[发明专利]一种可实现地层振动能量回收的超材料隔振桩系统及应用

说明书

本申请涉及一种可实现地层振动能量回收的超材料隔振桩系统及应用，由多个超材料隔振桩阵列组成；所述超材料隔振桩包括空心桩(1)、谐振子系统、复合压电换能片(4)、能量收集与输出电压调整电路(5)。谐振子系统捕获地层中一定频率范围内的振动；复合压电换能片(4)能将谐振子系统捕获的振动中的机械能转化为电能；能量收集与输出功率电路(5)将捕获的电能由交流电调理为稳定电压的直流电为用电器供电，并将多余电能存储于储能电容器中。本申请将正压电效应通过超材料隔振桩应用于地层振动控制中，在隔离特定波长和频率范围内振动的同时，实现对地层振动机械能的收集，并利用转化的电能为附近的用电器供电，具有良好的应用前景。

技术领域

本申请涉及地层振动控制与收集利用领域，是一种可实现地层振动能量回收的超材料隔振桩系统，涉及地层振动的超材料隔振方法以及压电换能材料的正压电效应。

背景技术

近年来，随着城市轨道交通建设的推进，城市内轨道交通线网密度提高，建筑物与轨道交通线路的距离越来越近。地铁隧道中列车运行产生的振动会在地层中传播，造成周边建筑物的振动，引发环境振动和噪声问题。古建筑保护、高端精密仪器及精加工产业发展，以及人们对高质量生活环境的追求等都迫切需要控制环境振动。因此，近年来，关于环境振动的控制问题受到高度重视。对于轨道交通引发环境振动的隔离一般有三类方案：在振源处控制，如在扣件、轨枕、道床处；在振动波传播过程中进行控制，如空沟、连续壁、波阻块、排桩；在接收处控制，如隔振器、减振平台等。对于既有线路周边新建设施的隔振，从振源处控制的方案由于需要改造既有轨道交通结构，代价较大，与之相比从传播过程中控制的方案更为经济。超材料隔振桩是一种从传播过程中控制地层振动的方案。除此之外，本系统还可实现对地震能量、城市施工等造成的冲击振动能量的阻隔、吸收和回收利用，具有广泛的应用前景。

超材料隔振桩主要基于三个原理：屏障效应、局部共振(Local Resonance)和Bragg散射效应。屏障效应指振动波在多孔介质(岩土体)与弹性固体(空心桩)界面上传播时出现的反射、折射现象。局部共振指当与桩内谐振子的自振频率接近的振动波通过时，桩内谐振子产生共振实现对振动波能量的吸收。Bragg散射效应指，在周期性分布结构中，对应于结构单元特征尺寸的特定波长范围内的波在传播时会发生反射、衍射，并出现相位差，相互干扰，对波的传播产生很强的破坏作用。在满足这一条件的周期性分布结构中，特定波长范围内的振动波将无法通过。

在控制地层振动的同时，如果可以对被超材料隔振桩系统捕获的振动的机械能转化为电能并利用，就可以为邻近的用电器(监测传感器、照明设施等)供电。由于环境振动的幅值较小，压电陶瓷材料是一种理想的机械能转换材料。根据压电陶瓷的正压电效应，在对压电材料施加平行于极化方向的力时，在此方向产生应变，同时产生电位差。

发明内容

本申请的目的就是将正压电效应应用于超材料隔振桩对地层振动的控制过程中，实现对机械能的捕获与转化。

本申请的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种可实现地层振动能量回收的超材料隔振桩系统，其特征在于，由多个超材料隔振桩阵列组成，可以实现对特定波长范围内振动的捕获与能量转换。

所述超材料隔振桩，包括空心桩1、谐振子系统、复合压电换能片4、能量收集与输出电压调整电路5。

所述空心桩1包括桩体和上、下两个盖板11；

所述谐振子系统可以捕获地层中一定频率范围内的振动，谐振子系统包括质量块2和弹性支承块3；所述质量块2设置于两个弹性支承块3之间；所述空心桩的内径略大于谐振子系统的直径，所述谐振子系统内置于空心桩1内；

所述复合压电换能片4嵌入谐振子系统内，将谐振子系统捕获的振动中的机械能转化为电能；所述复合压电换能片4由压电陶瓷晶片和金属片叠合而成，在谐振子系统由于地层振动影响而产生振动时将系统中的机械能转化为电能，在谐振子系统往复振动时产生交流电；