一种自动变频方法及装置制造方法及图纸

本公开提供的一种自动变频方法及装置，所述方法包括：将若干非线性的功能基元进行连接形成混沌超材料，指定其中的一个或多个功能基元作为输入基元，指定其中的另外一个或另外多个功能基元作为末端基元，将末端基元与用于输出恒定频率信号的输出振子连接；对输入基元施加振动激励；混沌超材料根据振动激励自发产生混沌运动；利用末端基元的混沌响应激发输出振子实现对振动激励的自动变频。所述装置包括：激励源、依次连接的混沌超材料和输出振子。依次连接的混沌超材料和输出振子。依次连接的混沌超材料和输出振子。

【技术实现步骤摘要】
一种自动变频方法及装置


[0001]本公开属于工程
，特别提出一种自动变频方法及装置。

技术介绍

[0002]将环境中广泛存在的振动能量高效地收集起来并转化为其它形式的能量(比如电能)一直受到人们的广泛关注，但也一直因为一些频率控制难题而影响了其实际的应用。其中一个主要的原因是环境中的振动通常是低频宽带的信号，但能量收集器往往在共振时才有较高的输出功率。因此，常规的能量收集器存在工作频带窄、难以在小体积下实现超低特征频率(低于5Hz)等问题。
[0003]每种能量收集器的调频方式都有各自的优缺点，归根结底是由能量收集器的受迫响应的两层依赖关系所决定的：1、系统响应对激励频率的依赖，2、特征频率对结构尺寸的依赖。例如，线性系统受周期激励时只能产生相同周期的同频响应；非线性系统的响应除了同频响应，还产生超谐波和亚谐波响应，但在非共振时仍以激励的同频响应为主。因此，只有激励频率(或其倍频、分频)等于特征频率时才能发生大振幅的共振响应，而偏离特征频率时响应则非常微弱。
[0004]特征频率是结构的固有属性，因此也称为固有频率。线性系统中的刚度是常值，所以特征频率是确定的，很难实现连续的宽带效果。非线性系统的刚度是随响应幅值而变化的，对应存在随响应幅值变化的特征频率，表现出不同初始条件下的多个动态响应解。然而并不总能保证达到期望的高能解，比如Duffing系统的频域迟滞现象或者多稳态系统陷入低能轨道的情况，所以传统的非线性结构仅能在某些激励条件下实现宽频带的共振峰。另外受限于实际结构的尺寸和质量，常规的能量收集器都很难实现超低的特征频率。即便是设计出特征频率跟随激励频率变化的“自适应”非线性系统，也很难适用于同时包含多频激励成分的情况。
[0005]采用传统的线性或非线性的方法，通过调谐能量收集器的固有频率以匹配激励频率，本质上没有打破系统响应对激励频率的依赖、特征频率对结构尺寸的依赖，所以只能在有限的参数范围内调谐频率。要想综合解决低频和宽带的难题，需要一种全新的频率控制机制。
[0006]另外一种截然不同的思路是通过打破双重依赖关系来实现变频，将任意频率的激励转换为和能量收集器特征频率一致的振动。Hwang和Arrieta(Hwang M,Arrieta A F.Extreme frequency conversion from soliton resonant interactions[J].Physical Review Letters,2021,126(7):073902.)基于孤子共振实现了一定程度的频率转变，但是转变的离面幅值明显小于受激的面内幅值，而且其输出的频率依赖于结构的整体特征(例如整体尺寸、附加质量、基元刚度等)，不能便捷地任意指定，还是没有完全地打破双重依赖关系。因此，仍需发展出一种鲁棒、高效、便捷的频率转换机制。
[0007]此外，混沌产生于确定性系统的往复稳态非周期运动，具有初值敏感性、内禀随机性和长期不可预测性的特点。本专利技术主要关注混沌的内禀随机性，它表现为有界的非周期
运动，频谱为很宽的连续频带。在结构中的混沌振动是一个广泛的主题，梁、拱等一维结构的力学模型通常被简化为Duffing系统或双稳态系统以分析它们的运动形式，这些结构在某些参数条件下可能会进入混沌运动。通常实现混沌运动的方法几乎都是主动施加扰动的形式，目前还没有一种被动的方法可以使结构在超大参数空间内进入混沌振动的状态。也正是因为混沌振动本身的复杂性以及实现大参数范围混沌的困难程度，目前在力学领域利用混沌的应用鲜有报道。
[0008]力学超材料由于其能实现对波动/振动的特殊控制在近年来受到了许多关注。本专利技术首先采用超材料功能基元序构的思想，设计出特殊的非线性功能基元，将功能基元有序组合，来实现结构层面的被动式的混沌化。之后，在混沌超材料的基础上实现了自动变频方法，最后给出了自动变频装置和实验结果。

技术实现思路

[0009]本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0010]为此，本公开第一方面实施例提供的一种基于混沌控制的自动变频方法，根本上打破了系统响应对激励频率和结构尺寸的双重依赖，从而综合解决了被动频率控制的难题。
[0011]本公开第一方面提供的自动变频方法，包括：
[0012]将若干非线性的功能基元进行连接形成混沌超材料，指定其中的一个或多个所述功能基元作为输入基元，指定其中的另外一个或另外多个所述功能基元作为末端基元，将所述末端基元与用于输出恒定频率信号的输出振子连接；
[0013]对所述输入基元施加振动激励；
[0014]所述混沌超材料根据所述振动激励自发产生混沌运动；
[0015]利用所述末端基元的混沌响应激发所述输出振子实现对所述振动激励的自动变频。
[0016]在一些实施例中，施加的所述振动激励的频率高于或者低于所述输出振子输出信号的频率；和/或
[0017]施加的所述振动激励为多频或单频激励。
[0018]本公开第二方面提供的自动变频装置，包括：
[0019]混沌超材料，包括多个相连接的非线性的功能基元，指定其中的一个或多个所述功能基元作为输入基元，指定指定其中的另外一个或另外多个所述功能基元作为末端基元；
[0020]激励源，用于对所述输入基元施加振动激励，以在所述混沌超材料内自发产生混沌运动；和
[0021]输出振子，与所述末端基元相连接，所述输出振子受所述末端基元的混沌响应激发而输出恒定频率的信号。
[0022]在一些实施例中，所述混沌超材料内各功能基元的类型相同或者不同；和/或
[0023]所述功能基元为多稳态的结构或机构。
[0024]在一些实施例中，所述功能基元为I型结构，所述I型结构由两根双曲梁和连接于两根所述双曲梁之间的一根双直梁组成，所述双曲梁内的两根曲梁相互平行，所述双直梁
内的两根直梁相互平行。
[0025]在一些实施例中，相邻两所述功能基元之间通过弹性元件相连接，所述弹性元件为一个弹性器件或者为由多个弹性器件组成的弹性系统；和/或
[0026]所述弹性元件为线性弹性元件，且不能改变相连的所述功能基元的多稳态特性。
[0027]在一些实施例中，所述弹性器件选用柔性梁、杆或弹簧。
[0028]在一些实施例中，所述输出振子为线性的输出振子。
[0029]在一些实施例中，所述激励源选用电磁式激振器、液压式激振器或者机械式激振器；或者所述激励源采用环境激励。
[0030]在一些实施例中，施加的所述振动激励的频率高于或者低于所述输出振子输出信号的频率；和/或
[0031]施加的所述振动激励为多频或单频激励。
[0032]本公开的特点及有益效果：
[0033]1、本公开是基于结构层面进入混沌运动的被动技术，不需要额外施加扰动；
[0034]2、本公开为基于混沌化超材料实现自动变频的一般性方法，混沌超材料不限制具体的功能基元的类型或结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自动变频方法，其特征在于，包括：将若干非线性的功能基元进行连接形成混沌超材料，指定其中的一个或多个所述功能基元作为输入基元，指定其中的另外一个或另外多个所述功能基元作为末端基元，将所述末端基元与用于输出恒定频率信号的输出振子连接；对所述输入基元施加振动激励；所述混沌超材料根据所述振动激励自发产生混沌运动；利用所述末端基元的混沌响应激发所述输出振子实现对所述振动激励的自动变频。2.根据权利要求1所述的自动变频方法，其特征在于，施加的所述振动激励的频率高于或者低于所述输出振子输出信号的频率；和/或施加的所述振动激励为多频或单频激励。3.一种自动变频装置，其特征在于，包括：混沌超材料，包括多个相连接的非线性的功能基元，指定其中的一个或多个所述功能基元作为输入基元，指定指定其中的另外一个或另外多个所述功能基元作为末端基元；激励源，用于对所述输入基元施加振动激励，以在所述混沌超材料内自发产生混沌运动；和输出振子，与所述末端基元相连接，所述输出振子受所述末端基元的混沌响应激发而输出恒定频率的信号。4.根据权利要求3所述的自动变频装置，其特征在于，所述混沌超材料内各功能基...

【专利技术属性】
技术研发人员：许磊，向志海，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：