چکیده
امروزه با گسترش ساخت تجهیزات الکتریکی کوچک و کممصرف و استفاده بهینه از انرژی های تجدیدپذیر، توجه برای ایجاد یک منبع تغذیه مفید برای جایگزینی باتری به منظور تامین انرژی الکتریکی این تجهیزات بیش از پیش افزایش یافته است. در این بین استفاده از انرژی موجود در امواج آکوستیکی محیط پیرامونی برای تامین توان الکتریکی تجهیزات کم توان یکی از راهحلهای مفید برای رفع این مشکل است. همان طور که مشخص است، در حالت کلی چگالی جذب امواج آکوستیک بسیار پایین است. از این رو، در تبدیل انرژی آکوستیکی به انرژی الکتریکی نیاز است ابتدا با استفاده از روشهای مرسوم، امواج صوتی محیط را متمرکز کرده و سپس با استفاده از یک برداشتگر مناسب، انرژی الکتریکی با بیشینه ترین حالت ممکن برداشت شود. به کارگیری محفظههای هلمهولتز و ساخت و طراحی فرامادهها از جمله روش های افزایش تمرکز امواج صوتی محیطی محسوب می شوند. آنچه در این رساله ارائه شده است، تحلیل و بررسی یک ساختار بهینه فراماده به منظور افزایش برداشت انرژی از امواج آکوستیکی در یک محدوده فرکانسی مشخص 3000-5000 هرتز با استفاده از وصلهی پیزوالکتریک و تاثیر آن ساختار بر پهنای شکاف آکوستیکی است. در این رساله، برای اولین بار، به منظور افزایش تمرکز امواج آکوستیکی از کریستالهای غیراستوانهای با چینش لوزی-مربعی استفاده شده است. همچنین اثر اضافه کردن جرم متمرکز بالای کریستال ها بر روی پهنای شکاف آکوستیکی و نیز تغییر زاویه تابش منبع صوت بر روی میزان برداشت انرژی در محل آخال بررسی شده است. مدلسازی سیستم در محیط سهبعدی نرمافزار کامسول ویرایش 6، انجام شده است. پارامترهای بهینه از طریق به کارگیری دو الگوریتم شبکه عصبی مصنوعی و الگوریتم ژنتیک با استفاده از لینک نرمافزار متلب و کامسول انتخاب شدهاند. در این مساله، پارامترهای موثر شامل طول کریستال، شعاع کریستال، شعاع انحنای کریستال، فاصله مرکز به مرکز و ضخامت صفحه فراماده در فرایند بهینه سازی برای انتخاب مقادیر بهینه در نظر گرفته شدند. هم چنین در این رساله، روابط حاکم بر مساله برداشت انرژی، پهنای شکاف و افت انتقال صوت بر اساس تئوری بلاخ ارائه شده است. نتایج نشان دادند که استفاده از فراماده با کریستال های هذلولوی با ابعاد بهینه در مقایسه با فراماده با کریستال استوانه ای تحت شرایط محیطی و جرم یکسان، متوسط برداشت انرژی به مراتب بیشتری در محدوده فرکانسی مشخص 3000-5000 هرتز دارد. هم چنین با مقایسه نتایج پهنای شکاف آکوستیکی و محدوده افت انتقال صوت برای هر دو فراماده مورد نظر، فراماده با کریستال هذلولوی به دلیل افزایش امپدانس مکانیکی، پهنای شکاف آکوستیکی بزرگ تری نسبت به حالت استفاده از فراماده با کریستال استوانه ای دارد. هر چند، با اضافه شدن جرم متمرکز بر روی کریستال هذلولوی، پهنای شکاف بزرگتری نسبت به دو حالت قبلی محاسبه شد. نتابج تغییر زاویه تابش نیز نشان داد که بهترین حالت برداشت انرژی در حالت تابش عمودی و سپس تابش افقی میسر می شود. در نهایت، نتایج حاصل از حل شبیه-سازی با نتایج تجربی در هر دو حالت برداشت انرژی و پهنای شکاف مورد مقایسه و اعتبارسنجی قرار گرفته اند. نتایج تجربی برای دو حالت فراماده با چینش مربعی-لوزی یکی با کریستال هذلولوی و دیگری با کریستال استوانه ای انجام شده و مورد مقایسه قرار گرفتند.
کلمات کلیدی: فرامادهی آکوستیکی، برداشت انرژی آکوستیکی، پیزوالکتریک، پهنای شکاف آکوستیکی، شبکه غیر مربعی، کریستال غیر استوانه ای