不同激振角度下雙模態耦合渦流誘發振動能量採集器之設計及分析

Abstract

傳統的壓電能量採集器為懸臂梁結構，由於其頻寬過窄且振動方向性單一，在應用上受到諸多限制。因此本研究提出一具有雙方向振動自由度的框形梁壓電能量採集裝置以改善以上限制。藉由改變其激振角度，使其在同一個激振環境下產生兩模態耦合的現象，從而拓增頻寬的大小。另外，利用風力作為激振外力源，藉由框形樑上的圓柱形受風結構來產生渦流，並受益於其特殊的鎖定現象，探討其對於框形樑在雙模態耦合與單一模態時的表現差異。本研究使用Euler-Bernoulli梁理論與壓電本構方程式作為基礎，推導出框形梁的力電耦合振動方程式，並藉由基底激振實驗擬合出系統之阻尼比與壓電片之壓電常數。透過瑞利振盪器數學模型模擬出渦流對採集器產生的動態響應，推導出完整的力電耦合聯立方程式。藉由改變輔梁長度與激振角度，來觀察其對採集器的輸出電壓與採集能力的影響。結果顯示，在渦流誘發激振環境下，當角度從0° 開始變大時，兩模態逐漸發生耦合的現象，使其有效共振風速區間的範圍對比只有單一模態時明顯提升，尤以輔梁長度40 mm時更為明顯。在激振角度同為45° 的情況下，輔樑長度40 mm較輔梁長度30 mm時的有效共振風速區間增加大約25 %。在輔樑長度40 mm下，激振角度45° 對比角度0° 時，採集範圍提升了53.8%；對比角度90° 時，則提升了33.3%。