随着近年来低功耗的微型电子元器件的飞速发展及普遍应用,其供能问题日益突出。传统化学电池寿命有限、价格昂贵且污染严重,因此研究出一种微型电子元器件的自供能技术十分有必要。目前,最受青睐的一项技术就是收集环境中的振动能量,因为环境中存在着大量的振动,容易获取。振动能量收集主要依据的是振动力学中的受迫振动原理,当能量收集器受到外界振动源的激励时便会与振动源之间产生相对位移,再利用压电效应或者电磁转化效应将振动能转化为电能。根据振动力学中相关的原理,只有激励源的频率与能量收集器的固有频率匹配时才能收集到可观的能量,当能量振子与外界激励频率失匹时其性能将大为减弱。而环境中的振动源大多为低频振动且是随机、时变的,这给一般的能量收集器的实际应用带来了极大的挑战。理论研究表明能量收集器的输出功率与振动频率呈正相关,因此为了更好地收集环境中的低频振动能量,人们提出了升频转换机制。其核心思想是使得能量振子与其它在同一振动源驱动共振下的振子发生碰撞,从而提升能量振子的振动频率,然而这种方法还是需要遵循频率匹配的原则。现实中还有一种普遍存在的特殊的振动,即由固体接触界面之间的摩擦所诱导的自激振动,称为摩擦自激振动（FIV）。模态耦合所引发的摩擦自激振动通常会诱导高强度和高频率的振动并伴随着持续稳定的尖叫噪声,且它的能量来源于摩擦系统内部的能量反馈,不依赖于外界激励,因此摩擦自激振动是一种潜在的可以克服频率失匹的振动源。虽然摩擦自激振动可以被利用,但是实际上它是一种有害现象,特别是在车辆制动领域,摩擦自激振动通常会降低机械系统运行的稳定性,影响车辆的行车安全,并时常伴随着低频颤振或者高频尖叫,对于乘客的乘坐舒适性也具有较大的影响,因此需要对摩擦自激振动进行抑制以降低它所带来的危害。由于压电材料收集摩擦自激振动能量的转化率较低,单纯依靠能量转换不能有效降低机械系统的摩擦自激振动。为此,我们提出了一种由弹性阻尼元件和压电元件组成的复合结构,压电元件被两层阻尼层夹在中间。阻尼元件用于耗散不稳定的FIV,使摩擦系统稳定,同时,压电元件将部分振动能量转化为电能。该方法既实现了减振又实现了能量收集。本文的主要研究结论如下:1.为了有效获取超低环境频率下的振动能量,本文提出了一种新的能量转化概念,利用接触摩擦非线性将超低频率环境振动中的能量转化为高频的摩擦自激振动能量。通过这种二次转化可以将原始振动频率提高数百倍,并且激励的振动幅值可以提升数个数量级。这种转换机制为本文所提出的升频转换—激励放大机制。相较于传统的碰撞驱动下的升频转换机制,该方法使得压电内阻降低了一个数量级;同时压电振子的输出电压幅值也得到了提升。因此,压电振子的平均输出功率得到了数倍的提升。2.试验结果表明,摩擦自激振动的频率不受外部激励频率的影响,且从二次高频摩擦振动中输出的压电能量在极低的外界激励频段内几乎不变,意味着利用摩擦非线性可以将压电振子的工作带宽拓展到极低的频率范围内。数值计算的结果表明界面摩擦会导致机械系统的多个模态之间产生耦合,从而导致系统的振动和电压信号出现复杂的频谱。摩擦系数是一个摩擦自激振动能量回收的一个重要参数,较大的界面摩擦系数会诱发更强烈的自激振动从而产生更多的电能。3.本文提出一种具有“阻尼层—压电层—阻尼层”三明治结构的弹性阻尼—压电片复合结构,试验和有限元仿真结果均表明通过将这种三明治结构引入到摩擦系统中可以同时实现减振和能量回收。通过相关性分析证明压电材料的输出电能转化自系统的摩擦自激振动能量。4.本文研究表明在弹性阻尼表面开沟槽有助于提高减振性能,但是系统摩擦自激振动减小的同时,压电片的输出电压幅值也减小。有限元模拟的结果显示在阻尼件上引入一定尺度的沟槽可以使得阻尼元件切入端与切出端之间变形更加均匀,从而改善摩擦界面的接触状态,降低系统的摩擦自激振动。由于压电片的变形程度与阻尼垫片竖直方向上的变形分量呈正相关,而沟槽型阻尼片在竖直方向上的变形较光滑阻尼片有所减小,因此其输出电压幅值减小。