Topological cavities in phononic plates for robust energy harvesting

Exceptional Points and Skin Modes in Non-Hermitian Metabeams

“…The vertical excitation line force applied at the left of the beam is 100 N/m and the amplification coefficient is chosen as α = 1000. A simple circuit powered by the PZT patch with a resistance R = 100 is devised, with an output power P defined as [48,49]…”

A review of elastic plate wave metamaterials

“…Close-range scanning electron microscope of aluminum-coated tungsten rod in SiO 2 matrix on the left (close-range scanning electron microscope of aluminum-nitride transducer on the right) [88] ; (b) (top) the quality factor of the resonator with phononic crystal as anchor is 6250; (bottom) the quality factor of the resonator with straight chain as anchor is 2660 [96] ; (c) resonators without phononic crystals and their near infrared thermal characterization [100] ; (d) resonators with phononic crystals and their near infrared thermal characterization [100] . [101] 。 2009 年，Gonella 等人 [102] 提出了声学带隙和压电能量收集之间的联动机制，如 图 8(a)。利用 声子晶体获得弹性波的频率带隙，由此产生的弹性波局域化能够在特定区域产生较大应变，这对 于能量收集而言至关重要。鉴于目前低频下能量转换机制的效率相对较低，这些设备通常设计在 1 kHz 以上工作。 为了设计更低频的能量收集装置， 人们开始利用声子晶体中的点缺陷及谐振腔， Wu 等人 [103] 在具有点缺陷的声子晶体板上使用聚偏二氟乙烯薄膜收集声能。Carrara 等人 [104] 进行 了一项综合研究，提出了几种基于声子晶体的能量收集方法，例如抛物面声反射镜、点缺陷和声 A c c e p t e d https://engine.scichina.com/doi/10.1360/TB-2021-1310 漏斗，并将其与无声子晶体的空白对照组进行了对比，结果显示这几种方法对于能量收集性能均 有明显提升。Lv 等人 [105] 理论研究了一种利用点缺陷声子晶体与压电晶体耦合的能量收集器并进 行了实验验证，该研究结果表明，基于声子晶体的能量收集器较以往的能量收集装置有更高的效 率。声子晶体的另一个优点是可以提供多个紧密的带隙，因而可以在一个较宽的频率范围内收集 能量。然而，一个主要限制是带隙的中心频率取决于声子晶体的晶格常数，晶格常数越大，中心 频率越低。考虑到器件微型化的需求，这限制了基于声子晶体的能量收集器在低频范围的应用 [28] 。 Zhang [106] 提出一种由四个卷曲折叠梁将方形块连接到基体上的超材料结构。 该结构在 250 Hz 以下存在 15 个带隙， 且振动能量集中在折叠梁上， 通过在梁上贴附压电材料便可实现能量收集。 该系统在谐振频率下，最大值输出电压约为 5 mV。Ahmed [101] 提出一种能够在 3 kHz 以下采集能 量的亚波长结构超材料，如图 8(c)。在对该结构进行数值分析和实验验证后，进一步设计了一种 具有多单元复合的宽带能量收集器。该装置能够采集约 0.2 kHz 至 1.5 kHz 之间的能量(输出功率 约 10∼90 μW)。此外，Ahmed 等人 [107] 提出当单个结构单元中存在多个局域共振模式时，可以通 过适当的载荷条件和压电材料的放置方式实现宽频能量收集。 值得关注的是，环境中的波往往分布在较宽的频率范围内，但对于超材料，一但稍微远离共 振频率， 其能量收集效率就会急剧降低。 因此拓宽基于超材料的能量收集带宽具有较大的挑战性。 非线性系统具有较宽的频带范围，可以提高能量采集的有效性。在机械和力学领域针对能量收集 的非线性研究较多， 例如 Mann [108] 提出了一种利用磁恢复力来悬浮振荡中心磁体的非线性能量收 集装置。非线性超材料很早就引起了人们的关注 [109,110] ，但直至近年，人们才将非线性系统引入 超材料能量收集领域，以解决线性材料带隙过窄的问题。Bukhari [111] 研究了波在由非线性链和多 个非线性局域谐振子组成的超材料中传播的特性， 揭示了这些非线性单元对材料行波特征和能带 结构的影响。Lu 等人 [112] 通过在球形磁腔中植入带线圈的滚动球来实现具有周期性阵列的非线性 能量收集超材料，如图 8(d)，实现能量收集的同时还使其具有很好减振能力。未来，非线性系统 A c c e p t e d https://engine.scichina.com/doi/10.1360/TB-2021-1310 与超材料的深度融合将是能量收集领域的重点方向之一。 利用超材料将环境中不同频率的波分离到不同的空间位置，然后再分别对其进行收集，即彩 虹捕获 [113] ，也是宽频能量收集的有效策略之一。Tian [114] 在板波声子晶体中将不同频率的导波能 量分别集中在不同的位置实现了超声导波的彩虹捕获，如图 8(f)。当然，近些年来拓扑概念的引 入也加快了板波能量收集领域的发展，Wen 等人 [115] 利用板波声子晶体中 Kekulé扭曲实现的拓扑 零维谐振腔来进行具体有传输鲁棒性的能量收集。该方案的能量收集功率较裸板提升了 30 倍。 图 8 板波超材料在能量收集中的应用。(a)能量收集示意图 [102] ；(b)内部结构 [102] ；(c) ...…”

Highly tunable low frequency metamaterial cavity for vibration localization

“…Park et al experimentally showed that the cavity on a thin aluminum phononic crystal could improve the energy harvesting efficiency about 22.8 times than the bare plate 26 . Wen et al introduced topological cavities for robust energy harvesting and demonstrated its harvesting efficiency about 30 times than the bare plate and robustness against defects at moderate perturbation level 27 . However, in these studies, the cavity mode has a limitation that the amplification through the cavity mode operates in a single frequency due to its resonance nature.…”