Συλλογή και μετατροπή ακουστικής ενέργειας με έμφαση σε χαμηλές συχνότητες
Authors: Παπαδάκος Χαράλαμπος 
Published: September 2021

Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή παρουσιάζονται νέα ευρήματα και αποτελέσματα στον τομέα της συλλογής ακουστικής ενέργειας με έμφαση στις χαμηλές συχνότητες. Στην αρχή αυτής της εργασίας εκτιμάται η πυκνότητα ακουστικής ισχύος στο περιβάλλον και συγκρίνεται η δυναμική του ήχου με εκείνη άλλων πηγών ενέργειας στο περιβάλλον που αξιοποιούνται για την παραγωγή ενέργειας. Το ενδιαφέρον για την AEH είναι δικαιολογημένο και παρουσιάζεται η αντίστοιχη κατάσταση της τέχνης. Πριν την ανάλυση, περιγράφονται λεπτομερώς τα κίνητρα αυτής της εργασίας και καθορίζονται οι κύριοι στόχοι.Η ανάλυση θεωρεί ότι ο πιεζοηλεκτρικός μετατροπέας είναι το στοιχείο μετατροπής ενέργειας γι’ αυτή τη μελέτη. Αρχικά, παρέχει ένα μοντέλο συγκεντρωμένων στοιχείων (LEM) για την αξιολόγηση της δυναμικής τέτοιων μετατροπέων που συζευγνύονται άμεσα με το ακουστικό πεδίο να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια και χρησιμοποιώντας ένα τέτοιο πλαίσιο, αποδεικνύει την αναποτελεσματικότητα μιας τέτοιας προσέγγισης για εφαρμογές συλλογής και μετατροπής ακουστικής ενέργειας πρακτικού ενδιαφέροντος. Στη συνέχεια, προτείνεται μια νέα μέθοδος και συσκευή για τη βελτίωση της σύζευξης τέτοιων μετατροπέων και του ακουστικού πεδίου για την ενίσχυση της δυναμικής για συλλογή και μετατροπή ακουστικής ενέργειας. Γι’ αυτή την περίπτωση έμμεσης σύζευξης, η ανάλυση παρέχει ένα τροποποιημένο LEM σε σύγκριση με την περίπτωση άμεσης σύζευξης. Σ’ ένα επόμενο επίπεδο προτείνεται ένας νέος βιομιμητικός μηχανισμός που μιμείται τη λειτουργία και τη δομή του ανθρώπινου μεσαίου ωτός για την υλοποίηση μιας τέτοιας έμμεσης σύζευξης πιεζοηλεκτρικών μετατροπέων και ακουστικού πεδίου για συλλογή και μετατροπή της ακουστικής ενέργειας. Μια τέτοια συσκευή μπορεί να εξασφαλίσει επαρκή ηλεκτρική ισχύ για την οδήγηση εφαρμογών χαμηλής ισχύος στην περιοχή nW-mW. Στη συνέχεια, προκειμένου να παρασχεθεί μια ένδειξη εφαρμοσιμότητας του προτεινόμενου βιομιμητικού μηχανισμού, η μελέτη αυτή επικεντρώνεται στα ηχεία δεδομένου ότι η στάθμη ηχητικής πίεσης στο εσωτερικό τους μπορεί να είναι σημαντικά υψηλή κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους, όπως φαίνεται μέσω δοκιμών που πραγματοποιούνται για ρεαλιστικά μοντέλα τρισδιάστατων εικονικών πρωτοτύπων, τα οποία επικυρώνονται επίσης μέσω μετρήσεων που πραγματοποιούνται σε πραγματικά ηχεία. Συγκεκριμένα παραδείγματα μοντέλων τρισδιάστατων εικονικών πρωτοτύπων των ηχείων συνδυάζονται με τον προτεινόμενο βιομιμητικό μηχανισμό και έναν πιεζοηλεκτρικό μετατροπέα και ελέγχονται για την αξιολόγηση της δυναμικής για συλλογή και μετατροπή της ακουστικής ενέργειας εντός του ηχείου. Τα αποτελέσματα των δοκιμών δείχνουν ότι ο προτεινόμενος βιομιμητικός μηχανισμός μπορεί να λειτουργήσει ως συλλέκτης και ταυτόχρονα ως παθητικός απορροφητής ακουστικής ενέργειας. Τα εν λόγω αποτελέσματα δείχνουν περαιτέρω ότι η τάση εξόδου του πιεζοηλεκτρικού μετατροπέα συνδυασμένου με τον προτεινόμενο βιομιμητικό μηχανισμό μπορεί να είναι επαρκής για τη φόρτιση μιας επαναφορτιζόμενης μπαταρίας, ή για την οδήγηση ενός ηλεκτρονικού φορτίου, ενώ η ηλεκτρική ισχύς που παράγεται σε μία αντίσταση φορτίου μπορεί να ανέρχεται σε μονάδες mW. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται σε αυτή την εργασία εξετάζονται λεπτομερώς και παρουσιάζεται το πλαίσιο για τη μελλοντική εργασία και τις σχετικές εφαρμογές.