)周期性變化，具有聲學(xué)黑洞的動能密度明顯高于均勻板的能量密度。可見，在點載荷的激勵下彎曲波進(jìn)入黑洞結(jié)構(gòu)區(qū)域后波長壓縮，波動幅度增大，振動能量在結(jié)構(gòu)中心進(jìn)行累積，形成聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)薄板所示的能量集中，圖1～3給出了具體驗證。

3.3 壓電俘能器輸出電壓分析

在兩塊不同結(jié)構(gòu)的薄板表面特定位置粘貼陶瓷壓電片，在不考慮電阻值、壓電片形狀大小等其他變量的影響下，進(jìn)行有限元軟件的多物理場耦合仿真，兩塊薄板的輸出電壓圖如圖4所示。

圖4 時域下不同模型的輸出電壓

在相同位置給2塊薄板施加同樣的激勵，在0～1 ms內(nèi)對其輸出電壓進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，2塊薄板結(jié)構(gòu)輸出的電壓同樣呈周期性變化，選取2塊板的輸出電壓峰值點，均勻板輸出的最大電壓為0.096 V，聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)薄板輸出電壓峰值達(dá)到0.562 V。通過對比，聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)薄板的壓電振子輸出電壓較均勻板提高了近6倍。

4 壓電俘能器全系統(tǒng)耦合

本文通過對壓電振子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，提高了壓電振子的電壓輸出效果，進(jìn)而提高系統(tǒng)的俘能效率。但實際應(yīng)用中，壓電俘能器是由壓電振子結(jié)構(gòu)和能量俘獲接口電路共同發(fā)揮作用。由于壓電片存在逆壓電效應(yīng)，外部電路會對結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)和動力學(xué)特性產(chǎn)生影響，同時，壓電振子輸出的交流電壓對電路中轉(zhuǎn)化的直流電壓產(chǎn)生影響。因此，本研究為了提高壓電俘能器的全系統(tǒng)效率，將壓電振動能量俘獲系統(tǒng)看成一個整體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，建立壓電振子等效電路模型和壓電俘能全系統(tǒng)等效電路耦合模型[10]。

4.1 壓電振子等效電路模型

耦合建模中常用的理念方法是通過機(jī)械量與電路參數(shù)的轉(zhuǎn)化來表征壓電振動產(chǎn)生的能量。如圖5所示，分別將均勻板和具有聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)的新型壓電振子模型機(jī)械參數(shù)進(jìn)行等效電路模型轉(zhuǎn)化。

圖5 壓電振子等效電路圖

求解等效電路模型中的參數(shù)V1、R1、C1、L1、C2是本研究的關(guān)鍵。目前有理論推導(dǎo)、實驗檢測和有限元仿真3種方式。理論推導(dǎo)方法要求幾何形狀規(guī)整，實驗測量方法復(fù)雜，過程要求高，且有些參數(shù)不能直接測量得出。鑒于前面兩種方式的局限性，本研究采用有限元仿真法能有效適用于幾何形狀不規(guī)律的壓電振子模型，且能快速準(zhǔn)確計算出等效電路參數(shù)。

利用現(xiàn)有的壓電振子模型，通過Comsol軟件對其進(jìn)行短路共振頻率f(C1)、開路共振頻率f(C2)、電荷Q0、短路電壓V(C1)、開路電壓V(C2)仿真計算。

1) 壓電振子短路條件下的共振頻率。在仿真軟件中將壓電振子的輸出端電路短路。在Comsol中進(jìn)行特征值分析，可得出短路共振頻率f(C1)，且

(9)

2) 壓電振子開路條件下的共振頻率。在仿真軟件中將壓電振子的輸出端不接任何負(fù)載構(gòu)成開路。在Comsol中進(jìn)行特征值分析，可得出開路共振頻率f(C2)，且

(10)

3) 在上述模型中，將壓電振子在輸出端不接任何負(fù)載構(gòu)成開路，在壓電振子2個電極上施加直流電壓V0,計算產(chǎn)生的Q0，即

Q0=(C1+C2)V0

(11)

(12)

(13)

由式(9)～(11)可計算C1、L1、C2。由式(12)、(13)可得：

(14)

(15)

由(14)、(15)可計算出V1、R1。

最后根據(jù)式(9)～(15)得出壓電振子等效電路模型，如表2、3所示。

表2 均勻板壓電振子等效電路參數(shù)估計值

表3 黑洞結(jié)構(gòu)薄板壓電振子等效電路參數(shù)估計值

4.2 基于Multisim的全耦合等效電路

壓電振子在振動產(chǎn)生電能的過程中，外部電路負(fù)載的大小會影響壓電振子和電路的耦合，進(jìn)而影響壓電俘能器整體的效果。本研究通過在Multisim建立外接全橋整流電路的振動俘能等效電路模型，重點分析壓電俘能系統(tǒng)外負(fù)載電阻對能量轉(zhuǎn)換率的影響，取0≤R2≤10 000 Ω，確定負(fù)載的最優(yōu)取值范圍。圖6為壓電振子俘能系統(tǒng)等效電路圖。

圖6 壓電振子俘能系統(tǒng)等效電路圖

在外接全橋整流電路，通過仿真可得上述兩種壓電俘能裝置的俘獲功率與負(fù)載電阻值的關(guān)系，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)俘能功率與外負(fù)載的關(guān)系

由圖7可看出，在進(jìn)行均勻板等效電路仿真時，當(dāng)外部電阻R2≈1 500 Ω，系統(tǒng)的最優(yōu)俘能效率可達(dá)1.093 μW；在進(jìn)行聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)薄板等效電路仿真時,當(dāng)外部電阻R2≈510 Ω，系統(tǒng)的最優(yōu)俘能效率可達(dá)63.098 μW，聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)薄板的壓電俘能裝置系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率較均勻板壓電俘能裝置有顯著提高。

5 結(jié)束語

本文將聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)引入到壓電俘能器中，通過理論及仿真分析了彎曲波在黑洞結(jié)構(gòu)中聚能效果。在時域上對比分別研究了兩類俘能裝置的表面應(yīng)力云圖、動能密度圖及輸出電壓圖。結(jié)果表明，具有聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)的新型壓電俘能器能夠有效提高薄板的振動能量收集和壓電能量的轉(zhuǎn)換。同時，利用新型壓電俘能器建立全系統(tǒng)等效耦合電路模型，進(jìn)行電路仿真分析，確定外負(fù)載電阻的最優(yōu)取值范圍，提高系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)換效率。本研究的聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)俘能裝置結(jié)構(gòu)簡單，造價低，聚能效果好。結(jié)合目前微電子器件和傳感器的自供能需求，聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)俘能器在實際工程應(yīng)用中具有極大的實用價值。