超声振动能量采集机理及其有限元分析与实验验证.pdfVIP

2024年11月机

械

科

学

与

技

术November2024

第43卷第11期Mechanical

Science

and

Technology

for

Aerospace

EngineeringVol.

43No.

11

周铄，刘周龙，郑友成,

等.

超声振动能量采集机理及其有限元分析与实验验证[J].

机械科学与技术，2024，43（11）：1961-1971

超声振动能量采集机理及其有限元分析与实验验证

周铄，刘周龙，郑友成，朱强国，王光庆

（浙江工商大学

信息与电子工程学院（萨塞克斯人工智能学院），杭州310018）

摘要：为了研究超声器械的超声振动及其能量采集转换机理，设计了一种具有能量采集与转换功能

的夹心式环状超声换能器。利用ANSYS有限元方法分析器件结构参数对其振动特性和能量采集

输出特性的影响，并结合超声振动能量采集与转换机理模型方法进行仿真，通过实验验证仿真分析

的准确性。研究表明：器件在谐振频率为35.2

kHz、电压幅值为67

V的激振条件下，采集PZT各个

扇区及孤极PZT扇区的输出电压幅值分别为39

V和34.4

V，最大输出功率分别达到113

mW和

82.4

mW，并通过实验系统将其采集的能量点亮发光二极管，研究结果验证了超声振动能量采集的

可行性。

关键词：超声振动；能量采集；有限元方法；仿真与实验

中图分类号：TB552;

TM619文献标志码：A

DOI：10.13433/ki.1003-8728文章编号：1003-8728（2024）11-1961-11

Mechanism,FEMAnalysisandExperimentalVerificationofEnergy

HarvestingfromUltrasonicVibrationEnvironments

ZHOU

Shuo，LIU

Zhoulong，ZHENG

Youcheng，

ZHU

Qiangguo，WANG

Guangqing

(School

of

Information

and

Electronic

Engineering

(Sussex

Artificial

Intelligence

Institute),

Zhejiang

Gongshang

University,

Hangzhou

310018,

China)

Abstract：In

order

to

study

the

ultrasonic

vibration

generated

by

industrial

instruments

and

its

energy

harvesting

and

conversion

mechanism,

a

sandwich

ring-shaped

ultrasonic

transducer

with

energy

harvesting

and

conversion

functions

was

designed.

The

finite

element

model

(FEM)

of

the

transducer

is

established

in

ANSYS

to

analyze

the

influences

of

the

structural

parameters

on

the

vibration

characteristics

and

energy

harvesting

characteristics.

The

mechanism

model

method

of

ultrasonic

vibration

energy

harvesting

was

then

derived

for

simulations,

whose

accuracy

was

verified

by

experiments.

The

results

show

that

when

the

exci