An experimentally validated double-mass piezoelectric cantilever model for broadband vibration–based energy harvesting

悬臂梁 振动 锆钛酸铅 压电 声学 模态分析 带宽(计算) 能量收集 验证质量 运动方程 边值问题 情态动词 本征函数 固有频率 物理 工程类 材料科学 结构工程 能量(信号处理) 经典力学 电气工程 特征向量 电介质 量子力学 高分子化学 铁电性 电信
作者
Qing Ou,Xiaoqi Chen,Stefanie Gutschmidt,Alan Wood,Nigel Leigh,Andres F. Arrieta
出处
期刊:Journal of Intelligent Material Systems and Structures [SAGE]
卷期号:23 (2): 117-126 被引量:87
标识
DOI:10.1177/1045389x11431746
摘要

Narrow bandwidth is the major challenge to today’s vibration-based energy harvesters. Compared with other broadband approaches that involve moving parts and control electronics, a double-mass piezoelectric cantilever beam provides a simple and reliable solution to widen the effective bandwidth as a vibration energy harvester. In this article, a continuum model of a double-mass lead zirconate titanate cantilever subject to sinusoidal base excitation is presented. First, the undamped equation of motion along with boundary and transition conditions is derived from Hamilton’s principle, followed by modal analysis that determines the eigenfunctions and natural frequencies. Next, the coupled electromechanical equations for sinusoidal base excitation are obtained. The output voltage and relative displacement are solved analytically. The frequency response function and mode shapes predicted by the model are validated against experiments.
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