低频能量收集与振动抑制功能复用的智能结构研究.pdf

摘要

低频振动具有穿透力强、传播远、不易衰减等特点，一直以来都是振动控制工程中的重

点和难点。针对低频振动抑制难题，本文提出了一种新型的、紧凑的局域共振型声学超材料

结构，对其进行了振动模态分析以及研究了该结构的带隙特性。并且通过实验验证了有限周

期结构的宽带减振性能。另外，为了实现装备的智能化和泛在监测，需要在结构上部署传感

器。大规模部署传感器需要频繁更换电池，大大提高了运维成本。为了解决这个问题，一个

可行的思路是通过环境能量收集技术，将环境能量转换为电能，实现对传感器的供电。针对

低频振动能量的收集，本文设计了一种适合局域共振结构的垂直接触-分离式摩擦纳米发电机

（TriboelectricNanogenerator，TENG），并对其输出性能进行了优化。本文的主要工作及研究

结果如下：

首先本文针对低频振动抑制难题提出了一种新型的、紧凑的局域共振型声学超材料结构，

通过设计平面弹簧装置来保证较小尺寸的结构产生低频谐振。对提出的声学超材料结构进行

了有限元仿真分析，研究了其前6阶振动模态，发现主要包含垂直于基板方向运动模式和扭

转振动模式。仿真结果表明，本文提出的结构可以产生39Hz~51Hz的低频带隙，在带隙内

弹性波衰减迅速。接着研究分析了有限周期结构的传输特性，通过有限元仿真得出了有限周

期结构的传输损失曲线，仿真结果表明在带隙范围内，振动衰减均达到了-20dB以下。通过

实验验证了有限周期结构的减振性能，在带隙范围内，结构的振幅得到有效抑制，振幅衰减

最大可达87%,且与仿真结果非常吻合。

然后设计了一种适合局域共振结构的能量回收装置，采用氟化乙烯丙烯（Fluorinated

EthylenePropylene，FEP）薄膜和Ecoflex分别作为负极材料和正极材料制备了低频超构纳米

发电机（metamaterial-inspiredtriboelectricnanogenerator，META-TENG）。研究发现，在Ecoflex

中引入多壁碳纳米管（Multi-walledcarbonnanotubes，MWCNTs）有利于提高Ecoflex的介电

常数和电容，进而提高META-TENG的输出性能。分析了MWCNTs溶液含量对META-TENG

输出的影响，确定了MWCNTs溶液的最佳掺杂浓度为10wt.%，输出电压提高了近3倍。且

实验表明在5N力的激励条件下，输出功率达到最大可达2.36mW。

最后为了让META-TENG能够适应更加复杂的振动环境，需要通过对结构参数的优化获

得更宽的带隙。本文详细讨论了局域共振单元的参数和基体薄板的参数对结构带隙的影响，

根据仿真结果总结出了声学超材料结构参数变化对于结构带隙的影响规律，发现增加平面弹

簧厚度、增加质量块厚度、减小晶格常数和减小基体薄板厚度都有利于拓宽结构带隙，为拓

宽结构带隙提供了明确的优化思路和方法。并结合了有利于拓宽结构带隙的参数变化，确定

了优化后的声学超材料，通过仿真计算了优化后的结构带隙结果表明：经过优化的声学超材

料能够将带隙宽度提升近400%。

关键词:低频减振；声学超材料；带隙特性；摩擦纳米发电机；自供电传感

Abstract

Low-frequencyvibrationhasthecharacteristicsofstrongpenetration,longpropagationandnot

easytodecay,andhasalwaysbeenthefocusanddifficultyinvibrationcontrolengineering.Aiming

attheproblemoflow-frequencyvibrationsuppression,anewandcompactlocalresonanceacoustic

metamaterialstructureisproposed,andthevibrationmodeanalysisandbandgapcharacteristicsof

thestructurearestudied.Moreover,thewidebanddampingperformanceofthefi