学术前沿 | 蹦床超材料与亥姆霍兹共振器耦合用于增强声学压电能量收集性能

主要观点总结

本研究提出了一种由蹦床超材料与亥姆霍兹共振器耦合的结构，旨在增强低频下的声学压电能量收集性能。通过设计蹦床超材料中的点缺陷和增加孔洞半径，实现了振动-声能的局域化，并提高了压电转换效率。结合亥姆霍兹共振器的声压放大效应，进一步增强了能量收集性能。研究还通过数值模拟与实验结果对比验证了带隙及相应缺陷带频率的有效性。

关键观点总结

关键观点1: 研究背景与目的

研究旨在增强低频下的声学压电能量收集性能，提出了一种由蹦床超材料与亥姆霍兹共振器耦合的结构。

关键观点2: 蹦床超材料的设计

蹦床超材料由周期性排列的复合共振柱嵌入穿孔薄板中构成，通过设计点缺陷在缺陷带频率下实现振动-声能的局域化。

关键观点3: 亥姆霍兹共振器的作用

亥姆霍兹共振器内的声压放大效应与蹦床超材料结合，进一步增强了能量局域能力。

关键观点4: 数学模型与数值模拟

研究建立了用于计算第一共振带隙的数学模型，并通过数值模拟研究了穿孔半径和耦合结构对压电能量收集性能的影响。

关键观点5: 实验结果与性能提升

实验结果显示，增加孔洞半径可显著提升蹦床超材料的振动能局域性和压电转换效率。耦合结构在压电能量收集方面表现出卓越性能，相较于无耦合结构，电压和功率输出有显著提升。

文章预览

    为增强低频下的声学压电能量收集性能，本研究提出了一种由蹦床超材料与亥姆霍兹共振器耦合的结构。该蹦床超材料由周期性排列的复合共振柱嵌入穿孔薄板中构成。通过在超材料中设计点缺陷，可在缺陷带频率下将振动-声能局域于缺陷位置。考虑到亥姆霍兹共振器内的声压放大效应，将蹦床超材料引入亥姆霍兹共振腔体中可进一步增强能量局域能力。首先建立了用于计算第一共振带隙的数学模型，并通过数值模拟与实验结果对比验证了带隙及相应缺陷带频率的有效性。随后进行了数值模拟，研究穿孔半径和耦合结构对压电能量收集性能的影响。模拟结果显示，增加孔洞半径可显著提升蹦床超材料的振动能局域性和压电转换效率。此外，蹦床超材料中的缺陷态与亥姆霍兹共振器中的声压增强之间的协同作用进一步提升了整体的能量收集性能 ………………………………