基于相干共振的环境振动与噪声能量获取

环境能量获取(Ambient Energy Harvesting)指的是通过动力学结构将环境产生的振动与噪声能量转换为电能，最常用的是压电晶体材料。环境振动与噪声一般是宽带随机的，且强度较低，因此转换的难点在于如何将这种宽带随机的激励转变为结构在某个频率附近的动力学响应，这样才能使输出的能量集中。目前这方面还没有很好的解决办法。本项目拟利用相干共振原理，设计特殊的压电晶体弹性梁、弹性板结构，使其在环境随机激励下出现相干共振现象，则系统会出现振幅较大的近似周期响应，实现频域的能量集中，这样可以大大提高环境能量转换的效率。然后设计特殊的压电晶体弹性膜结构，使其在环境噪声激励下实现相干共振，提高噪声能量转换效率。开展的研究包括动力学系统随机稳定性与随机分叉；动力学相干共振机理；相干共振压电晶体弹性梁、弹性板的设计优化，以及相应的实验验证。相干共振压电晶体弹性膜的设计优化，以及相应的实验验证。

本项目主要进行了环境振动及噪声的能量采集理论、方法与实验研究。首先进行了带尖端质量的倒立压电薄膜梁在垂直激励下的能量采集研究。倒立梁在质量超过临界质量时，会发生屈曲，变成一个静态双稳态系统。其还存在另外一种失稳方式，即动态失稳。由仿真计算及分析，以及验证实验的结果可以看出，动态失稳对于能量采集有重要的意义。因为动态失稳梁在静止时，中间位置是稳定的，只有在随机激励下才会失稳，此时中间位置不会产生势能垒，因此梁容易在两个平衡位置之间跳跃，可以产生很大的应变及输出电压。然后对于带磁铁的双稳态压电能量采集结构进行了改进。对于磁吸力的双稳态结构，在其中间位置增加了一个小磁铁，这个小磁铁产生的磁吸力可以将双稳态中间的势能垒拉低，使得系统的阱间跳跃更易于实现。实验结果证明了这个分析结论。对于双稳态结构，还设计了碰撞结构，使其在运动过程中发生碰撞，进而产生阱间跳跃。仿真结果证明了其是有效的。设计了三稳态结构，理论及仿真计算证明了其有很好的能量转换效率。进行了相应的实验研究。由试验结果可以看出，三稳态在很大的参数区域内会产生超过双稳态的输出电压，且在实验的激励强度范围内均会产生超过双稳态的输出电压。在此基础上，设计并实现了四稳态结构，由仿真及实验可以看出，四稳态的阱间跳跃更易于实现，且跳跃的频率范围更大。在随机激励下，四稳态会发生密集的阱间跳跃并输出密集的高电压。最后，设计了带有曲面的双稳态噪声能量转换结构，进行了实验研究，证明了噪声可以激励结构发生双稳态跳跃，产生比较高的电压输出。