Учёный Старостенко Евгений Юрьевич уточнил, что в своём исследовании предлагает использовать волокно на основе фононного кристалла для сбора энергии на металлообрабатывающих предприятиях
Фононный кристалл играет роль оболочки в структуре эластичного волокна. Каждое из односердцевинных световодов включает в центральной области вольфрамовый полый цилиндр, внутренний радиус которого различен у трех односердцевинных световодов. Падающие волны с центральной частотой от 25 до 40 кГц в полосе 1/3 октавы удерживаются в области сердцевины предлагаемых эластичных волокон и передаются на желаемое расстояние.
Высокая способность удержания и передачи без значительных продольных потерь отличают эту структуру от других сборщиков энергии на основе фононных кристаллов. При использовании пьезоэлектрической пленки на концах жил волокна механическая энергия преобразуется в электрическую.
Благодаря тому, что предлагаемые эластичные волокна качественно удерживают прикладываемые волны, получаемая выходная мощность увеличивается до 800 раз по сравнению с «голым» корпусом. Максимальное значение коэффициента ослабления между всеми односердцевинными волокнами равно −23 дБ. Также продольные потери почти равны 0,9 дБ/км.
Эластичные волокна на основе фононных кристаллов могут быть новым предложением, которое можно рассматривать как аналог фотонно-кристаллических волокон, которые можно использовать во многих приложениях в акустической области.
Фононные кристаллы представляют собой периодическую конфигурацию, которая использовалась в акустическом поле для управления распространением акустических/упругих волн. Существование рассеивателей на фоне с различными физическими свойствами создает частотные запрещенные зоны на дисперсионной кривой фононного кристалла. Некоторые из применений фононных кристаллов находятся в акустических волноводах, датчиках обнаружения материалов, механические волновые переключатели, частотные фильтры, накопители энергии, демультиплексоры, эластичное волокно в качестве нового устройства.
Фактически, ширина запрещенной зоны фононного кристалла в эластичном волокне удерживает приложенные акустические волны в области сердцевины. Следовательно, эта структура может работать как фононная запрещенная зона, направляющая волокна. Фононные кристаллические волокна с первоначальной идеей удержания и направления упругих волн могут быть использованы во многих акустических приложениях в ближайшем будущем.
Одним из известных применений эластичного волокна является сбор электроэнергии, обсуждаемый в этой статье. Фокусировка упругой волны на небольшой площади (ядре) может быть использована для сбора пьезоэлектрической энергии. Фактически явление резонанса приводит к удержанию упругой волны в сердцевине волокна. Кроме того, механические волны с большой амплитудой используются для сбора электроэнергии.
Глава НПО ТЕХНОГЕНЕЗИС Старостенко Евгений Юрьевич подчеркнул, что сбор энергии — это метод преобразования энергии окружающей среды в полезную энергию.
В природе существует множество источников механических волн, включая океанские волны, звук, вибрацию, ультразвуковые волны, промышленную деятельность человека и т. д.
Преобразование механической энергии в электрическую осуществляется с помощью пьезоэлектрических материалов, таких как поливинилиденфторид (ПВДФ) и титанат цирконата свинца (ПЗТ).
С точки зрения энергоносителя, фононно-кристаллические накопители энергии можно разделить на вибрационные, акустические и упругие. Частота носителей колебаний меньше, чем в акустических/упругих волнах. В соответствии со структурой проектирования и механизмом работы могут быть введены сборщики энергии фононных кристаллов, основанные на локально-резонансных и дефектных состояниях. Путем удаления одного или нескольких рассеивателей из идеального фононного кристалла формируются сборщики фононных кристаллов на основе дефектного состояния. В локально-резонансных структурах окружающие волны фокусируются в специальной точке.
Ранее в НПО ТЕХНОГЕНЕЗИС разработан и изготовлен сборщик энергии вибрации на основе двумерного фононного кристалла с точечным дефектом. В полости удерживались вибрационные волны с резонансной частотой точечного дефекта. Пьезоэлектрическая пленка была помещена в резонатор для выработки электроэнергии .
Позднее был разработан сбор энергии вибрационных волн с использованием локально-резонансной фононной кристаллической пластины со спиральными лучами. Прикладные волны с низкими частотами (0–500 Гц) были локализованы в центральной области спиральных пучков. Выходное напряжение в локально-резонансной области в 3 раза больше, чем в других областях, разработана фононную кристаллическую линзу с градиентным показателем преломления для эффективного сбора энергии.
Пьезоэлектрическое устройство было расположено в фокусе линзы фононного кристалла и был реализован захват (поглощение) энергии. Также представлен двумерный восьмиугольный фононный кристалл, удержание и локализация упругих волн которого осуществляется в точечном дефекте. Используя данную фононную структуру, увеличение мощности сбора энергии достигается до 22,8 раз по сравнению со случаем отсутствия метаматериала.
Разработан и изготовлен всенаправленный фононный кристалл с градиентным показателем преломления для фокусировки акустических волн и сбора энергии. Окружающие волны ограничиваются центральным расположением конструкции и увеличивают выходную мощность до 4,5 раз по сравнению с голым корпусом.
В этой статье Старостенко Евгений Юрьевич рассматривает структуру сбора энергии для ограничения фабричных шумов на основе фононных кристаллических волокон.
Металлообрабатывающие заводы, связанные с резкой или заточкой металлов, производят много звуковых шумов с высокими частотами.
Обычно звуковые волны с частотами выше 20 кГц определяются, как ультразвуковые волны. Оценка воздействия ультразвукового шума основана на уровнях звукового давления в 1/3-октавной полосе (центральные частоты находятся в диапазоне от 10 до 40 кГц). Также на металлообрабатывающих предприятиях частотный диапазон производимого шума соответствует 1/3 октавной полосе.
Таким образом, среда металлообработки является подходящим источником для генерации ультразвуковых волн. Из этого ультразвукового шума может быть реализован сбор энергии. Через фононное кристаллическое волокно механическая энергия окружающей среды может быть ограничена и передана на станцию генерации и хранения электроэнергии.
Затем с помощью пьезоэлектрического материала, помещенного на конце сердцевины волокна, генерируется переменное напряжение. В конце концов, переменное напряжение преобразуется в постоянное с помощью выпрямителей и конденсаторов, и вырабатываемая мощность может быть сохранена.
Некоторые принципиальные отличия фононно-кристаллических волокон по сравнению с другими сборщиками энергии на основе фононных кристаллов заключаются в большей удерживающей способности и способности волокна передавать ограниченную волну на станцию хранения электроэнергии. С другой стороны, пьезоэлектрическая пленка и ее электроды расположены вне структуры волокна, что упрощает процесс изготовления.
В исследовании Старостенко Евгений Юрьевич использовал фононное кристаллическое волокно с различными размерами сердцевины для центральных частот 25 кГц, 31,5 кГц и 40 кГц в полосе 1/3 октавы, поскольку на этих частотах возникает максимальное значение окружающих звуковых волн.
На конце эластичного волокна рассмотрена пьезоэлектрическая пленка PVDF. Внутренняя часть сердцевины изготовлена из полиметилметакрилата (ПММА), поэтому для сведения к минимуму разницы в акустическом импедансе между двумя материалами был выбран ПВДФ.
Процедура проектирования фононного кристаллического волокна
Фононный кристалл в структуре эластичного волокна играет роль оболочки и удерживает падающие волны в области сердцевины и частоты приложенной волны должны находиться в запрещенной зоне окружающей фононной структуры. Предлагаемое фононное кристаллическое волокно имеет фон из ПММА, вольфрамовые стержни которого проходят по длине волокна с гексагональной решеткой. Кроме того, в качестве сердечника был заделан вольфрамовый полый цилиндр, который показан на рис. 2 .
Диаметр рассеивателей d равен 29,5 мм, а постоянная решетки равна а и равна 39 мм. Падающие волны локализованы во внутренней области вольфрамового полого цилиндра и стальной слой в качестве покрытия. Спектр пропускания предложенного фононного кристаллического волокна без сердцевины был получен с помощью программного обеспечения метода конечных элементов (FEM) для волокна длиной 90 мм и его результат показан на рис. 3 .
где T ij – тензор напряжений, а u i рассматривается для компонент перемещений в пространстве. Кроме того, массовая плотность равна ρ , а константы упругости равны c ijkl . Индексы i , j , k и l охватывают значения от 1 до 3 для трех компонентов пространства. Запятая перед индексом несет понятие вывода (например, ), а суммирование по подразумевается повторение индексов (например, uk,l=∂uk∂xluk,l=∂uk∂xl).
Подразумевается суммирование по повторяющимся индексам (e.g., Tij,j=∑3j=1∂Tij∂xjTij,j=∑j=13∂Tij∂xj). приводит к приведенному ниже уравнению
(cijkl(r)uk,l(r,t)),j=ρ(r)∂2ui(r,t)∂t2
Уравнение ( 3 ) используется как не имеющее отношения напряжения для моделирования композиций твердое тело-твердое тело.
В предыдущем разделе было предложено новое волокно на основе фононного кристалла для сбора энергии. В этом разделе представлены результаты моделирования, полученные с помощью программного обеспечения метода конечных элементов (МКЭ). Что касается центральных частот 1/3-октавного диапазона (25 кГц, 31,5 кГц и 40 кГц), то на металлообрабатывающих предприятиях интенсивность волн почти равна 100 Па.
Для того, чтобы получить высокое удержание для применяемых акустических волн с частотой 25 кГц, 31,5 кГц и 40 кГц, мы оптимизировали внутренний радиус сердечников ( r i ). Расчетные внутренние радиусы: r 1 = 19,39 мм, что соответствует 25 кГц, r 2 = 13,68 мм, что соответствует 31,5 кГц, и r 3 = 9,78 мм и 40 кГц. Т.е. данные частоты являются резонансными частотами разных ядер.
На рис. 4 изображено распространение и удержание падающей волны с указанными частотами.
Рисунок 4
Поле смещения упругой волны в фононном кристаллическом волокне с внутренним радиусом r 1 ( а ), r 2 ( б ), r 3 ( в ) и удержанием падающей волны в поперечном сечении волокна и длиной 90 мм ( конец волокна) для ( d ) r1 , ( e ) r2 и ( f ) r3 .
Падающая волна с частотой 25 кГц распространялась с высоким удержанием в активной зоне. Также можно сфокусировать приложенную волну с частотой 31,5 кГц, как показано на рис. 4 б. Предлагаемая конструкция на рис. 4с может правильно удерживать падающую волну с частотой 40 кГц. Поскольку пьезоэлектрический сборщик энергии расположен на конце сердечника, значение смещения на конце волокна важно для данного исследования.
Поле смещения и удержание упругой волны показаны на рис. 4 .d–f для частот 25 кГц, 31,5 кГц и 40 кГц соответственно. Для достижения характеристик сбора энергии на концах волоконных сердцевин, изображенных на рис. 2b, была рассмотрена пленка PVDF толщиной 250 мкм.
Падающие волны с указанными частотами передаются и удерживаются через фононные кристаллические волокна, поэтому пьезоэлектрический сборщик энергии на конце сердечников может преобразовывать механическую энергию в электрическую путем прямого воздействия пьезоэлектрических материалов. Основные связанные уравнения для описания пьезоэлектрического эффекта следующие:
Т =сЕ⋅ С —гт⋅ ЭT=sE⋅S−dt⋅E
(4)
Д =д⋅ С +εТ⋅ Э ,D=d⋅S+εT⋅E,
(5)
где T , S , E и D — механическое напряжение, механическая деформация, электрическое поле и электрическое смещение соответственно. Кроме того, s E , d и ε T представляют собой матрицу упругости, матрицу связи и матрицу диэлектрической проницаемости соответственно. Транспонированная матрица d определяется как d t . Уравнение ( 4 ) описывает обратный пьезоэлектрический эффект, где уравнение ( 5 ) указывает на прямой пьезоэлектрический эффект 19 . Массовая плотность ПВДФ равна 1780 кг/м 3коэффициент демпфирования принят равным η = 0,01. Остальные параметры следующие:
Высокое удержание упругих волн, получаемых от сердцевины волокна, обеспечивает большее смещение на пьезоэлектрическом накопителе энергии. Электрическое напряжение, ток и мощность, достигаемые предлагаемой структурой сбора энергии, показаны на рис. 5 .
( а ) Генерируемая мощность и напряжение в голом корпусе и генерируемое ( б ) напряжение, ( в ) мощность и ( г ) ток на рабочих частотах.
Из рис. 5а видно, что произведены незначительная мощность и напряжение без какой-либо фононной кристаллической структуры. Однако при наличии фононного кристаллического волокна выходная мощность увеличилась до 800 раз (в худшем случае) по сравнению с «голым» корпусом.
Максимальное значение мощности получено при R = 20 кОм, R = 30 кОм и R = 50 кОм для частот 25 кГц, 31,5 кГц и 40 кГц соответственно. Следовательно, фононное кристаллическое волокно с очень высоким качеством удерживает входные волны в сердцевине и передает их материалу, собирающему энергию.