2016 Fiscal Year Research-status Report
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15K05874
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Research Institution | Tokai University |
Principal Investigator |
森山 裕幸 東海大学, 工学部, 教授 (60200458)
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Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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Keywords | 振動発電 / 圧電素子 / 機械音響連成 / 電気機械連成 |
Outline of Annual Research Achievements |
本研究では振動子として薄肉のアルミニウム合金製の円板を用い,まず板表面の中央に貼付した圧電素子を板振動に伴う伸縮により発電させ,その発電特性に注目している.この発電量は振動振幅に依存するため円板を固有周波数付近で加振させ,円板の振動特性及び発電特性を理論的に検討し,理論解析の妥当性を数値解析及び実験で検証した. このような圧電振動発電の特性改善を目的に,上記円板を両端に配置した円筒構造を取り上げる.この場合,加振機から供給される振動エネルギーは円板振動を介し,円筒内部音場及びもう一方の端板に伝播することで機械音響連成現象が引き起こされることになる.さらに円筒を単一円筒の筒長方向に追加した円筒構造(以後連結円筒モデルと略称する)を用いれば,上記現象が付加された円筒内部音場と仕切り板及び端板の振動との間でも生じることになる.そのため振動板の面積はさらに拡大され,加振機から供給される振動エネルギーの回収には都合が良い.特に平成28年度は上記の機械音響連成を利用した圧電振動発電が,円板振動のみよる発電に比べて顕著に特性改善されることを理論と実験から明らかにしてきた. 上記は円板の固有周波数で加振した結果から検討されたものであり,実環境下を想定すればランダム加振での検討も必要である.実験装置はこれまでのものを流用することになるが,準備段階の実験からランダム加振時の発電特性は,円板振動のみによる発電と円筒構造を用いた発電の双方において,円板の固有周波数による加振に比べて極めて抑制されることが分かっている.そこでランダムな振動成分から円板の固有モード成分を抽出するため,付加質量を円板表面に設置することで連結円筒モデルにおける仕切り板の固有振動特性を調整し,構造振動系と内部音場とのマッチングを試みた。その結果,上記マッチングは,発電特性改善に大きく寄与することを明らかにできた.
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
初年度より,1枚の圧電素子を中心に貼付したアルミニウム合金製円板を用いた発電実験を行っており,加振機により点加振力を受ける円板の固有周波数が自由振動時に比べて低周波数側へ移行することが問題として残っていた.加振機による点加振はロードセルに設置した加振棒を介して負荷されている.そのため加振棒の質量が振動系全質量を増加させることで,点加振時の固有周波数が低周波数側へ移行することを明らかにした.またこの付加質量の影響を抑制するために,加振棒の長さを極力短く設定した実験も試みた. 単一空洞を用いた発電実験において両端に同じ板厚の円板を設置し,一方の円板を自由振動時の固有周波数で加振した場合,上記理由で非加振側の円板における電力が加振側を大きく上回ることになる.ただし機械音響連成の利用は両端板での発電促進を目指したものであるため,非加振側端板の薄肉化あるいは付加質量による固有周波数の低周波数化によって,両端板の振動及び内部音場とのマッチングを試みた.その結果,上記マッチングは発電特性を大幅に改善させることを明らかにした. 連結空洞において固有周波数特性のマッチングを考慮していない従来タイプの発電実験から,2つの空洞を仕切っている円板で最大電力を生じることは既に分かっていた.そこで単一空洞と同様にマッチングを試み,発電特性が大幅に改善されることを明らかにした. 以上は固有周波数の加振による発電実験の結果であるが,本研究では実環境下を想定したランダム加振による発電実験も試みている.円板のみの発電実験においてランダム信号を加振機に供給した加振では,付加荷重,加速度及び電力等の応答は入力信号と異なり,円板の固有周波数成分が卓越することが分かった.そこで連結空洞を用い,卓越成分の周波数で円板振動と音場をマッチングさせた場合,発電特性がランダム加振時に比べて飛躍的に改善することを明らかにした.
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Strategy for Future Research Activity |
前年度までに機械音響連成を利用した圧電振動発電において,構造系と音場系の応答特性に関するマッチングが発電特性改善に役立つことを実験的に明らかにしてきた.しかし理論解析及び数値解析では常にマッチングした状態で検討しており,実験結果を裏付ける解析結果は十分に得られていない.本年度の理論解析では発電実験に使用している実験モデルに近づけモデルを採用し,マッチングの効果を十分に把握する予定である. 特に理論解析においてランダム加振した場合,機械音響連成が促進されないため実験結果とは異なる発電特性となっていた.これはランダムな周波数成分の加振であっても,円板振動における加速度は固有周波数成分に支配される特性を有することになる.そこでランダム加振を模擬するため,2モード以上の固有周波数成分が混在する加振を想定した解析モデルを取り上げると共に,同様な発電実験から理論解析結果の妥当性を検証する. 上記知見に基づき,単一円筒と連結円筒による機械音響連成を利用した圧電振動発電において,一方の端板に回収すべき振動エネルギーを複数の固有モードで構成された周波数成分での加振で供給し,他方の端板には機械音響連成を励起するための単一周波数による加振力(制御力)を付加する解析モデルを用いる.この制御力によるエネルギー回収を,総発電量及び制御力を基準とした効率等で検討する.その際,円板振動と内部音場とのマッチングを考慮し,円板の板厚及び境界条件と共に,加振力を構成するモード成分の大きさやモード間の位相差をパラメータに,振動振幅が抑制される状況を詳細に把握する.当然,発電実験よって理論解析の妥当性を検証するが,その場合,回収すべき振動エネルギーを複数の固有モードで構成された周波数成分での加振で供給するだけでなく,ランダム加振も取り上げる予定である.
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Causes of Carryover |
設備備品及び消耗品を購入する際,事前の予定額と実際の購入額に若干の差異が生じたため.
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Expenditure Plan for Carryover Budget |
発電実験に使用する圧電素子を購入する.
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Research Products
(4 results)