2012年12月期刊俱乐部主题:弹性波能收集的超材料启发概念

最近的期刊俱乐部的文章展示了声子晶体和声学超材料有趣而独特的动态特性(参见M. Hussein和A. Spadoni分别在4月和5月发表的期刊俱乐部文章)。这类工程材料和结构引导和聚焦弹性和声波的能力可以在许多新的应用和令人兴奋的功能中得到利用。其中，Alper Erturk, Michael Leamy(都来自佐治亚理工学院)和我最近探索了利用声子/超材料文献启发的结构进行基于波的能量收集的可能性。我们初步研究的目的是利用力学中的简单概念，如波散射和波局部化，以便将与传播波相关的弹性能量集中在所需的位置。如何以最优的效率转换这种能量还有待解决，这将是进一步工作的对象。
在过去的十年中，振动能量的收集得到了广泛的研究[1-3]。然而，在利用波在结构或流体中传播的能量方面，人们的努力有限。只有少数研究小组提出使用亥姆霍兹谐振器[4]、声波晶体[5]和极化图案压电固体[6]进行结构载或空气载波能收集。我们的工作主要集中在简单的结构上，即通过表面粘合的圆柱形存根阵列作为声散射器来控制铝板中的波传播。散射体按空间模式布置，引导和聚焦在板内传播的弹性兰姆波。在[7]中详细说明了第一个概念，其特点是沿着椭圆路径排列这样的散射体阵列，将入射的球形波集中到椭圆的几何焦点上(图1a)，在椭圆的几何焦点上放置了一个压电能量收集器。由此产生的椭圆声镜(EAM)提供宽带聚焦能力和能量收集性能，远远优于位于自由场的收割机。具体来说，在考虑的所有电阻和频率水平(在25-100 kHz范围内)，系统比自由收割机的情况下增加了3075%。目前正在研究替代声学反射镜配置(如抛物面反射镜)，以聚焦和收集结构传播的平面波，而不是从点源发出的波。此外，目前的研究正在调查声学反射镜作为结构部件的一部分的潜在集成，如夹层板和穿孔板，用于噪声控制。

图1:EAM结构显示了点激励源和压电能量采集器在焦点处的位置(a);(a)中以虚线矩形为界的区域上的速度振幅分布，表明波能在能量收集器(b)的位置集中;25-150 kHz频率范围内沿椭圆主轴(x = 60 mm)的速度振幅场，显示源和能量收集器的位置(c)，以及使用和不使用EAM配置时收获的能量的比较:30-70 kHz频率范围内的功率与负载电阻和频率面，涵盖每个频率的最佳电负载区域(c)。

第二个概念是利用周期性阵列中缺陷的局部化特性。由缺失短段产生的内部缺陷(图2a)将弹性能量定位在缺陷的共振频率上(在这种情况下约为37.5 kHz)，该缺陷位于阵列的带隙内。这种谐振以及带隙可以设计成与特定应用的频率内容相匹配。图2b的实验动态响应图清楚地表明，在缺陷位置的晶格内实现了波的强局域化。这种设计可以过渡到实际应用，通过定制设计具有周期性夹杂物的泡沫，或具有不完美孔阵列的结构基板。这两个概念都展示了与周期性和非周期性超材料中的波动相关的几个基本概念，这些概念具有战略性地定位缺陷或散射体，可以导致有趣的应用，例如能量收集，并可以利用来实现性能的实质性增强。

我希望这篇文章能引起一些关于声子结构和超材料在能量收集和转换方面的潜在应用的讨论。我特别感兴趣的是了解其他人在这个领域做了什么，这似乎是非常有前途的。

图2:有缺陷的点阵结构(a);在37.5 kHz谐波激励下，RMS位移场显示能量局域化(b)。

M. Ruzzene, A. Erturk和M. Leamy感谢Matteo Carrara和Martin Cacan的贡献，他们通过辛勤的工作和奉献，产生了上述所有的实验结果。

参考文献

1.胡达克，杨志强，应用物理学报，33(2)(2008)。

2.陈国强，陈国强，陈国强。智能材料与结构[j] .材料与工程学报，2009(1)。

3.A. Erturk, J. Hoffmann和D. J. Inman，应用物理学报，94,25(2009)。

4.李建军，李建军，李建军，李建军。微力学与微工程学报16,S174(2006)。

5.吴丽艳，陈丽文，刘春明，应用物理学报，35(6):662 - 662(2009)。

6.C. J. Rupp, M. L. Dunn和K. Maute，应用物理学报96,111902(2010)。

7.M. Carrara, M. canan, M. Leamy, M. Ruzzene, A. Erturk，“椭圆声镜对结构波能量收集的显著增强”。应用物理学报，2012(4):204105-204105。