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新材料技术

机电换能器指一类可以在机械场和电场间进行能量交换的设备，主要用于传感、作动以及近年来提出的振动能量收集和振动抑制等。这类设备必然包含某种具有机电耦合效应的部件，可以由纯机械设计实现，例如可动极板电容、可动芯棒电感或音圈作动器等；也可以由具有机电耦合效应的智能材料实现，例如光学纤维、压电陶瓷片、压电堆或压电薄膜等。基于智能材料实现的换能器具有轻质、小型和高效的特点，是目前机电换能器相关领域的关注热点。目前，机电换能器中使用最成熟、应用最广的智能材料是植入式或粘接式的压电晶片，其优势是质量轻、机电耦合性能好以及易于加工实现等。然而，压电晶片较脆，易于断裂，难以于曲面贴合。为了突破这一限制，NASA兰利研发中心开发了压电纤维复合材料。但是，无论是压电晶片或是压电纤维复合材料，如果在使用中以粘贴或植入的方式与目标结构连接，都存在不方便拆卸、安装和维护的弱点。工程领域中只对特定弹性波具有机电耦合性能的换能器，称为“波模态换能器”。但目前尚无针对更复杂结构(如圆柱壳体等)中各种弹性波设计的波模态换能器。

本技术研究的基于压电纤维复合材料(Macro Fiber Composites)的环状波模态换能器，其特点是只与圆柱壳结构中特定弹性波产生相互作用，可用于结构健康监测、参数识别和振动抑制等领域。环状波模态换能器主要包括一对分半的柔性开口环和分布在其上的相互连接的压电纤维复合材料。通过在柔性开口环上布置几种不同的方式，使目标柱壳结构中的预定模态的弹性波(包括弯曲波、压缩波、扭转波)在通过换能器时，有一部分机械能可以与储存在压电材料的本征电容中的电势能进行相互转换，进而可以根据应用需求达对弹性波进行传感、激发和调控。本技术的优点在于： (1)机电耦合特性对弹性波具有选择性，可以从硬件层面排除多模态响应带来的信号干扰，在结构健康监测和减振降噪等领域有广泛的应用前景。 (2)通过压紧的方式连接到目标结构上，其加工制造是独立于目标结构的，且便于拆装和维护。 (3)压电纤维复合材料具有较好的贴合性，且该压电材料性能好，只需要较少的质量就可以达到预定的性能，大大降低了换能器对目标结构动力学特性的影响。

北航工研院相关研发团队，本项目已申请国家发明专利。

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