本發(fā)明屬于新型人工超材料，具體涉及一種基于磁-電-彈的振動能量收集裝置及其收集方法。

背景技術(shù)：

1、在實際生活中，不同類型的振動都是以彈性波的形式傳播，會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有害振動，若與人體器官的固有振動頻率接近，會引發(fā)共振從而對人體造成傷害，因此如何有效控制振動就成為了亟需解決的關(guān)鍵問題。同時，振動伴隨能量的損耗，如果能將這些能量有效控制并加以回收利用，可以實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保和社會的可持續(xù)發(fā)展。

2、聲子晶體為解決振動控制問題提供了基礎(chǔ)，其概念是一種人工設(shè)計的周期性功能新材料，具有帶隙、自準直、聲聚焦、負折射、聲隱身等超常特性，當彈性波在聲子晶體中傳播時，受聲子晶體梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用，在一定頻率范圍（帶隙）禁止傳播，其他頻率（通帶）范圍無損傳播。當聲子晶體梁的局部結(jié)構(gòu)周期性被破壞后，缺陷態(tài)就會出現(xiàn)在帶隙中。缺陷態(tài)頻率下的振動模態(tài)，表示彈性波能量被限制在缺陷結(jié)構(gòu)處，從而能夠放大缺陷附近的彈性波分布。傳統(tǒng)的聲子晶體梁通過改變組分材料屬性或者結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)來實現(xiàn)彈性波帶隙和缺陷態(tài)，但是其結(jié)構(gòu)一旦制造完成，帶隙和缺陷態(tài)的頻率和位置就會固定不變，難以實現(xiàn)有效的調(diào)節(jié)，這就導(dǎo)致了能量收集裝置難以俘獲多頻段和多位置缺陷態(tài)處的振動能量。中國專利cn107968599a公開了應(yīng)用含缺陷聲子晶體梁雙局域化特性的能量采集裝置和方法，但因其結(jié)構(gòu)是固定不變的，對應(yīng)的帶隙和缺陷態(tài)頻率和位置也是固定不變的，導(dǎo)致能量采集裝置只能俘獲單一頻率和位置缺陷態(tài)處的振動能量，如果要實現(xiàn)對帶隙和缺陷態(tài)頻率和位置調(diào)控，只能重新設(shè)計結(jié)構(gòu)并制造，成本較高且不夠靈活。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于磁-電-彈的振動能量收集裝置及其收集方法，解決了傳統(tǒng)聲子晶體梁難以俘獲多頻段和多位置缺陷態(tài)處的振動能量的技術(shù)問題。

2、為了達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：

3、本發(fā)明提供了一種基于磁-電-彈的振動能量收集裝置，包括方形管，所述方形管通過固定件連接于光學(xué)平臺的頂部，方形管一側(cè)連接有激振器，所述激振器與電源相連；在方形管的上方和下方對稱設(shè)置有磁場調(diào)控件，所述磁場調(diào)控件通過支撐部件與光學(xué)平臺連接；

4、所述方形管內(nèi)部設(shè)有聲子晶體梁，所述聲子晶體梁包含若干個依次排列的單胞，且呈周期性分布；所述磁場調(diào)控件包含若干組磁場調(diào)控單元，每組磁場調(diào)控單元對應(yīng)一個單胞，用于調(diào)控單胞的磁場強度；

5、所述激振器、磁場調(diào)控件、聲子晶體梁和電源組成電路閉環(huán)。

6、其中，光學(xué)平臺作為整個裝置的基座，用于支撐和固定其他部件。

7、進一步地，所述聲子晶體梁包括鋁條，在鋁條上等距設(shè)置若干組磁致伸縮柱，每組磁致伸縮柱對稱設(shè)置在所述鋁條的上、下表面，且在磁致伸縮柱與鋁條的交界處上、下表面粘貼壓電片，所述壓電片中設(shè)置有能量收集芯片；

8、所述單胞是由一組磁致伸縮柱、與該磁致伸縮柱相連的鋁條段，以及鋁條段上、下表面粘附的壓電片構(gòu)成。

9、進一步地，每組所述磁致伸縮柱垂直設(shè)置在所述鋁條的上、下表面。

10、進一步優(yōu)選地，每組所述磁致伸縮柱垂直粘貼在所述鋁條的上、下表面。

11、進一步優(yōu)選地，所述磁致伸縮柱垂直分布在所述鋁條的頂部和底部，所述壓電片水平分布在所述鋁條上的頂部和底部。這樣的設(shè)置方式是本發(fā)明的關(guān)鍵點之一，將磁致伸縮柱和鋁條垂直分布，這樣垂直方向的磁場對磁致伸縮柱的材料參數(shù)影響最大，因為沿著磁場磁致伸縮柱長度方向。壓電片采用水平連接的方式在鋁條上的能量俘獲效果最好。整體的設(shè)置方式是為了，盡可能大的實現(xiàn)外加荷載對帶隙和缺陷態(tài)的影響，故將磁致伸縮柱垂直放置；盡可能大的提高能量收集效率，故將壓電片水平放置。

12、進一步地，所述單胞的數(shù)量不少于十個。

13、進一步優(yōu)選地，所述單胞的數(shù)量為15個。

14、進一步地，每個磁場調(diào)控件均包括一個連接板，每一個磁場調(diào)控單元包括一個磁鐵塊和一個步進電機；

15、在所述連接板上開設(shè)若干通孔，通孔中穿設(shè)絲桿，靠近方形管的絲桿上套設(shè)有所述磁鐵塊，遠離方形管的絲桿上套設(shè)步進電機。

16、進一步優(yōu)選地，所述絲桿設(shè)置若干個，所述步進電機和所述磁鐵塊對稱設(shè)置若干組。

17、進一步優(yōu)選地，所述步進電機和所述磁鐵塊對稱設(shè)置15組。

18、進一步地，所述方形管處于懸空狀態(tài)，所述方形管距離磁場調(diào)控件的距離不小于1cm。

19、進一步優(yōu)選地，所述方形管距離磁鐵塊的距離為10cm。

20、進一步地，所述連接板和所述方形管選用非磁性材料。

21、進一步優(yōu)選地，所述非磁性材料為亞克力材質(zhì)。

22、進一步地，所述固定件包括固定夾、立桿和橫桿，所述固定夾在豎直方向和水平方向開設(shè)通孔，立桿穿設(shè)在豎直方向的通孔中，橫桿穿設(shè)在水平方向通孔中，所述橫桿遠離所述固定夾一端連接所述方形管，用于支撐所述方形管。

23、進一步優(yōu)選地，所述固定件設(shè)置至少兩組。

24、進一步優(yōu)選地，所述固定夾選用十字頂絲固定夾。

25、進一步地，所述固定夾兩端分別設(shè)有旋鈕，用于調(diào)節(jié)立桿在豎直方向的移動。

26、進一步優(yōu)選地，所述旋鈕采用梅花旋鈕。

27、進一步優(yōu)選地，固定件通過螺栓連接于光學(xué)平臺的頂部。

28、進一步地，所述支撐部件包括螺紋桿，所述螺紋桿連接于所述連接板的兩端，所述螺紋桿至少為兩組，每組螺紋桿對稱設(shè)置。

29、本發(fā)明基于上述磁-電-彈的振動能量收集裝置的自補能系統(tǒng)，其特征在于，包括基于磁-電-彈的振動能量收集裝置、主控制器、示波器、plc和驅(qū)動器；

30、主控制器、激振器、示波器和電源通過標準交流電進行供能，plc、驅(qū)動器和步進電機通過電源進行供能；

31、主控制器與plc連接，用于編寫程序和下達指令，plc通過驅(qū)動器控制步進電機執(zhí)行相應(yīng)的指令，用于調(diào)控磁場；激振器對單胞施加激勵，單胞在磁場的耦合下完成振動能量的收集和儲存，并通過電路連接至電源，用于補充能量收集裝置的供能，形成自補能系統(tǒng)。

32、本發(fā)明提供了采用上述磁-電-彈的振動能量收集裝置進行能量收集的方法，包括如下步驟：

33、1）通過壓電常數(shù)來選取合適的壓電片，將其粘貼在磁致伸縮柱的兩側(cè)，通過仿真軟件提供固體力學(xué)物理場添加彎曲波激勵、磁場無電流物理場施加相應(yīng)的磁場以及靜電和電路物理場完成能量收集的電路，在壓電效應(yīng)多物理場的耦合下進行特征頻率計算，最后確定聲子晶體梁的能帶結(jié)構(gòu)，進而獲得聲子晶體梁各單胞帶隙和缺陷態(tài)處的頻率，其中，通過調(diào)節(jié)聲子晶體梁中單胞的施加磁場引入缺陷；

34、2）實際操作中通過激振器在聲子晶體梁的一側(cè)施加彎曲波激勵，通過調(diào)節(jié)磁場調(diào)控件實現(xiàn)對磁場大小的調(diào)控，進而控制單胞的材料參數(shù)，實現(xiàn)對聲子晶體梁中各單胞帶隙和缺陷態(tài)處頻率的調(diào)控；

35、進一步優(yōu)選地，通過調(diào)節(jié)步進電機的轉(zhuǎn)動速度和轉(zhuǎn)動距離來控制不同磁鐵塊的上下距離，實現(xiàn)對磁場大小調(diào)控，進而控制磁致伸縮柱的材料參數(shù)，實現(xiàn)對聲子晶體梁中各單胞帶隙和缺陷態(tài)處頻率的調(diào)控；

36、進一步優(yōu)選地，激振器放置在梁一端的正下方，保證產(chǎn)生垂直方向的激勵，即彎曲波；

37、其中，磁場大小的調(diào)控是通過步進電機控制磁鐵塊的上下距離來實現(xiàn)的。當磁鐵塊靠近或遠離磁致伸縮柱時，磁場的強度會相應(yīng)地增強或減弱。這種磁場強度的變化會直接影響磁致伸縮柱的磁致伸縮效應(yīng)。在磁致伸縮柱中，當磁場強度增加時，磁致伸縮柱會發(fā)生形變，導(dǎo)致其長度、彈性模量等材料參數(shù)發(fā)生變化。這些變化會進一步改變聲子晶體梁的振動特性和能帶結(jié)構(gòu)，特別是帶隙和缺陷態(tài)的；

38、通過上述操作，可以實現(xiàn)對聲子晶體梁帶隙和缺陷態(tài)的動態(tài)調(diào)控。這意味著可以根據(jù)需要調(diào)整聲子晶體梁的頻率響應(yīng)，以實現(xiàn)對特定頻率范圍內(nèi)振動的抑制或允許。

39、3）通過激振器施加缺陷態(tài)對應(yīng)頻率，能量會在梁缺陷位置發(fā)生局域化聚集，單胞將聚集處的振動能量轉(zhuǎn)化為電能并進行收集。

40、進一步優(yōu)選地，能量集中在梁缺陷位置，通過壓電片將振動能量轉(zhuǎn)化為電能并進行收集，連接示波器可以觀察到產(chǎn)生電流的大小，將收集的能量儲存在能量收集芯片中，通過電路可以將儲存的電能用于能量收集裝置的使用。

41、進一步優(yōu)選地，步驟1）中的仿真軟件采用comsolmultiphysics。

42、進一步地，將上述能量收集裝置的各部件相連接構(gòu)成主體結(jié)構(gòu)。

43、在聲子晶體中引入缺陷，會改變其原有的周期性結(jié)構(gòu)，從而形成缺陷態(tài)。缺陷態(tài)會導(dǎo)致彈性波在缺陷位置處發(fā)生局域化聚集，即波的能量會集中在缺陷附近，有利于振動能量的收集。本發(fā)明利用外加激勵引入缺陷態(tài)，來改變彈性波的傳播路徑和頻率特性，不僅實現(xiàn)了振動能量的收集和利用，還使聲子晶體梁實現(xiàn)對特定頻率范圍內(nèi)振動的抑制或允許，達到動態(tài)調(diào)控的目的。

44、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

45、本發(fā)明公開了一種基于磁-電-彈的振動能量收集裝置，通過多物理場的耦合作用，實現(xiàn)了對聲子晶體梁彎曲波帶隙和缺陷態(tài)的精確調(diào)控。該裝置通過磁場調(diào)控件調(diào)節(jié)各個單胞的施加磁場來人為制造缺陷，進而收集各個單胞缺陷態(tài)處的頻率，實現(xiàn)對不同位置處的缺陷態(tài)的振動能量的收集，通過調(diào)節(jié)各個單胞對應(yīng)的磁場強度的大小，進而收集各個單胞不同頻率的缺陷態(tài)以及帶隙，實現(xiàn)了對不同頻率的缺陷態(tài)處振動能量的收集。這種設(shè)計有效提高了磁場調(diào)控的靈活性，能夠通過實時改變聲子晶體梁中單胞對應(yīng)的磁場強度，進而控制各單胞的形變，從而動態(tài)地調(diào)整聲子晶體梁各單胞的帶隙和缺陷態(tài)的頻率和位置，提高振動控制的精度和效果，完成多頻段和多位置聲子晶體梁的振動能量收集。本發(fā)明提出的磁-電-彈的振動能量收集裝置，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，不需要改變結(jié)構(gòu)尺寸或者重新制備結(jié)構(gòu)就可動態(tài)調(diào)控聲子晶體梁的帶隙和缺陷態(tài)的頻率，解決了傳統(tǒng)聲子晶體梁難以俘獲多頻段和多位置缺陷態(tài)處的振動能量的技術(shù)問題。

46、進一步地，本發(fā)明通過在鋁條上、下表面粘貼壓電片收集多頻段和多位置的振動能量，有效提高能量收集頻率范圍和效率。此外，壓電片的引入還可以將振動能量進行收集轉(zhuǎn)化為電能，并儲存在能量收集芯片中，通過電路可以將儲存的電能用于能量收集裝置的使用。

47、本發(fā)明還公開了基于磁-電-彈的振動能量收集裝置的自補能系統(tǒng)，通過基于磁-電-彈的振動能量收集裝置、主控制器、示波器、plc、驅(qū)動器、激振器和電源的協(xié)同作用，增強了整體動態(tài)可調(diào)性，方便觀察實驗數(shù)據(jù)。這種自補能系統(tǒng)不僅提高了裝置的能效，還實現(xiàn)了對裝置的供電，降低了對外部電源的依賴，增強了裝置的實用性和可持續(xù)性。

48、本發(fā)明還公開了上述磁-電-彈的振動能量收集裝置進行能量收集的方法，通過對彎曲波帶隙和缺陷態(tài)的調(diào)控，實現(xiàn)了對多頻段和多位置缺陷態(tài)處的振動能量的收集。首先，通過磁場調(diào)控件調(diào)節(jié)聲子晶體梁中單胞的施加磁場引入缺陷，進而獲得聲子晶體梁各單胞帶隙和缺陷態(tài)處的頻率。其次，通過調(diào)節(jié)磁場調(diào)控件實現(xiàn)對單胞磁場大小的調(diào)控，進而控制聲子晶體梁中各單胞的材料參數(shù)，實現(xiàn)對聲子晶體梁各單胞帶隙和缺陷態(tài)的靈活調(diào)控。這種方法具有非接觸式、響應(yīng)速度快的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)對外界環(huán)境的快速適應(yīng)。最后，通過對激振器施加缺陷態(tài)對應(yīng)頻率，可以使激振器中的彎曲波在缺陷位置處實現(xiàn)局域化聚集。從而提高能量收集效率，再通過單胞將聚集處的振動能量轉(zhuǎn)化為電能并進行收集，通過電路將儲存的電能用于能量收集裝置的使用。與傳統(tǒng)梁結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明不改變聲子晶體梁的主體結(jié)構(gòu)，將鋁條、磁致伸縮住和壓電片相結(jié)合的單胞制成聲子晶體梁，通過磁-電-彈多種物理場的耦合來實現(xiàn)彎曲波帶隙和缺陷態(tài)的調(diào)控，增強其整體動態(tài)可調(diào)控性，不僅解決了傳統(tǒng)聲子晶體梁難以俘獲多頻段和多位置缺陷態(tài)處的振動能量，還解決了當前聲子晶體彈性波動態(tài)調(diào)控引起的能量供給問題，促進自補能彈性波器件的進一步發(fā)展。