学术前沿 | 蹦床效应与亥姆霍兹耦合声学超材料压电能量收集

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2024-06-06 20:30

正文

声能收集技术因其为无线传感器供电的潜力而受到广泛关注。本文提出了一种亥姆霍兹耦合超材料，并引入了蹦床效应来实现高效的声能收集。首先，在超材料板上引入点缺陷，安装压电片，实现声能的集中和收集;然后，在缺陷位置引入亥姆霍兹谐振腔，放大声压，增强局部共振效果。最后，通过在结构中引入蹦床效应，进一步提高了能量收集性能。数值模拟结果表明，在有效声压为2 Pa、频率为1702 Hz的平面波激励下，所设计结构的峰值输出电压为0.64 V，峰值输出功率为1.99 μW。物理实验结果与数值模拟结果吻合，验证了结构的声能量收集性能。

为了有效地收集环境噪声能量，研制了一种新型的耦合共振声学超材料。首先，设计具有点缺陷的超材料结构，将能量集中在缺陷处。随后，设计并安装与超材料谐振频率相同的亥姆霍兹谐振腔，放大声压，增强局域共振。最后，通过对超材料的处理引入了蹦床效应，进一步增强了局部共振效应，提高了能量收集性能。在2 Pa声压激励下，改进结构的最大输出电压为0.64 V，输出功率达到1.998 μW。与初始超材料结构相比，输出电压和输出功率分别提高了42.22%和51.59%。通过实验研究，并将实验结果与数值模拟结果进行了比较，结果吻合较好。该结构的最高电压-压力转换效率达到320 mV/Pa，与Liu等[28]的结果相比提高了10倍以上，与Li等[29]的结果相比提高了约5倍。除了能量收集效率高外，本文设计的结构还具有工作频率合适、结构尺寸小的优点，不仅可以有效地将嘈杂环境中的有害噪声吸收为电能，而且由于其尺寸优势，也适用于微型传感器等设备的供电

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