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随机激励下双稳态压电俘能系统的相干共振及实验验证

蓝春波 秦卫阳 李海涛

随机激励下双稳态压电俘能系统的相干共振及实验验证

蓝春波, 秦卫阳, 李海涛
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  • 随着压电晶体材料的迅速发展, 基于压电效应的能量采集系统是俘获环境中的宽带随机振动能量的一种有效途径. 研究了有限宽带随机激励作用下, 磁斥力双稳态压电俘能系统的相干共振俘能机理, 并进行了实验验证. 运用Euler-Maruyama方法求解了随机非线性压电振动耦合方程, 比较分析了相干共振发生前后系统的动力学特性和俘能效率, 然后基于Kramers逃逸速率解释了相干共振. 最后的随机振动实验结果验证了双稳态压电俘能系统的相干共振俘能机理. 并且观察到: 当相干共振发生时, 系统会在两个势能阱之间剧烈运动, 此时宽带随机振动能量会被转化为大幅值窄带低频振动响应, 从而极大地提高了宽带随机振动能量的俘获效率.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 11172234)资助的课题.
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    Harne R L, Wang K W 2013 Smart Mater. Struct. 22 023001

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    Erturk A, Hoffmann J, Inman D J 2009 Appl. Phys. Lett. 94 254102

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    Cottone F, Vocca H, Gammaitoni L 2009 Phys. Rev. Lett. 102 080601

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    Ferrari M, Ferrari V, Guizzetti M, Ando B, Baglio S, Trigona C 2010 Sens. Actuators. A 162 425

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    Sun S, Cao S Q 2012 Acta Phys. Sin. 61 210505 (in Chinese) [孙舒, 曹树谦 2012 物理学报 61 210505]

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    Gao Y J, Leng Y G, Fan S B, Lai Z H 2014 Smart Mater. Struct. 23 095003

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    Fan K Q, Xu C H, Wang W D, Fang Y 2014 Chin. Phys. B 23 084501

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    Erturk A, Inman D J 2011 J. Sound Vib. 330 2339

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    Masana R, Daqaq M F 2013 J. Sound Vib. 332 6755

    [10]

    Friswell M I, Ali S F, Bilgen O, Adhikari S, Lees A W, Litak G 2012 J. Intel. Mater. Syst. Struct. 23 1505

    [11]

    McInnes C R, Gorman D G, Cartmell M P 2008 J. Sound Vib. 318 655

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    Chen Z S, Yang Y M 2011 Acta Phys. Sin. 60 074301 (in Chinese) [陈仲生, 杨拥民 2011 物理学报 60 074301]

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    Zheng R C, Nakano K, Hu H G, Su D X, Cartmell M P 2014 J. Sound Vib. 333 2568

    [14]

    Litak G, Friswell M I, Adhikari S 2010 Appl. Phys. Lett. 96 214103

    [15]

    Ali S F, Adhikari S, Friswell M I, Narayanan S 2011 J. Appl. Phys. 109 074904

    [16]

    Li H T, Qin W Y 2014 Acta Phys. Sin. 63 120505 (in Chinese) [李海涛, 秦卫阳 2014 物理学报 63 120505]

    [17]

    Cyrill B M 2005 Physica D 210 227

    [18]

    Pikovsky A S, Kurths J 2005 Phys. Rev. Lett 95 123903

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  • [1] 蓝春波, 秦卫阳. 带碰撞双稳态压电俘能系统的俘能特性研究. 物理学报, 2015, 64(21): 210501. doi: 10.7498/aps.64.210501
    [2] 董小娟, 晏爱君. 双稳态系统中随机共振和相干共振的相关性. 物理学报, 2013, 62(7): 070501. doi: 10.7498/aps.62.070501
    [3] 季袁冬, 张路, 罗懋康. 幂函数型单势阱随机振动系统的广义随机共振. 物理学报, 2014, 63(16): 164302. doi: 10.7498/aps.63.164302
    [4] 李海涛, 秦卫阳, 周志勇, 蓝春波. 带有分数阶阻尼的压电能量采集系统相干共振. 物理学报, 2014, 63(22): 220504. doi: 10.7498/aps.63.220504
    [5] 李海涛, 秦卫阳. 宽频随机激励下非线性压电能量采集器的相干共振. 物理学报, 2014, 63(12): 120505. doi: 10.7498/aps.63.120505
    [6] 马星晨, 叶瑞丰, 张添乐, 张晓青. 基于单极性驻极体薄膜的振动能俘获研究. 物理学报, 2016, 65(17): 177701. doi: 10.7498/aps.65.177701
    [7] 周小荣, 罗晓曙. 小世界生物神经网络的相干共振研究. 物理学报, 2008, 57(5): 2849-2853. doi: 10.7498/aps.57.2849
    [8] 易 鸣, 贾 亚, 刘 泉, 詹 璇. 生物钟基因网络中分子噪声诱导的日夜节律振荡及相干共振. 物理学报, 2008, 57(1): 621-627. doi: 10.7498/aps.57.621
    [9] 周玉荣, 张安英, 庞小峰, 刘志宏. 色关联噪声驱动下非线性神经元模型的相干共振. 物理学报, 2010, 59(2): 699-704. doi: 10.7498/aps.59.699
    [10] 丁学利, 李玉叶. 相位噪声诱发神经放电的单次或两次相干共振. 物理学报, 2014, 63(24): 248701. doi: 10.7498/aps.63.248701
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出版历程
  • 收稿日期:  2014-10-09
  • 修回日期:  2014-11-27
  • 刊出日期:  2015-04-20

随机激励下双稳态压电俘能系统的相干共振及实验验证

  • 1. 西北工业大学工程力学系, 西安 710072
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号: 11172234)资助的课题.

摘要: 随着压电晶体材料的迅速发展, 基于压电效应的能量采集系统是俘获环境中的宽带随机振动能量的一种有效途径. 研究了有限宽带随机激励作用下, 磁斥力双稳态压电俘能系统的相干共振俘能机理, 并进行了实验验证. 运用Euler-Maruyama方法求解了随机非线性压电振动耦合方程, 比较分析了相干共振发生前后系统的动力学特性和俘能效率, 然后基于Kramers逃逸速率解释了相干共振. 最后的随机振动实验结果验证了双稳态压电俘能系统的相干共振俘能机理. 并且观察到: 当相干共振发生时, 系统会在两个势能阱之间剧烈运动, 此时宽带随机振动能量会被转化为大幅值窄带低频振动响应, 从而极大地提高了宽带随机振动能量的俘获效率.

English Abstract

参考文献 (18)

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