Page 52 - 《振动工程学报》2026年第3期

652 振 动 工 程
图 15 三种可编程势能阱轨道非线性力的仿真与试验结果
对比
Fig. 15 Comparison of simulation and experiment results of
nonlinear forces of three kinds of programmable
potential energy well raceway
图 16 为激励加速度 A=2 m/s 时，对三种轨道
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结构（Ⅰ⁃型、Ⅱ⁃型和Ⅲ⁃型）压电振动能量采集器正
向扫频得到的输出电压随频率变化的仿真与试验结
果对比。可以看出，三种轨道结构压电振动能量采
集器的发电电压与理论仿真结果基本吻合。从试验
结果中可以看出，在超低频范围内（f<2 Hz），由于
激励频率过低，三种压电振动能量采集器都做小幅
值的阱内运动，输出电压和功率较小。随着激励频
率的增大，三种压电振动能量采集器的运动状态逐
渐发生转变，分别由小幅值的阱内运动跳转进入大
幅值的阱间运动，输出电压和功率也急剧增大。不
仅如此，压电振动能量采集器跳转进入大幅值阱间
运动的起始频率也随着非对称坐标的增大而逐渐提
升，分别为 1.6、3.1 和 3.9 Hz，这说明Ⅰ⁃型轨道结构
学 报 第 39 卷
压电振动能量采集器更适合低频振动能量的采集和
转换。另外，随着非对称坐标的增大，压电振动能量
采集器的大幅值阱间运动频率范围逐渐减小，Ⅰ⁃型
轨道结构压电振动能量采集器大幅值阱间运动的频
率范围为 1.6~6.2 Hz；Ⅱ⁃型轨道结构压电振动能量
采集器的频率范围为 3.1~5.7 Hz；Ⅲ⁃型轨道结构压
电振动能量采集器的频率范围为 3.9~5.6 Hz。这
进一步说明了Ⅰ⁃型轨道结构压电振动能量采集器
更适合低频、低激励水平的环境振动能量采集。与
图 16 对应的三种压电振动能量采集器的输出功率
随频率变化的仿真与试验结果对比如图 17 所示 。
可以看出，试验结果与仿真结果具有相同的变化趋
势，Ⅰ⁃型轨道结构压电振动能量采集器具有较宽的
大功率输出频率范围，而Ⅲ⁃型轨道结构压电振动能
量采集器则输出频率和输出功率均有所减小，这是
由于Ⅲ⁃型轨道结构具有较大的非对称平衡点坐标，
导致需要更大的非线性力和激励能量使之进入大幅
值的阱间运动。在相对低的激励加速度（A=2 m/s）
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下，Ⅲ⁃型轨道结构压电振动能量采集器无法完全进
入阱间运动，而是在阱内运动和混沌运动两种状态
之间交替变化，导致总体输出功率低。
为了验证三种轨道结构压电振动能量采集器的
跳转特性，图 18 给出了三种轨道结构（Ⅰ⁃型、Ⅱ⁃型
和Ⅲ⁃型）压电振动能量采集器在激励频率 f = 5 Hz
时，输出电压随激励加速度幅值变化的仿真与试验
结果对比，可以发现试验结果与仿真结果比较吻合。
随着非对称平衡点坐标间距的增大，压电振动能量
采集器跳转进入大幅值阱间运动所需的激励加速度
幅值也逐渐增大，例如，Ⅰ⁃型、Ⅱ⁃型和Ⅲ⁃型轨道结
构压电振动能量采集器的跳转加速度分别为 1.9、
2.0 和 2.2 m/s 。在发生跳转之前，由于低激励幅值
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的环境振动无法提供足够的能量激发三种轨道结构
压电振动能量采集器发生跳转，从而都做小幅值的
阱内运动，产生较小的输出电压；但当跳转进入阱间
运动后，三种轨道结构压电振动能量采集器的输出
电压急剧增大，且随着非对称坐标间距的增大，输出
电压也逐渐增大，例如，Ⅰ⁃型、Ⅱ⁃型和Ⅲ⁃型轨道结
构压电振动能量采集器阱间运动产生的输出电压分
别为 10、12 和 14 V。另外，随着激励加速度幅值的
增大，三种轨道结构压电振动能量采集器的发电电
压也随之增大。总体而言，试验结果表明三种轨道
结构压电振动能量采集器具有较小的跳转激励加速
度和较大的输出电压，比较适合低激励水平振动能
量的采集。