基于局域共振声子晶体的车辆声能回收方法研究

发布时间：2017-10-21 10:24

  本文关键词：基于局域共振声子晶体的车辆声能回收方法研究

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【摘要】：近年来,微机电系统、无线传感器在环境监测领域得到广泛的使用,其电源多由化学电池供给,需要定期更换。回收环境中能量为无线传感器供电可减少化学电池使用量,具有显著的经济价值和社会环境效益。随着汽车保有量增大,车辆噪声能量日益丰富,是良好的环境能量回收对象。本文提出采用压电—1/4波长管声子晶体回收车辆中、低频(1000Hz以下)噪声能量,通过理论分析和试验探究验证了该方法的合理性。首先,基于单体1/4波长管声学阻抗特性,建立一维1/4波长管声子晶体数学模型;采用传递矩阵法获得其能带结构,分析了各带隙产生机理,明确了第一带隙的局域共振特性;研究了支管间距、支管长度、主支管截面积比对该声子晶体能带分布的影响规律,所得结论可用于1/4波长管声子晶体局域共振频带设计。其次,建立了1/4波长管声子晶体声学有限元模型并研究其声局域化效应。通过分析得知,该结构声局域化模态出现在带隙起始、截止频率附近;探究了各结构参数对声局域化模态分布的影响规律,与传递矩阵法所得能带分布变化规律一致;提出以各支管声压放大倍数ASP,n和结构总体平均声压放大倍数TASP分别表征单个支管和整体结构的声局域化效果;分析了支管数量、支管间距、支管长度、主支管截面积比对声子晶体各支管和整体结构声局域化效果的影响规律,结果可为高效声局域化结构设计提供理论参考。最后,针对固定结构和材料参数的压电—1/4波长管声子晶体建立多物理场耦合有限元模型,以预测压电振子负载电压的频率响应曲线并试验验证。计算结果表明,该结构在带隙起始、截止频率附近声电转化效果较好。搭建声能回收试验台,采集了声波激励下该结构压电振子负载上的电压信号,与数值仿真结果相吻合,验证了该结构应用于车辆声能回收的可行性。本文旨在研究车辆噪声能量回收方法,所得结论可推广应用于低频宽带环境噪声声能量回收领域,具有一定的理论价值和指导意义。
【关键词】：车辆噪声 声能量回收 局域共振声子晶体 声局域化效应 多物理场耦合建模
【学位授予单位】：上海工程技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U467.493
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 绪论12-25
• 1.1 研究背景与意义12-13
• 1.2 国内外研究现状13-22
• 1.2.1 车辆噪声频带分布特性13-16
• 1.2.2 噪声能量回收研究现状16-20
• 1.2.3 局域共振声子晶体研究现状20-22
• 1.3 本文研究内容22-25
• 第二章 车辆噪声能量回收机理25-42
• 2.1 1/4 波长管声场分布特性25-30
• 2.1.1 理想流体媒质中的声波动方程25-27
• 2.1.2 1/4 波长管声共振特性27-30
• 2.2 声子晶体及其理论基础30-34
• 2.2.1 声子晶体的周期性描述31-32
• 2.2.2 Bloch定理32-33
• 2.2.3 声子晶体带隙计算方法33-34
• 2.3 1/4 波长管声子晶体34-41
• 2.3.1 传递矩阵法34-36
• 2.3.2 1/4 波长管声子晶体带隙机理分析36-38
• 2.3.3 能带分布随结构参数变化规律38-41
• 2.4 本章小结41-42
• 第三章 车辆声能回收结构声局域化效应分析42-62
• 3.1 声学有限元理论42-44
• 3.2 1/4 波长管声子晶体有限元模型建立44-45
• 3.3 1/4 波长管声子晶体声局域化效应45-48
• 3.4 结构参数对声局域化模态分布的影响48-50
• 3.5 结构参数对各支管声局域化效果的影响50-58
• 3.5.1 单元数目N51-52
• 3.5.2 支管间距a52-55
• 3.5.3 支管长度l55-56
• 3.5.4 主支管截面积比r56-58
• 3.6 结构参数对总体声局域化效果的影响58-61
• 3.7 本章小结61-62
• 第四章 车辆声能回收结构声电转化效应分析62-73
• 4.1 压电动力学分析62-64
• 4.1.1 压电振子的边界条件62-63
• 4.1.2 压电方程63-64
• 4.2 声电转化结构64-68
• 4.2.1 压电振子置入方案64-66
• 4.2.2 声—压电耦合分析与有限元建模66-68
• 4.3 声电转化效果分析68-72
• 4.3.1 压电振子模态分析68-69
• 4.3.2 压电振子电压输出特性分析69-72
• 4.4 本章小结72-73
• 第五章 车辆声能回收试验研究73-81
• 5.1 测试仪器与样品制备73-74
• 5.2 试验方法及步骤74-76
• 5.3 试验结果76-79
• 5.4 本章小结79-81
• 第六章 结论与展望81-84
• 6.1 论文主要研究结论及创新点81-82
• 6.2 展望82-84
• 参考文献84-88
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果88-89
• 致谢89-90

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本文编号：1072828