Comsol 声学黑洞梁式结构的振动能量收集器

news2024/12/28 18:53:36

声学黑洞梁式结构是一种用于收集振动能量的装置，其工作原理类似于光学中的黑洞概念。它可以将周围环境中的声波能量转化为可用的电能。声学黑洞梁式结构通常由以下几个主要组成部分构成：

1. 梁：梁是主要的振动结构，可以是金属、陶瓷或者其他适合传导声波的材料。它的设计通常考虑到频率响应和材料的机械特性，以优化能量收集效率。

2. 能量转换器：能量转换器位于振动膜的背面，用于将振动能量转化为电能。常见的能量转换器包括压电材料或磁电材料，它们可以将机械振动转化为电荷分离或电磁感应。

3. 电子电路：电子电路用于收集和整流从能量转换器中产生的微弱电流，并将其存储或用于供电其他设备。

当周围环境中存在声波时，声波会引起声学黑洞梁式结构的振动。声学黑洞梁式结构的振动通过能量转换器转化为电能，然后通过电子电路收集和处理。这种装置可以应用于各种场景，例如城市环境中的交通噪声、工厂中的机器振动或其他产生声波的环境。声学黑洞梁式结构的优势在于它可以有效地收集环境中的声波能量，并将其转化为电能供给其他设备使用，从而实现能量的回收与利用。然而，它的效率受到环境声波的频率、振幅和能量转换器的性能等因素的影响。因此，在设计和优化声学黑洞梁式结构时，需要考虑这些因素以提高能量收集效率。

一、搭建模型

根据模型的需要，在建模前对软件进行初步设定，首先点击新建模型向导，选择操作的空间维度——二维建模模块，其次在物理场树中选择“结构力学>电磁-结构相互作用>压电”和“AC/DC>电路”两个物理场，然后选择“一般研究>频域”，最后对模型进行全局定义参数，如表所示。

ABH梁结构单元

ABH梁结构阵列

二、网格划分

三、求解器

在物理场参数设置中主要进行固体力学(solid)模块的设定、静电(es）模块的设定、电路（cir）模块的设定。固体力学模块的设定。在模块设定过程中包括:添加阻尼并更改阻尼类型、设定各向同性结构化损耗因子、施加体载荷、选择固定约束边界等，其中根据牛顿第二定律方程F=ma，给模型在y方向上施加一定的作用力，其表达式为: -solid.rho*g_const*acc (其中solid.rho为固体结构的密度，g_const为加速度常数）。静电模块的设定。静电模块主要是针对压电材料部分进行的参数设置，包括对压电片厚度的设置、接地边界的选择、终端边界的选择。其中，压电片厚度为整个系统结构的面外尺寸，也就是全局参数中的w_plate，接地所选边界为压电片部分的下边界，终端所选边界为悬臂梁与压电片接触边界，终端类型为“电路”。将频率范围设置为range(10,0.5,40)Hz。