Page 77 - 《振动工程学报》2025年第8期

第 8 期 侯露刚，等： 可调势阱型三稳态压电能量采集器的动力学特性研究 1717

性 的 影 响 ，图 8 所 示 为 采 集 器 在 d=20 mm、d g =
20 mm、A=12 m/s 时不同辅助柔性梁刚度下采集
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器输出电压随激励加速度频率变化的仿真结果。从
图 8 中可以看出，当辅助柔性梁刚度 k=2512.1 N/m
时，采集器在 3.3~8.5 Hz 之间做大幅阱间运动，最
大 电 压 为 3.504 V；增 大 辅 助 柔 性 梁 刚 度 至 k=
5531.3 N/m 时 ，采集器在 5.2~9 Hz 之间做大幅阱
间运动，最大电压为 4.536 V；继续增大辅助柔性梁
刚 度 至 k=20843 N/m 时 ，采 集 器 在 7.3~9.2 Hz 之
间做大幅阱间运动，最大电压为 5.697 V。由此可以
看出，随着辅助柔性梁刚度的增大，采集器的频带宽
度减小，并且向高频区域偏移，这不利于低频环境下
的能量采集。

图 7 不同刚度 k 下（k p =k r ）的总势能变化曲面
Fig. 7 Variation surface of total potential energy （k p =k r ）
under different stiffnesses k
图 8 不同刚度下的频率响应对比
且只改变一个辅助柔性梁的刚度会使势能曲线表现 Fig. 8 Comparison of frequency response under different
出非对称性，可以通过改变柔性悬臂梁刚度起到定 stiffnesses
制势能阱的效果。
图 9 所 示 为 采 集 器 在 d=20 mm、d g =20 mm、
为了提高能量采集器的环境适应能力，即在较低
f=6 Hz 时不同辅助柔性梁刚度下采集器输出电压
的环境激励条件下和更宽的频带范围内采集输出更
随激励加速度幅值变化的仿真结果。从图 9 中可以
高的电能，研制的势能阱可调型能量采集器必须具备
看出，当辅助柔性梁刚度 k=2512.1 N/m 时，随着激
两个显著特点，即较低的跳转加速度和较宽的工作频
励加速度幅值的逐渐增加，采集器在 A=7 m/s 时
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带范围。一方面，环境中的振动通常比较微弱，较低
的跳转激励加速度意味着振动能量采集器在比较微
弱的外部激励时，依然能够从小幅值的阱内运动跳转
到大幅值的阱间运动，这对于提高采集器的动态输出
性能非常重要。另一方面，环境振动通常具有宽频、
随机性。能量采集器具备更宽的工作频带意味着振
动能量采集器可以在更广泛的频率范围内与环境振
动相匹配，使之处于最佳工作频率点，从而提高能量
收集效率。因此，后续将着重研究柔性辅助梁在不同
激励加速度幅值和频率下对能量采集器的频率响应
和幅值响应的影响，证明所提柔性三稳态压电能量采
集器具有较好的环境适应能力。

3. 1 辅助柔性梁刚度对采集器频域特性的影响 图 9 不同刚度下的幅值响应对比
Fig. 9 Comparison of amplitude response under different
为了进一步了解辅助柔性梁刚度对系统频域特 stiffnesses