تحليل يك ساختار بهينه فراماده به منظور افزايش پهناي شكاف و برداشت انرژي از امواج آكوستيكي با استفاده از وصله‌ي پيزوالكتريك

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

دكتري

امروزه با گسترش ساخت تجهيزات الكتريكي كوچك و كم¬مصرف و استفاده بهينه از انرژي‌هاي تجديدپذير، توجه براي ايجاد يك منبع تغذيه مفيد براي جاي¬گزيني باتري به منظور تامين انرژي الكتريكي اين تجهيزات بيش از پيش افزايش يافته است. در اين بين استفاده از انرژي موجود در امواج آكوستيكي محيط پيراموني براي تامين توان الكتريكي تجهيزات كم‌توان يكي از راه¬حل¬هاي مفيد براي رفع اين مشكل است. همان‌طور كه مشخص است، در حالت كلي چگالي جذب امواج آكوستيك بسيار پايين است. از اين رو، در تبديل انرژي آكوستيكي به انرژي الكتريكي نياز است ابتدا با استفاده از روش¬هاي مرسوم، امواج صوتي محيط را متمركز كرده و سپس با استفاده از يك برداشت¬گر مناسب، انرژي الكتريكي با بيشينه‌ترين حالت ممكن برداشت ¬شود. به كارگيري محفظه¬هاي هلمهولتز و ساخت و طراحي فراماده¬ها از جمله روش‌هاي افزايش تمركز امواج صوتي محيطي محسوب مي‌شوند. آن¬چه در اين رساله ارائه شده است، تحليل و بررسي يك ساختار بهينه فراماده به منظور افزايش برداشت انرژي از امواج آكوستيكي در يك محدوده فركانسي مشخص 3000-5000 هرتز با استفاده از وصله¬ي پيزوالكتريك و تاثير آن ساختار بر پهناي شكاف آكوستيكي است. در اين رساله، براي اولين بار، به منظور افزايش تمركز امواج آكوستيكي از كريستال¬هاي غيراستوانه¬اي با چينش لوزي-مربعي استفاده شده است. هم¬چنين اثر اضافه كردن جرم متمركز بالاي كريستال‌ها بر روي پهناي شكاف آكوستيكي و نيز تغيير زاويه تابش منبع صوت بر روي ميزان برداشت انرژي در محل آخال بررسي شده است. مدل¬سازي سيستم در محيط سه¬بعدي نرم¬افزار كامسول ويرايش 6، انجام شده است. پارامترهاي بهينه از طريق به كارگيري دو الگوريتم شبكه عصبي مصنوعي و الگوريتم ژنتيك با استفاده از لينك نرم¬افزار متلب و كامسول انتخاب شده¬اند. در اين مساله، پارامترهاي موثر شامل طول كريستال، شعاع كريستال، شعاع انحناي كريستال، فاصله مركز به مركز و ضخامت صفحه فراماده در فرايند بهينه‌سازي براي انتخاب مقادير بهينه در نظر گرفته شدند. هم‌چنين در اين رساله، روابط حاكم بر مساله برداشت انرژي، پهناي شكاف و افت انتقال صوت بر اساس تئوري بلاخ ارائه شده است. نتايج نشان دادند كه استفاده از فراماده با كريستال‌هاي هذلولوي با ابعاد بهينه در مقايسه با فراماده با كريستال استوانه‌اي تحت شرايط محيطي و جرم يكسان، متوسط برداشت انرژي به مراتب بيشتري در محدوده فركانسي مشخص 3000-5000 هرتز دارد. هم‌چنين با مقايسه نتايج پهناي شكاف آكوستيكي و محدوده افت انتقال صوت براي هر دو فراماده مورد نظر، فراماده با كريستال هذلولوي به دليل افزايش امپدانس مكانيكي، پهناي شكاف آكوستيكي بزرگ‌تري نسبت به حالت استفاده از فراماده با كريستال استوانه‌اي دارد. هر چند، با اضافه شدن جرم متمركز بر روي كريستال هذلولوي، پهناي شكاف بزرگتري نسبت به دو حالت قبلي محاسبه شد. نتابج تغيير زاويه تابش نيز نشان داد كه بهترين حالت برداشت انرژي در حالت تابش عمودي و سپس تابش افقي ميسر مي‌شود. در نهايت، نتايج حاصل از حل شبيه¬سازي با نتايج تجربي در هر دو حالت برداشت انرژي و پهناي شكاف مورد مقايسه و اعتبارسنجي قرار گرفته‌اند. نتايج تجربي براي دو حالت فراماده با چينش مربعي-لوزي يكي با كريستال هذلولوي و ديگري با كريستال استوانه‌اي انجام شده و مورد مقايسه قرار گرفتند.

237265

ديناميك، كنترل و ارتعاشات

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان