شماره ركورد
34893
پديد آورنده
محمدحسين احمدي
عنوان
طراحي و بهينهسازي تيرهاي سياهچاله صوتي و فرامواد مكانيكي براي برداشت انرژي ويبروآكوستيكي از نويز ريلي
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي ماشينهاي ريلي
سال تحصيل
1402
تاريخ دفاع
1405/3/4
استاد راهنما
دكتر داود يونسيان
استاد مشاور
ندارم
دانشكده
مهندسي راه آهن
چكيده
چكيده
با گسترش حسگرهاي بيسيم و سامانههاي پايش سلامت سازهاي در محيطهاي صنعتي، تأمين توان پايدار براي تجهيزات كممصرف به يكي از چالشهاي مهم تبديل ميشود. در اين ميان، منابع صوتي موجود در صنعت ريلي، از جمله صداي عبور قطار و اندركنش چرخ و ريل، ميتوانند بهعنوان منبعي بالقوه براي برداشت انرژي مورد استفاده قرار گيرند. بر همين اساس، در اين پژوهش عملكرد برداشتكننده انرژي پيزوالكتريك مبتني بر تير سياهچاله صوتي تحت تحريك صوتي بررسي ميشود.
در اين راستا، ابتدا تير ساده به تير سياهچاله صوتي تبديل ميشود و سپس سه نوع تقويتكننده شامل آگزتيك برگشتي، لانهزنبوري و تقويتكننده ساده به آن افزوده ميشود. براي سه پيكربندي شامل تير سياهچاله صوتي، تير سياهچاله صوتي مجهز به تقويتكننده آگزتيك برگشتي و تير سياهچاله صوتي مجهز به تقويتكننده لانهزنبوري، مدل جانشين مبتني بر رگرسيون چندجملهاي درجه دوم توسعه داده ميشود. سپس مدلهاي بهدستآمده با هدف بيشينهسازي توان خروجي، بهوسيله الگوريتم ژنتيك بهينهسازي ميشوند. دقت مدلهاي جانشين با ضريب تعيين 89/0 تا 93/0 و ميانگين خطاي نسبي 1/6 تا 4/7 درصد ارزيابي ميشود.
نتايج نشان ميدهد كه تبديل تير ساده به تير سياهچاله صوتي موجب افزايش چگالي انرژي كرنشي از 17/1 به 35/2 ژول بر مترمكعب ميشود و توان برداشتشده را از 31 به 72 ميكرووات ميرساند. افزودن تقويتكنندهها نيز توان خروجي را بهبود ميدهد. بيشترين توان مربوط به تير سياهچاله صوتي مجهز به تقويتكننده آگزتيك برگشتي است كه به 135 ميكرووات ميرسد و نسبت به تير ساده افزايش حدود 336 درصدي را نشان ميدهد. همچنين، توان خروجي در پيكربنديهاي لانهزنبوري و تقويتكننده ساده بهترتيب برابر با 93 و 85 ميكرووات به دست ميآيد.
مطالعه پارامتري، صحت نتايج بهينهسازي را در محدوده مجاز متغيرهاي طراحي تأييد ميكند. براي اعتبارسنجي نتايج عددي نيز آزمون تجربي روي پنج سازه انجام ميشود. خطاي فركانس رزونانس و خطاي توان برداشتشده بين 5 تا 14 درصد قرار ميگيرد. نتايج نشان ميدهد كه تركيب تير سياهچاله صوتي با تقويتكننده آگزتيك برگشتي ميتواند راهكاري مؤثر براي بهبود توان خروجي برداشتكنندههاي انرژي پيزوالكتريك باشد.
تاريخ ورود اطلاعات
1405/03/10
عنوان به انگليسي
Design and Optimization of Acoustic Black Hole Beams Integrated with Mechanical Metamaterials for Vibro-Acoustic Energy Harvesting from Railway Noise
تاريخ بهره برداري
6/2/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
محمدحسين احمدي
چكيده به لاتين
Abstract:
With the expansion of wireless sensors and structural health monitoring systems in industrial environments, providing a sustainable power supply for low-power devices has become a significant challenge. In this context, acoustic sources in railway industries, such as train passage noise and wheel–rail contact noise, offer considerable potential for energy harvesting. In this study, the performance of piezoelectric energy harvesters under acoustic excitation was investigated with the aim of enhancing output power. To this end, the effects of the acoustic black hole (ABH) region and geometric amplifiers including auxetic, honeycomb, and conventional configurations were examined in five different structural arrangements. First, a polynomial regression surrogate function was extracted and validated using simulation data to describe the system behavior. Subsequently, the coefficients of this function were optimized using machine learning techniques to improve the model accuracy. After verifying the accuracy of the surrogate model, geometric optimization was performed using a genetic algorithm with the objective of maximizing the output power. In addition, a parametric study was conducted to validate the optimal values and identify the sensitivity of design parameters in each configuration. Mechanical and electrical analyses were then carried out, and the numerical results were validated through experimental tests.
The results demonstrated that the acoustic black hole increased the output power from 31.024 to 72.221 μW and enhanced the strain energy density from 1.17 to 2.52 J/m³. By incorporating conventional, honeycomb, and auxetic amplifiers, the output power further increased to 85.817, 93.013, and 135.47 μW, respectively. The parametric study revealed that the optimal values were consistent with the response trends of the system. Moreover, in the beam containing the acoustic black hole, the truncation length parameter exhibited the highest sensitivity, whereas in the structures equipped with auxetic and honeycomb amplifiers, the amplifier thickness was identified as the most influential design parameter. The best performance was achieved by the structure combining the acoustic black hole with the auxetic amplifier, which yielded approximately a 337% increase in output power compared with the conventional beam. Experimental results also confirmed the validity of the numerical model, with discrepancies between numerical and experimental results ranging from 8% to 11% for output power and from 11% to 14% for resonance frequency.
Overall, the integration of the acoustic black hole and auxetic amplifier provides an effective approach for concentrating energy induced by acoustic excitation, improving electromechanical coupling, and enhancing the performance of acoustic piezoelectric energy harvesters.
كليدواژه هاي فارسي
برداشت انرژي , سياهچاله صوتي , آگزتيك , بهنيهسازي
كليدواژه هاي لاتين
energy harvesting , acoustic black hole , auxetic , optimization
Author
MohammadHossein Ahmadi
SuperVisor
Dr. Younesian