[实用新型]一种应用含缺陷声子晶体梁双局域化特性的能量采集装置

说明书

本实用新型公开了一种应用含缺陷声子晶体梁双局域化特性的能量采集装置。包括含缺陷声子晶体梁和压电材料，声子晶体梁为由两种材料单元在长度方向上周期交替排列组成的悬臂梁，所述的含缺陷声子晶体梁靠近固定端的材料单元中至少有一个存在缺陷，压电材料位于存在缺陷的材料单元上。本实用新型的能量采集装置利用声子晶体梁结构中点缺陷对弯曲波局域化的缺陷态特性和带隙将能量局域在前端(靠近振源)的双重局域效果，利用缺陷态频率下采集输出的最大功率远大于其他通带共振峰对应的最大输出功率的特效，压电材料的压电层受到机械应力输出交变电压，实现能量的采集。

技术领域

本实用新型属于机械能量采集领域，尤其涉及一种应用含缺陷声子晶体梁双局域化特性的能量采集装置。

背景技术

声子晶体是一种具有弹性波或声波带隙的周期性结构。声子晶体的带隙特性表明，带隙频率范围内对应的弹性波或声波在周期性结构中传播会受到抑制。当完美型声子晶体的周期性遭到破坏时，原有的带隙内就有可能出现缺陷态。缺陷态是通带，其对应的弹性波或声波会在声子晶体的点缺陷处局域化或沿着线缺陷方向定向传播。

机械振动能量无处不在，这些振动能量都可能被采集起来应用于低功率的电子设备。大部分压电能量采集器采用了悬臂梁结构，采集位置一般紧挨着振动源布置。压电能量采集技术作为一种长期甚至无限生命周期的自主供电系统，可以将自然界的能量(比如振动能量)采集起来并转化为电能应用于低功率的电子设备，有利于解决传统电池使用寿命短、频繁更换以及空间占有率等问题。大部分压电能量采集器采用了悬臂梁结构，但其采集的共振频率和采集位置单一以及输出功率较小。目前，大量的学者用到了压电材料的压电效应来采集结构中的能量。当压电材料的压电层受到机械应力时，压电层的动应变可以通过电极直接输出交变电压，压电层产生的电荷量与其产生的应变是成比例的。本实用新型设计的含缺陷声子晶体梁能量采集器充分利用了缺陷态频率下点缺陷处极大的动应变特点来进行压电能量采集，同时兼顾了声子带隙将能量局域在前端而将采集器靠近振动源布置，从而在双重效应下达到更为高效的能量输出。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种应用含缺陷声子晶体梁双局域化特性的能量采集装置。

一种应用含缺陷声子晶体梁双局域化特性的能量采集装置，包括含缺陷声子晶体梁和压电材料，所述的含缺陷声子晶体梁是由两种材料单元在长度方向上周期交替排列组成的悬臂梁，其中两种材料单元的尺寸相同，所述的声子晶体梁靠近固定端的一端至少有一个材料单元存在缺陷，所述的压电材料位于存在缺陷的材料单元上。

优选的，所述的缺陷为点缺陷，存在缺陷的材料单元的缺陷是材料的厚度被降低；所述存在缺陷的材料单元位于第一个晶格上(从固定端算起)，但不能直接连接固定端。

优选的，所述的两种材料单元的杨氏模量上相差十倍以上。

优选的，所述的悬臂梁的周期大于8.

材料单元(悬臂梁)的结构形状可以是圆柱形、长方体、三棱柱等，但如果是柱形、棱柱会使得分析变复杂，截面的弯矩和中性轴变复杂；使用规则的长方体能便于计算也便于激励源激发)；材料单元(悬臂梁)长高比越大，带隙及缺陷态的位置越低频。压电薄膜依靠强力胶水附着在材料单元上。

本实用新型的能量采集装置利用声子晶体梁结构中点缺陷对弯曲波局域化的缺陷态特性和带隙将能量局域在前端(靠近振源)的双重局域效果，利用缺陷态频率下采集输出的最大功率远大于其他通带共振峰对应的最大输出功率的特效，为含缺陷声子晶体梁在能量采集领域的应用提供了一种新方法。本实用新型装置结构由材料单元排列组成，可随意调整缺陷单元的位置和缺陷形状，可根据工作环境的频率特效改变悬臂梁缺陷的位置，设计灵活，应用面广。本实用新型克服了现有悬臂梁能量采集装置采集的共振频率和采集位置单一以及输出功率较小的问题，提供了一种长期稳定可靠的振动能量采集装置。

附图说明