Acoustic metamaterial-based energy harvesting of mechanical waves: Modeling, optimization and experiments

基于声学超材料的机械波能量收集:建模、优化和实验

基本信息

项目摘要

Acoustic metamaterials (AMMs) are artificial periodic structures composed of small unit-cells which behave like a continuous material with unconventional effective properties. Acoustic and elastic waves in AMMs may show many anomalous phenomena, e.g. negative refraction, superlensing, cloaking and localization, and thus have many innovative and challenging engineering applications. Energy harvesters, which can collect the mechanical energy of propagating waves and convert it into electrical power, may be designed by introducing piezoelectric structures into AMM-based field concentrators. In the proposed project, AMM-based field concentrators for mechanical waves will be developed, and the piezoelectric energy harvesting of propagating acoustic/elastic waves in the field concentrators will be studied. The scientific objectives of the present research project are:  Design of the field concentrators for propagating mechanical waves (acoustic/elastic waves) by transformation acoustics/elastodynamics. Topology optimization for the unit-cell design based on the finite element method (FEM). Development of the analytical modeling and numerical simulation methods for calculating the electromechanical responses of the piezoelectric structures. Multi-field numerical simulations of the energy harvesting devices, manufacturing of the devices and measurements of the energy harvesting efficiency in the laboratory.
声学超材料是由具有非常规有效特性的小晶胞组成的人工周期性结构。AMM中的声波和弹性波可以表现出许多异常现象,如负折射、超透镜、隐身和局部化等,因此具有许多创新和挑战性的工程应用。可以通过将压电结构引入到基于AMM的场集中器中来设计能量采集器,该能量采集器可以收集传播波的机械能并将其转换成电能。在拟议的项目中,将开发基于AMM的机械波场集中器,并将研究场集中器中传播声波/弹性波的压电能量收集。本研究项目的科学目标是: 通过转换声学/弹性动力学设计传播机械波(声波/弹性波)的场集中器。 基于有限元法(FEM)的单胞设计拓扑优化。 压电结构机电响应分析建模与数值模拟方法的发展 能量收集装置的多场数值模拟,装置的制造和实验室能量收集效率的测量。

项目成果

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