【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及振动能量采集，尤其涉及结合声学黑洞的超材料梁振动能量采集器。
技术介绍
1、随着能源需求的不断增长和环境保护意识的提高，振动能量采集技术作为一种绿色、可再生的能源收集方式备受关注。梁振动能量采集器是一种利用梁结构振动来收集环境中的机械能并转化为电能或其他形式能量的装置。在振动过程中，梁结构会产生应变和位移，通过合适的传感器和能量转换装置，可以将这些机械振动能量转化为其他形式的能量，如电能。传统的振动能量采集器通常利用悬挂弹簧质量系统或压电效应来收集机械振动能量，但存在效率低、频率范围窄等问题，难以满足实际需求。
2、声学黑洞是一种特殊的声学结构，是指当弯曲波从结构的等厚度区域传播到声学黑洞区域后，波速会因厚度的减小而逐渐减小，波长被压缩，波幅增大的现象。声学黑洞结构可以使得振动能量在一定区域集中，可用于能量采集领域，使能量的俘获更为高效。近几年来，由于声学黑洞结构可以使能量集中的特性使得声学黑洞效应在能量采集领域内的应用越来越广泛。但是在实际中，理想的声学黑洞结构无法实现，一是受加工制造工艺的限制楔形边缘会在厚度减小到一定值时截断；二是在工程应用中为了抵抗荷载的作用，机械构件需要一定量级的厚度来确保结构具有足够的强度。截断厚度会使弯曲波在结构的边缘发生反射，即使很小的截断厚度，也会引起很大的反射系数，严重影响声学黑洞效应。
3、现有声学黑洞结构产生压电效应所需的起始频率较高，通常在较高频段才能实现较好的振动控制效果，这导致其对于低、中频段振动的控制能力较差，无法有效吸收和聚焦低、中频段振动能
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术提出了一种结合声学黑洞的超材料梁振动能量采集器，以解决现有基于声学黑洞结构的振动能量采集器对于低、中频段振动的控制能力较差，从而无法有效吸收和聚焦低、中频段振动能量的技术问题。
2、本专利技术的技术方案是这样实现的：本专利技术提供了一种结合声学黑洞的超材料梁振动能量采集器，包括振动结构、主梁、附加声学黑洞梁和压电结构，
3、所述主梁一端与振动结构垂直连接，
4、所述附加声学黑洞梁设置有多个，多个附加声学黑洞梁沿主梁的自由端等距分布；所述附加声学黑洞梁的两端为厚度按幂函数规律光滑下降的楔面；
5、所述压电结构设置于附加声学黑洞梁的两端。
6、在以上技术方案的基础上，优选的，多个附加声学黑洞梁均位于同一平面，所述附加声学黑洞梁的两端以主梁为中心对称设置。
7、在以上技术方案的基础上，优选的，所述附加声学黑洞梁包括第一均匀梁、第二均匀梁和声学黑洞梁，
8、第一均匀梁位于主梁上，且以主梁为中心对称设置，
9、所述第二均匀梁设置于第一均匀梁的两端，
10、所述声学黑洞梁位于第二均匀梁远离第一均匀梁的一侧。
11、在以上技术方案的基础上，优选的，所述声学黑洞梁的上表面为厚度由靠近第二均匀梁的一端向远离第二均匀梁的一端按幂函数规律光滑下降的楔面。
12、在以上技术方案的基础上，优选的，所述附加声学黑洞梁厚度与位置的关系式为：
13、
14、其中，h(y)表示附加声学黑洞梁上y处部分的厚度，y1表示第一均匀梁的中心到端点的距离，y2表示第一均匀梁的中心到第二均匀梁端点的距离，l表示第一均匀梁的中心到声学黑洞梁端点的距离，h1表示第一均匀梁的厚度，h2表示第二均匀梁的厚度，h0表示声学黑洞梁的截断厚度，labh表示声学黑洞梁的长度。
15、在以上技术方案的基础上，优选的，所述第二均匀梁的厚度大于第一均匀梁的厚度。
16、在以上技术方案的基础上，优选的，所述声学黑洞梁的最大厚度等于第二均匀梁的厚度，所述声学黑洞梁的最小厚度小于第一均匀梁的厚度。
17、在以上技术方案的基础上，优选的，所述压电结构为贴附在声学黑洞梁远离第二均匀梁一端的下表面的压电陶瓷片。
18、在以上技术方案的基础上，优选的，所述附加声学黑洞梁的宽度为15～25mm，所述主梁的尺寸为(550～650)×(35～45)×(2～6)mm3。
19、在以上技术方案的基础上，优选的，所述主梁和附加声学黑洞梁均采用金属材料或阻尼合金制成。
20、本专利技术的结合声学黑洞的超材料梁振动能量采集器相对于现有技术具有以下有益效果：
21、(1)通过将声学黑洞与超材料梁结合，改善了声学黑洞在低频范围效果不佳的缺陷，使能量采集器能够捕获真实环境中存在的不同频率的振动能量；相比传统的超材料梁能量采集器，本专利技术提出的能量采集器采集效率更高，能够在0～3000hz的范围实现高效的能量采集，并在43～46hz、104～128hz、192～290hz、305～970hz、1020～1500hz、1950～2720hz等频率范围内比传统的超材料梁能量采集器性能更高；
22、(2)设置第二均匀梁的厚度大于第一均匀梁的厚度，相比于传统的质量块，第二均匀梁作为一种结构组件，可以更好地融入整体结构中，使结构更加简化和紧凑；通过第二均匀梁的设计，可以实现对振动能量的采集和转化，同时减少了结构中额外的质量块，使结构更加轻便和高效。
23、(3)通过声学黑洞梁两端设置为厚度按幂函数规律光滑下降的楔面，可以通过楔面形状的特殊设置，实现对振动能量的聚焦和吸收，减少反射和散射，从而提高能量转化效率。
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1.一种结合声学黑洞的超材料梁振动能量采集器，其特征在于：振动结构(1)、主梁(2)、附加声学黑洞梁(3)和压电结构(4)，
2.如权利要求1所述的一种结合声学黑洞的超材料梁振动能量采集器，其特征在于：多个附加声学黑洞梁(3)均位于同一平面，所述附加声学黑洞梁(3)的两端以主梁(2)为中心对称设置。
3.如权利要求2所述的一种结合声学黑洞的超材料梁振动能量采集器，其特征在于：
4.如权利要求3所述的一种结合声学黑洞的超材料梁振动能量采集器，其特征在于：所述声学黑洞梁(33)的上表面为厚度由靠近第二均匀梁(32)的一端向远离第二均匀梁(32)的一端按幂函数规律光滑下降的楔面。
5.如权利要求3所述的一种结合声学黑洞的超材料梁振动能量采集器，其特征在于：所述附加声学黑洞梁(3)厚度与位置的关系式为：
6.如权利要求3所述的一种结合声学黑洞的超材料梁振动能量采集器，其特征在于：所述第二均匀梁(32)的厚度大于第一均匀梁(31)的厚度。
7.如权利要求3所述的一种结合声学黑洞的超材料梁振动能量采集器，其特征在于：所述
8.如权利要求3所述的一种结合声学黑洞的超材料梁振动能量采集器，其特征在于：所述压电结构(4)为贴附在声学黑洞梁(33)远离第二均匀梁(32)一端的下表面的压电陶瓷片。
9.如权利要求1所述的一种结合声学黑洞的超材料梁振动能量采集器，其特征在于：所述附加声学黑洞梁(3)的宽度为15～25mm，所述的主梁(2)尺寸为(550～650)×(35～45)×(2～6)mm3。
10.如权利要求1所述的一种结合声学黑洞的超材料梁振动能量采集器，其特征在于：所述主梁(2)和附加声学黑洞梁(3)均采用金属材料或阻尼合金制成。
...【技术特征摘要】
1.一种结合声学黑洞的超材料梁振动能量采集器，其特征在于：振动结构(1)、主梁(2)、附加声学黑洞梁(3)和压电结构(4)，
2.如权利要求1所述的一种结合声学黑洞的超材料梁振动能量采集器，其特征在于：多个附加声学黑洞梁(3)均位于同一平面，所述附加声学黑洞梁(3)的两端以主梁(2)为中心对称设置。
3.如权利要求2所述的一种结合声学黑洞的超材料梁振动能量采集器，其特征在于：
4.如权利要求3所述的一种结合声学黑洞的超材料梁振动能量采集器，其特征在于：所述声学黑洞梁(33)的上表面为厚度由靠近第二均匀梁(32)的一端向远离第二均匀梁(32)的一端按幂函数规律光滑下降的楔面。
5.如权利要求3所述的一种结合声学黑洞的超材料梁振动能量采集器，其特征在于：所述附加声学黑洞梁(3)厚度与位置的关系式为：
6.如权利要求3所述的一种结合声学黑洞的超材料梁振动能量采集器，其特...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨恺，贾宇航，童伟豪，张宇航，潘雨豪，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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