声学黑洞结构应用中的力学问题

声学黑洞(acoustic black hole,ABH)效应是利用薄壁结构几何参数或者材料特性参数的梯度变化,使波在结构中的传播速度逐渐减小,理想情况下波速减小至零从而不发生反射的现象.实现声学黑洞效应的主要方法是将薄板结构的厚度按照一定规律裁剪,利用声学黑洞可以将结构中传播的波动能量聚集在特定的位置.声学黑洞对波的聚集具有宽频高效、实现方法简单灵活等特点,在薄壁结构的减振降噪、能量回收等应用中具有明显的优势.本文介绍声学黑洞效应的基本原理、相关力学问题的研究进展和有待进一步探究的问题,包括声学黑洞结构的建模与分析方法、实验研究方法及进展、声学黑洞结构中波的传播与操控,以及声学黑洞在工程应用中的相关问题.     

准零刚度驱动式压电低频振动能量采集方法

如何高效且经济环保地为数以万计的传感器网络节点供电, 是物联网快速发展和大范围应用的瓶颈性难题. 将振动能转换为电能以实现传感器自供电是物联网传感器网络节点供能的潜在方案. 但是, 环境振动中低频成分占比较大, 而传统振动能量采集方法较难实现低频( < 10 Hz)振动能量的高效转化, 这限制了振动能量采集技术在物联网领域的大范围应用. 文章提出了一种准零刚度驱动式压电振动能量采集装置, 可将环境、人体及部分机械设备的低频振动能量高效地转化为电能. 首先利用能量法得到压电俘能单元的机电耦合方程, 并用谐波平衡法获得系统动力学及电学响应的解析表达式, 同时对比了数值解与解析表达式的结果; 进一步探究了阻尼比、激励幅值等参数对动力学响应及电学输出的影响. 最后加工制备了准零刚度驱动式压电振动能量采集装置样机, 搭建了实验平台, 测试了系统的动力学响应与电学输出, 验证了理论结果的正确性. 研究结果显示当频率为2.5 Hz时, 准零刚度驱动式压电振动能量采集装置中单个能量转化单元的最大峰值电压达到25 V. 文章提出的准零刚度压电能量采集装置有望克服传统共振型压电能量采集装置能量采集频带依赖于能量采集系统固有频率以及多稳态能量采集器需要跨越势垒而难以实现超低频小幅值能量俘获的难题, 进一步夯实振动能量采集理论, 为超低频小振幅振动能量的高效采集提供新思路.     

阻尼调控下两类动力吸振器的H∞设计与试验

动力吸振器凭借其出色的吸振能力得到了学术界和工程界的广泛关注. 然而其对共振频率、阻尼系数等系统参数的高敏感性给系统设计及其应用带来了极大的挑战. 传统的油液式黏滞阻尼器难以实现阻尼的有效调节, 新兴磁流变阻尼器高昂的造价也限制了该技术的实际应用. 近年来可调电磁分支电路阻尼的发展为动力吸振器现场最优调谐提供了新的可行性. 文章基于直线式电磁分支电路阻尼器的结构特点, 采用永磁体同极对置的方法提升了阻尼器的机电耦合效率, 通过数值仿真得出了六段对置式电磁分支电路阻尼器的机电耦合系数及等效阻尼系数. 电磁分支电路阻尼器可通过调整外接分支电路的阻抗实现阻尼力的实时调整, 并将其应用于悬置式和接地式动力吸振器系统中, 实现了两类动力吸振系统基于H_∞ 优化方法的最优化吸振效果, 有效抑制了主系统的振动响应. 两类动力吸振系统的试验测试结果与理论预测一致, 充分证明了可调电磁分支电路阻尼器的有效性, 为动力吸振器的进一步发展应用提供了设计准则和依据.